方企勤 第四章 级 数 第11题

教材习题

📝 题目

例 11 设

$$ g\left( x\right) = \left\{ \begin{matrix} {x}^{2}\sin \frac{1}{x}, & x \neq 0, \\ 0, & x = 0, \end{matrix}\right. $$

令 $f\left( x\right) = \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{{2}^{n}}g\left( {x - \frac{1}{n}}\right)$ . 求证:

(1) $f\left( x\right)$ 在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right) \left( {k = 2,3,\cdots }\right)$ 上可导,且导数只在 $1/k$ 处不连续;

(2) $f\left( x\right)$ 在(0,1)上可导,且导数只在 $x = 1/k\left( {k = 2,3,\cdots }\right)$ 处不连续.

💡 答案解析

证 (1) 因为 $g\left( {x - \frac{1}{n}}\right) \in C\left( {0,1}\right)$ ,且

$$ \left| \frac{g\left( {x - \frac{1}{n}}\right) }{{2}^{n}}\right| \leq \frac{1}{{2}^{n}} $$

所以由连续性定理知 $f\left( x\right) \in C\left( {0,1}\right)$ . 又当 $n \neq k$ 时,

$$ {g}^{\prime }\left( {x - \frac{1}{n}}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} 2\left( {x - \frac{1}{n}}\right) \sin \frac{1}{x - \frac{1}{n}} - \cos \frac{1}{x - \frac{1}{n}}, & x \neq \frac{1}{n}, \\ 0, & x = \frac{1}{n}, \end{array}\right. $$

因此 ${g}^{\prime }\left( {x - \frac{1}{n}}\right)$ 在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ 上连续,且 $\left| {{g}^{\prime }\left( {x - \frac{1}{n}}\right) }\right| \leq 3$ ,从而

$$ \mathop{\sum }\limits_{\substack{{n = 1} \\ {n \neq k} }}^{M}\frac{1}{{2}^{n}}{g}^{\prime }\left( {x - \frac{1}{n}}\right) $$

在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ 上一致收敛. 于是函数

$$ {f}_{k}\left( x\right) = \mathop{\sum }\limits_{\substack{{n = 1} \\ {n \neq k} }}^{\infty }\frac{1}{{2}^{n}}g\left( {x - \frac{1}{n}}\right) $$

在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ 上可导,且

$$ {f}_{k}^{\prime }\left( x\right) = \mathop{\sum }\limits_{\substack{{n = 1} \\ {n \neq k} }}^{\infty }\frac{1}{{2}^{n}}{g}^{\prime }\left( {x - \frac{1}{n}}\right) \in C\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right) . $$

又因为 $g\left( {x - \frac{1}{k}}\right)$ 在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ 上可导,导数在点 ${x}_{k} = \frac{1}{k}$ 处不连续,所以

$$ f\left( x\right) = \frac{1}{{2}^{k}}g\left( {x - \frac{1}{k}}\right) + {f}_{k}\left( x\right) $$

$$ = \frac{1}{{2}^{k}}g\left( {x - \frac{1}{k}}\right) + \mathop{\sum }\limits_{\substack{{n = 1} \\ {n \neq k} }}^{M}\frac{1}{{2}^{n}}g\left( {x - \frac{1}{n}}\right) $$

在 $\left( {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ 上可导,且导数只在点 ${x}_{k} = \frac{1}{k}$ 处不连续.

(2) 由 $\left( {0,1}\right) = \mathop{\bigcup }\limits_{{k = 2}}^{\infty }\left\lbrack {\frac{1}{k + 1},\frac{1}{k - 1}}\right)$ ,故由 (1) 知 $f\left( x\right)$ 在(0,1)上可导,且导数只在点 ${x}_{k} = \frac{1}{k}\left( {k = 2,3,\cdots }\right)$ 处不连续.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:证明f(x)在(0,1)上连续
由于|g(x-1/n)| ≤ (x-1/n)^2 ≤ 1,且|g(x-1/n)/2^n| ≤ 1/2^n,由Weierstrass判别法,级数一致收敛,且每项连续,故f(x)在(0,1)上连续。
公式:|g(x-1/n)/2^n| ≤ 1/2^n
提示:利用一致收敛性保持连续性。
步骤 2/4
目标:证明在区间(1/(k+1), 1/(k-1))上除去n=k的项后,级数可导且导数连续
对于n≠k,g'(x-1/n)在区间上连续且有界|g'|≤3,因此级数∑_{n≠k} (1/2^n) g'(x-1/n)一致收敛,从而f_k(x)可导且导数连续。
公式:|g'(x-1/n)| ≤ 3
提示:利用一致收敛的逐项求导定理。
步骤 3/4
目标:证明f(x)在区间上可导,且导数仅在x=1/k处不连续
f(x) = (1/2^k)g(x-1/k) + f_k(x)。g(x-1/k)在区间上可导,但导数在x=1/k处不连续,而f_k'(x)连续,故f'(x)在x=1/k处不连续。
公式:f(x) = (1/2^k)g(x-1/k) + f_k(x)
提示:注意g'(x-1/k)在x=1/k处不连续。
步骤 4/4
目标:证明f(x)在(0,1)上可导,且导数仅在x=1/k (k≥2)处不连续
由于(0,1) = ∪_{k=2}^∞ [1/(k+1), 1/(k-1)),每个区间上f可导且导数仅在1/k处不连续,故整体上f在(0,1)可导,且导数只在所有1/k处不连续。
提示:覆盖整个区间。

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