方企勤 第二章 一元函数微分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 设 $f\left( x\right)$ 在(a, b)内可导,对 $\forall {x}_{0} \in \left( {a,b}\right)$ ,求证:

$$ \exists {x}_{n} \in \left( {a,b}\right) \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) , $$

使得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n} = {x}_{0}}$ ,且 $\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{f}^{\prime }\left( {x}_{n}\right) = {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right)$ .

💡 答案解析

证 取 $y > 0$ 足够大,使得

$$ {y}_{n}\overset{\text{ 定义 }}{ = }{x}_{0} + \frac{1}{n + y} \in \left( {a,b}\right) \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) . $$

则有

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{y}_{n} = {x}_{0} \Rightarrow \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\frac{f\left( {y}_{n}\right) - f\left( {x}_{0}\right) }{{y}_{n} - {x}_{0}} = {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) . \tag{2.4} $$

再由拉格朗日定理,对 $\forall n \in N,\exists {x}_{n} \in \left( {{x}_{0},{y}_{n}}\right)$ ,使得

$$ \frac{f\left( {y}_{n}\right) - f\left( {x}_{0}\right) }{{y}_{n} - {x}_{0}} = {f}^{\prime }\left( {x}_{n}\right) \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) . \tag{2.5} $$

联合 (2.4) 与 (2.5) 式,即得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{x}_{n}\overset{\text{ 由夹挤准则 }}{ = }{x}_{0}}$ ,且

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{f}^{\prime }\left( {x}_{n}\right) = {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:构造收敛到x0的序列yn
取y>0足够大,使得yn = x0 + 1/(n+y) ∈ (a,b)对所有n成立。则lim yn = x0。
公式:y_n = x_0 + \frac{1}{n+y}
提示:确保yn在区间内,y需足够大使得1/(1+y) < min(b-x0, x0-a)。
步骤 2/4
目标:利用导数定义得到差商极限
由于f在x0可导,且yn→x0,由导数定义有lim [f(yn)-f(x0)]/(yn-x0) = f'(x0)。
公式:\lim_{n\to\infty}\frac{f(y_n)-f(x_0)}{y_n-x_0}=f'(x_0)
提示:注意yn-x0 = 1/(n+y) > 0。
步骤 3/4
目标:应用拉格朗日中值定理
对每个n,f在[x0, yn]上满足拉格朗日定理条件,存在xn∈(x0, yn)使得差商等于f'(xn)。
公式:\frac{f(y_n)-f(x_0)}{y_n-x_0}=f'(x_n)
提示:xn介于x0和yn之间,因此xn→x0。
步骤 4/4
目标:结合极限得到结论
由前两步,lim f'(xn) = lim [f(yn)-f(x0)]/(yn-x0) = f'(x0),且由夹挤准则知xn→x0。
公式:\lim_{n\to\infty}x_n=x_0,\quad \lim_{n\to\infty}f'(x_n)=f'(x_0)
提示:夹挤准则:x0 < xn < yn,两边极限均为x0。

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