方企勤 第二章 一元函数微分学 第9题

教材习题

📝 题目

例 9 设 $f\left( x\right)$ 在 $\mathbf{R}$ 上二次可微,且 $\forall x \in \mathbf{R}$ ,有

$$ \left| {f\left( x\right) }\right| \leq {M}_{0},\;\left| {{f}^{\prime \prime }\left( x\right) }\right| \leq {M}_{2}. $$

(1)写出 $f\left( {x + h}\right)$ , $f\left( {x - h}\right)$ 关于 $h$ 的带拉格朗日余项的泰勒公式;

(2)求证:对 $\forall h > 0$ ,有 $\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \leq \frac{{M}_{0}}{h} + \frac{h}{2}{M}_{2}$ ;

(3)求证: $\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \leq \sqrt{2{M}_{0}{M}_{2}}$ .

💡 答案解析

解(1)

$$ f\left( {x + h}\right) = f\left( x\right) + {f}^{\prime }\left( x\right) h + \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x + {\theta }_{1}h}\right) }{2}{h}^{2}\;\left( {0 < {\theta }_{1} < 1}\right) ; $$

$$ f\left( {x - h}\right) = f\left( x\right) - {f}^{\prime }\left( x\right) h + \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x - {\theta }_{2}h}\right) }{2}{h}^{2}\;\left( {0 < {\theta }_{2} < 1}\right) . $$

(2)将第(1)小题得到的两个泰勒公式相减,得

$$ 2{f}^{\prime }\left( x\right) h = f\left( {x + h}\right) - f\left( {x - h}\right) + \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x - {\theta }_{2}h}\right) }{2}{h}^{2} - \frac{{f}^{\prime \prime }\left( {x + {\theta }_{1}h}\right) }{2}{h}^{2}. $$

由此,利用条件 $\left| {f\left( x\right) }\right| \leq {M}_{0},\left| {{f}^{\prime \prime }\left( x\right) }\right| \leq {M}_{2}$ ,即得

$$ \left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \leq \frac{{M}_{0}}{h} + \frac{h}{2}{M}_{2}. \tag{5.7} $$

(3)设 $g\left( h\right) \frac{\text{ 定义 }}{}\frac{{M}_{0}}{h} + \frac{h}{2}{M}_{2}$ ,则有

$$ g\left( h\right) \geq 2\sqrt{\frac{{M}_{0}}{h} \cdot \frac{h}{2}{M}_{2}} = 2\sqrt{2{M}_{0}{M}_{2}}, $$

其中等号当 $\frac{{M}_{0}}{h} = \frac{h}{2}{M}_{2}$ 时,即当 $h = \sqrt{\frac{2{M}_{0}}{{M}_{2}}}$ 时成立. 将此 $h$ 值代入 (5.7)式,即得

$$ \left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \leq \sqrt{\frac{{M}_{0}{M}_{2}}{2}} + \sqrt{\frac{{M}_{0}{M}_{2}}{2}} = \sqrt{2{M}_{0}{M}_{2}}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:写出f(x+h)和f(x-h)的带拉格朗日余项的泰勒公式
根据泰勒定理,将f(x+h)在x处展开,余项为二阶导数形式;类似地写出f(x-h)的展开式。
公式:f(x+h)=f(x)+f'(x)h+\frac{f''(x+\theta_1 h)}{2}h^2, 0<\theta_1<1; f(x-h)=f(x)-f'(x)h+\frac{f''(x-\theta_2 h)}{2}h^2, 0<\theta_2<1
提示:注意拉格朗日余项中的中值点依赖于h,且介于x与x±h之间。
步骤 2/5
目标:推导|f'(x)|的上界估计
将两个泰勒公式相减,消去f(x)项,得到2f'(x)h的表达式,然后取绝对值并利用已知条件放缩。
公式:2f'(x)h = f(x+h)-f(x-h) + \frac{f''(x-\theta_2 h)}{2}h^2 - \frac{f''(x+\theta_1 h)}{2}h^2
提示:利用三角不等式和已知界:|f(x±h)|≤M0, |f''|≤M2。
步骤 3/5
目标:得到|f'(x)|≤M0/h + (h/2)M2
由步骤2的表达式,两边除以2h,并取绝对值,得到不等式。
公式:|f'(x)| ≤ \frac{M_0}{h} + \frac{h}{2}M_2
提示:此不等式对任意h>0成立。
步骤 4/5
目标:利用均值不等式求最佳上界
将右边视为h的函数g(h)=M0/h + (h/2)M2,利用均值不等式求其最小值。
公式:g(h) ≥ 2\sqrt{\frac{M_0}{h} \cdot \frac{h}{2}M_2} = \sqrt{2M_0M_2}
提示:等号成立当M0/h = (h/2)M2,即h=√(2M0/M2)。
步骤 5/5
目标:代入h值得到最终结果
将h=√(2M0/M2)代入步骤3的不等式,得到|f'(x)|≤√(2M0M2)。
公式:|f'(x)| ≤ \sqrt{2M_0M_2}
提示:注意计算:M0/h = M0/√(2M0/M2)=√(M0M2/2),(h/2)M2 = (1/2)√(2M0/M2)M2=√(M0M2/2),和为√(2M0M2)。

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