本文最后更新于:2023年10月27日 下午
AM 高等数学 证明集
AM1 函数与极限
收敛数列
收敛数列的极限是唯一的
设收敛数列 {xn} 存在极限 a,b 且 a=b
则对于 a,b 分别存在 N 使 ∀ϵ>0,∀n>N,有 ∣xn−a∣<ϵ 和 xn−b<ϵ
取 ϵ=2b−a
带入 xn−a<ϵ 有:−23a−b<xn<2b+a
同理带入 xn−b<ϵ 有:2b+a<xn<23b−a
则 2b+a<xn<2b+a,矛盾
由此可知,收敛数列 {xn} 的极限唯一
收敛数列必定有界
若收敛数列 {xn} 的极限为 limn→∞xn=a,则存在 N 使得 ∀ϵ>0,∀n>N,xn−a<ϵ。
取 ϵ=1,则 ∀n>N 有 xn−a<1
可见 xn=xn−a+a≤xn−a+a≤1+a
取 M=max(x1,x2,…,xn−1,1+a),则 ∀x∈{xn} 都有 x≤M
收敛数列具有保号性
若收敛数列 {xn} 的极限为 limn→∞xn=a,则存在 N 使得 ∀ϵ>0,∀n>N,xn−a<ϵ。
a>0 时,取 ϵ=2a,则 ∀n>N 有 xn−a<2a
可见此时 0<2a<xn<23a
若 a<0 时,同理可证 23a<xn<2a<0
收敛数列的任一子数列都收敛于同一极限
若收敛数列 {xn} 的极限为 limn→∞xn=a,则存在 N 使得 ∀ϵ>0,∀n>N,xn−a<ϵ。
记其子数列为 {ak},对应关系为 ak=xnk。
取 K=N,则对于 ∀k>K,有 k>K=N,以及 ak=xnk
显然 nk>nK=nN≥N
故 ak−a=xnk−a<ϵ
即,存在 K 使得 ∀ϵ>0,∀k>K,ak−a<ϵ。
由此可知,子数列 {ak} 与数列 {xn} 都收敛于 a
函数的极限
一些重要极限(#1)
对于 0<x<2π 时,必有 sinx<x<tanx,即 1<sinxx<cosx1
当 x→0 时,有 limx→0cosx1=1。显然也有 limx→01=1
故有 limx→0sinxx=1
则 limx→0xsinx=limx→0xsinx1=limsinxx1=11=1
一些重要极限(#2)
人们将 limx→∞(1+x1)x 的值定义为 e
下面是证明 limx→∞(1+x1)x 存在且为常数。现给出两种证明方法
方法一:利用几何平均数和算数平均数
平均数关系图_AMZ_1.2.2
几何平均数小于等于算术平均数:na1a2…an≤na1+a2+…+an
下证 (1+x1)x 单调
对于数列 ax=(1+x1)x,构建以下不等式:
x+11×(1+x1)x≤x+11+x(1+x1)=x+1x+2=1+x+11
就有 1×(1+x1)x≤(1+x+11)x+1
即 ax<ax+1,则数列 {ax} 单调递增
下证 (1+x1)x 有界
构建数列 bx=(1+x1)x+1,可见 {bx}>{ax}。可以构建以下不等式:
x(1+x1)2(1+x1)x−1≤x(1+x1)2+(x−1)(1+x1)=1+x3x2+x+1=1+x3(x−1)x3−1<1+x−11
就有 (1+x1)2(1+x1)x−1<(1+x−11)x
即 bx<bx−1,则数列 {bx} 单调递减
由于 b1=4,可见 ax<bx≤4
故 {ax} 上界存在。而显然 ax>0,其下界存在。故 {ax} 有界
{ax} 单调递增,且有界,故 {ax} 的极限存在。人为定义 limx→∞(1+x1)x=e
方法二:利用二项式展开
二项式展开公式:(a+b)n=Cn0anb0+Cn1an−1b1+…+Cnran−rbr+…+Cnna0bn
下证 (1+x1)x 单调
对于数列 ax=(1+x1)x 进行二项式展开,可得
ax=(1+x1)x=Cx0+Cx1x1+…+Cxrxr1+…+Cxxxx1
