方企勤 第三章 一元函数积分学 第3.3题

教材习题

📝 题目

3. 3.19 设 $f\left( x\right) \in C\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ ,且 $f\left( x\right) \geq 0\left( {\forall x \in \left\lbrack {a,b}\right\rbrack }\right)$ . 求证:

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\left\{ {\int }_{a}^{b}{\left\lbrack f\left( x\right) \right\rbrack }^{n}\mathrm{\;d}x\right\} }^{\frac{1}{n}} = \mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {a,b}\right\rbrack }}f\left( x\right) . $$

💡 答案解析

3. 3.19 设

$$ M = \mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {a,b}\right\rbrack }}f\left( x\right) > 0,\;f\left( {x}_{0}\right) = M\;\left( {a < {x}_{0} < b}\right) , $$

则对 $\forall \varepsilon \in \left( {0,M}\right) ,\exists \delta > 0$ ,使得

$$ M - \frac{\varepsilon }{2} < f\left( x\right) \leq M\;\left( {\forall x \in \left( {{x}_{0} - \delta ,{x}_{0} + \delta }\right) }\right) . $$

令 ${I}_{n} = {\left\{ {\int }_{a}^{b}{\left\lbrack f\left( x\right) \right\rbrack }^{n}\mathrm{\;d}x\right\} }^{\frac{1}{n}}$ ,则有

$$ {\left( 2\delta \right) }^{\frac{1}{n}}\left( {M - \frac{\varepsilon }{2}}\right) \leq {\left\{ {\int }_{{x}_{0} - \delta }^{{x}_{0} + \delta }{\left\lbrack f\left( x\right) \right\rbrack }^{n}\mathrm{\;d}x\right\} }^{\frac{1}{n}} \leq {I}_{n} \leq M{\left( b - a\right) }^{\frac{1}{n}}. $$

又因为 $\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\left( 2\delta \right) }^{\frac{1}{n}} = 1,\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\left( b - a\right) }^{\frac{1}{n}} = 1$ ,所以对上述的 $\varepsilon > 0$ ,存在 $N \in \mathbf{N}$ 使得

$$ {\left( 2\delta \right) }^{\frac{1}{n}}\left( {M - \frac{\varepsilon }{2}}\right) > M - \varepsilon ,\;M{\left( b - a\right) }^{\frac{1}{n}} < M + \varepsilon \;\left( {\forall n > N}\right) $$

$$ \Rightarrow M - \varepsilon < {I}_{n} < M + \varepsilon \;\left( {\forall n > N}\right) . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:设最大值M并取点x0
设 M = max_{x∈[a,b]} f(x) > 0,存在 x0 ∈ (a,b) 使得 f(x0)=M。
公式:M = \max_{x \in [a,b]} f(x), f(x_0)=M
提示:注意f非负连续,最大值存在。
步骤 2/4
目标:利用连续性构造邻域
对任意 ε ∈ (0,M),存在 δ>0,使得当 x ∈ (x0-δ, x0+δ) 时,有 M - ε/2 < f(x) ≤ M。
公式:M - \frac{\varepsilon}{2} < f(x) \leq M, \forall x \in (x_0-\delta, x_0+\delta)
提示:由连续函数保号性得到。
步骤 3/4
目标:定义In并给出上下界
令 I_n = (∫_a^b [f(x)]^n dx)^{1/n},则有 (2δ)^{1/n}(M-ε/2) ≤ (∫_{x0-δ}^{x0+δ} [f(x)]^n dx)^{1/n} ≤ I_n ≤ M(b-a)^{1/n}。
公式:(2\delta)^{1/n}(M-\varepsilon/2) \leq I_n \leq M(b-a)^{1/n}
提示:左边利用邻域内下界和区间长度,右边用最大值和区间长度。
步骤 4/4
目标:取极限并完成证明
由于 lim_{n→∞} (2δ)^{1/n}=1,lim_{n→∞} (b-a)^{1/n}=1,存在N使得当n>N时,(2δ)^{1/n}(M-ε/2) > M-ε 且 M(b-a)^{1/n} < M+ε,从而 M-ε < I_n < M+ε,即 lim I_n = M。
公式:\lim_{n\to\infty} (2\delta)^{1/n}=1, \lim_{n\to\infty} (b-a)^{1/n}=1
提示:利用夹逼定理。

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