方企勤 第一章 分析基础 第13题

教材习题

📝 题目

例 13 设 $f\left( x\right)$ 是在 $\lbrack 0, + \infty )$ 上的非负连续函数,且满足对 $\forall {x}_{1},{x}_{2} \geq 0$ 有 $f\left( {{x}_{1} + {x}_{2}}\right) \leq f\left( {x}_{1}\right) + f\left( {x}_{2}\right)$ . 求证:

$$ \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow + \infty }}\frac{f\left( x\right) }{x} = \mathop{\inf }\limits_{{x > 0}}\frac{f\left( x\right) }{x}. $$

💡 答案解析

证 记 $m = \mathop{\inf }\limits_{{x > 0}}\frac{f\left( x\right) }{x}$ ,则 $\displaystyle{0 \leq m < + \infty}$ . 根据下确界定义,对 $\forall \varepsilon$ $> 0$ ,存在 ${x}_{0} > 0$ ,使得 $m \leq \frac{f\left( {x}_{0}\right) }{{x}_{0}} < m + \frac{\varepsilon }{2}$ . 对 $\forall x > 0$ ,将 $\frac{x}{{x}_{0}}$ 进行整数部分和小数部分的分解:

$$ \frac{x}{{x}_{0}} = \left\lbrack \frac{x}{{x}_{0}}\right\rbrack + \left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} \Rightarrow x = \left\lbrack \frac{x}{{x}_{0}}\right\rbrack {x}_{0} + \left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0} $$

$$ \Rightarrow f\left( x\right) \leq \left\lbrack \frac{x}{{x}_{0}}\right\rbrack f\left( {x}_{0}\right) + f\left( {\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0}}\right) . $$

故有

$$ \frac{f\left( x\right) }{x} \leq \frac{\left\lbrack \frac{x}{{x}_{0}}\right\rbrack }{\frac{x}{{x}_{0}}}\frac{f\left( {x}_{0}\right) }{{x}_{0}} + \frac{f\left( {\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0}}\right) }{x} $$

$$ \leq \frac{f\left( {x}_{0}\right) }{{x}_{0}} + \frac{1}{x} \cdot f\left( {\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0}}\right) , \tag{5.10} $$

其中 $\left\lbrack *\right\rbrack ,\left( *\right)$ 分别表示 $*$ 的整数部分和分数部分,注意到 $0 \leq$ $\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0} \leq {x}_{0}$ ,便知 $f\left( {\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0}}\right)$ 有界,所以对上述的 $\varepsilon > 0$ , $\exists X > 0$ ,使得对 $\forall x > X$ ,有

$$ 0 \leq \frac{1}{x} \cdot f\left( {\left\{ \frac{x}{{x}_{0}}\right\} {x}_{0}}\right) < \frac{\varepsilon }{2}. $$

于是由 (5.10) 式有

$$ m \leq \frac{f\left( x\right) }{x} \leq m + \varepsilon ,\;\forall x > X. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/7
目标:定义下确界并利用其性质
记 m = inf_{x>0} f(x)/x,由非负性知 0 ≤ m < +∞。对任意 ε>0,存在 x0>0 使得 m ≤ f(x0)/x0 < m+ε/2。
公式:m = \inf_{x>0} \frac{f(x)}{x}
提示:下确界定义:对任意 ε>0,存在 x0 使得 f(x0)/x0 在 m 与 m+ε/2 之间。
步骤 2/7
目标:对任意 x 进行分解
将 x/x0 分解为整数部分和小数部分:x/x0 = [x/x0] + {x/x0},则 x = [x/x0] x0 + {x/x0} x0。
公式:x = \left[ \frac{x}{x_0} \right] x_0 + \left\{ \frac{x}{x_0} \right\} x_0
提示:整数部分 [·] 和小数部分 {·},注意 0 ≤ {x/x0} < 1。
步骤 3/7
目标:利用次可加性放缩 f(x)
由 f(x1+x2) ≤ f(x1)+f(x2) 反复应用得 f(x) ≤ [x/x0] f(x0) + f({x/x0} x0)。
公式:f(x) \leq \left[ \frac{x}{x_0} \right] f(x_0) + f\left( \left\{ \frac{x}{x_0} \right\} x_0 \right)
提示:次可加性:f(x1+x2) ≤ f(x1)+f(x2)。
步骤 4/7
目标:推导 f(x)/x 的上界
两边除以 x 得 f(x)/x ≤ ([x/x0]/(x/x0)) * (f(x0)/x0) + f({x/x0}x0)/x ≤ f(x0)/x0 + (1/x) f({x/x0}x0)。
公式:\frac{f(x)}{x} \leq \frac{f(x_0)}{x_0} + \frac{1}{x} f\left( \left\{ \frac{x}{x_0} \right\} x_0 \right)
提示:注意 [x/x0]/(x/x0) ≤ 1。
步骤 5/7
目标:处理小数部分的有界性
由于 0 ≤ {x/x0}x0 ≤ x0,且 f 在 [0,x0] 上连续,故 f({x/x0}x0) 有界。存在 M>0 使得 f({x/x0}x0) ≤ M。
公式:0 \leq f\left( \left\{ \frac{x}{x_0} \right\} x_0 \right) \leq M
提示:连续函数在闭区间上有界。
步骤 6/7
目标:选取 X 使得余项小于 ε/2
对上述 ε>0,取 X = 2M/ε,则当 x>X 时,有 (1/x) f({x/x0}x0) ≤ M/x < ε/2。
公式:\frac{1}{x} f\left( \left\{ \frac{x}{x_0} \right\} x_0 \right) < \frac{\varepsilon}{2}
提示:由 M/x < ε/2 得 x > 2M/ε。
步骤 7/7
目标:综合得到极限等式
于是当 x>X 时,有 m ≤ f(x)/x ≤ f(x0)/x0 + ε/2 < m+ε,即 |f(x)/x - m| < ε,故极限存在且等于 m。
公式:\lim_{x \to +\infty} \frac{f(x)}{x} = \inf_{x>0} \frac{f(x)}{x}
提示:由夹逼准则得极限为下确界。

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