而 ax+1=(1+x+11)x+1=Cx+10+Cx+11x+11+…+Cx+1r(x+1)r1+…+Cx+1x+1(x+1)x+11
对于 ∀r∈Z≤x,有
Cxrxr1=r!xrx(x−1)…(x−r+1)=r!1xxxx−1…xx−r+1=r!1(1−x1)(1−x2)…(1−xr−1)
和 Cx+1r(x+1)r1=r!(x+1)r(x+1)x(x−1)…(x−r+2)=r!1(1−x+11)(1−x+12)…(1−x+1r−1)
可见,Cx+1r(x+1)r1>Cxrxr1,于是数列 {ax} 单调递增。
下证 (1+x1)x 有界
又有 Cxrxr1=r!xrx(x−1)…(x−r+1)<r!xrxr=r!1=1×2×…×r1<2r−11
则 ax=Cx0+Cx1x1+…+Cxrxr1+…+Cxxxx1<1+201+211+…+2x−11<3
可见,数列 {ax} 上界存在。而显然 ax>0,其下界存在。故 {ax} 有界
{ax} 单调递增,且有界,故 {ax} 的极限存在。人为定义 limx→∞(1+x1)x=e
函数的连续性
闭区间连续函数的零点定理
f(x) 在闭区间 [a,b] 上连续,不妨设 f(a)<0,f(b)>0
令 E={xf(x)≤0,x∈[a,b]}
由于 f(a)<0 可知 E=∅。由 f(b)>0 可知 b 是 E 的上界。
根据确界存在原理,可知 E 的上确界 ξ=supE∈[a,b] 存在
若 f(ξ)<0,则 f(ξ)∈[a,b)。
由连续函数的局部保号性知,∃δ>0,使 ∀x∈(ξ−δ,ξ+δ) 时,都有 f(x)<0
此时有 x1∈(ξ,ξ+δ) 使 x1∈E 且 x1>ξ,这与 ξ 是 E 的上确界矛盾
若 f(ξ)>0,则 f(ξ)∈(a,b]
由连续函数的局部保号性知,∃δ>0,使 ∀x∈(ξ−δ,ξ+δ) 时,都有 f(x)>0
此时有 x2∈(ξ−δ,ξ) 使 x2 是 E 的上界,这与 ξ 是 E 的上确界矛盾
由此可知,f(ξ)=0
闭区间连续函数的介值定理
f(x) 在闭区间 [a,b] 上连续,设 f(a)=A,f(b)=B,任取 min(A,B)<C<max(A,B)
构造函数 ϕ(x)=f(x)−C,则 ϕ(a)=A−C,ϕ(b)=B−C
可见有 ϕ(a) 与 ϕ(b) 异号。
根据闭区间连续函数的零点定理,必有 x0∈(a,b) 使得 ϕ(x0)=0
此时 f(x0)−C=0,f(x0)=C
AM2 函数与极限
微分
费马引理
∀x∈u(x0) 都有 f(x)≤f(x0)
可见取 x0+Δx∈u(x0) 都有 f(x0+Δx)≤f(x0)
则有 f−′(x0)=limΔx→0−Δxf(x0+Δx)−f(x0)≥0
以及 f+′(x0)=limΔx→0+Δxf(x0+Δx)−f(x0)≤0
由于 f(x) 在 x0 处导数存在,则其左右导数相等。
故 0≤f−′(x0)=f′(x0)=f+′(x0)≤0
有 f′(x0)=0
洛必达法则
极限值与 f(x) 和 F(x) 在 a 处的连续性无关。
为求解极限值,不妨假设其连续,即取 f(a)=0 与 F(a)=0
此时根据柯西不等式任取 x=a 有 F′(x)f′(x)=F(x)−F(a)f(x)−f(a)=F(ξ)f(ξ),其中 ξ∈(a,x)(或 ξ∈(x,a))
令 x→a,此时 ξ→x,则有 limx→aF′(x)f′(x)=limx→aF(ξ)f(ξ)=limx→aF(x)f(x)
函数的单调性
曲率公式1
曲率 k=ΔsΔα
对于曲线 y=f(x),有 y′=tanα
两侧对 x 求导有 y′′=cos2α1ΔxΔα=(1+tan2α)ΔxΔα=[1+(y′)2]ΔxΔα
则 Δα=1+(y′)2y′′Δx
由勾股定理,弧长 Δs2=Δx2+Δy2=Δx2+(y′Δx)2=[1+(y′)2]Δx2
故 Δs=[1+(y′)2]21Δx
曲率 k=ΔsΔα=[1+(y′)2]21Δx1+(y′)2y′′Δx=[1+(y′)2]23y′′
曲率公式2
曲率 k=ΔsΔα
对于曲线 {y=y(t)x=x(t),有 tanα(t)=x′y′。这里(下同)的 x′ 和 y′ 是 x′(t) 和 y′(t)
则 α(t)=arctanx′y′
则 α′(t)=1+(x′y′)21×(x′)2y′′x′−y′x′′
另外 s′(t)=[(x′)2+(y′)2]21
则 k=ΔsΔα=s′(t)α′(t)=[(x′)2+(y′)2]211+(x′y′)21×(x′)2y′′x′−y′x′′=[(x′)2+(y′)2]21y′′x′−y′x′′
AM3 积分
AM3.1 不定积分
第一类换元积分法 结论1
∫cscxdx=∫sinx1dx=∫2sin2xcos2x1dx=∫2tanxxsec22xdx=∫tan2xdtan2x=lntan2x
AM 3.3 反常积分
一阶线性微分方程的解
一阶线性微分方程为 dxdy+P(x)y=Q(x)
设 y=ue−∫P(x)dx,其中 u 是关于 x 的函数。
代入原式,得到 u′e−∫P(x)dx−ue−∫P(x)dxP(x)+P(x)ue−∫P(x)dx=Q(x)
即 u′e−∫P(x)dx=Q(x)
则 u′=Q(x)e∫P(x)dx
得到 u=∫Q(x)e∫P(x)dxdx+c
从而,y=ue−∫P(x)dx=e−∫P(x)dx(∫Q(x)e∫P(x)dxdx+c)
AM4 向量代数与空间解析几何
AM4.1 平面
点到平面的距离公式
若平面的一般方程为 Ax+By+Cz+D=0,则其法线向量 n=(A,B,C)
对于任意一点 P0=(x0,y0,z0),记其与平面的距离为 d
从平面上任取一点 P=(x,y,z),可见 P 满足 Ax+By+Cz+D=0
做向量 PP0=(x0−x.y0−y,z0−z)
向量 PP0 与 n 的夹角 θ 有 cosθ=PP0d
则 d=PP0cosθ=PP0PP0nPP0∙n=nPP0∙n=A2+B2+C2A(x0−x)+B(y0−y)+C(z0−z)
由于 D=−Ax−By−Cz,带入上式可得
d=A2+B2+C2Ax0+By0+Cz0+D
旋转曲面方程
假设母线为 Γ:{F1(x,y,z)=0F2(x,y,z)=0,旋转轴为直线 l:⎩⎨⎧x=x0+mty=y0+ntz=z0+pt
记旋转轴的方向向量为 n=(m,n,p)
从 Γ 上任取一点 K=(xk,yk,zk),从 l 上任取一点 M=(x0,y0,z0)
则 K 点所在纬圆上任意一点 P=(x,y,z) 满足:
- PK⊥n
- PM=KM
即 {m(x−xk)+n(y−yk)+p(z−zk)=0(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2=(xk−x0)2+(yk−y0)2+(zk−z0)2
K 是 Γ 上一点,联立四式 ⎩⎨⎧m(x−xk)+n(y−yk)+p(z−zk)=0(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2=(xk−x0)2+(yk−y0)2+(zk−z0)2F1(xk,yk,zk)=0F2(xk,yk,zk)=0
即可消去 xk,yk,zk 从而得到旋转曲面方程 f(x,y,z)=0
特殊情况的公式
当母线 Γ 为 yoz 平面上曲线,旋转轴为 z 轴,此时有:
Γ:{x=0F(x,y,z)=0 以及 l:⎩⎨⎧x=0+0ty=0+0tz=z0+pt,其中 p=0
带入先前结论,有 ⎩⎨⎧p(z−zk)=0x2+y2+(z−z0)2=yk2+(zk−z0)2xk=0F(xk,yk,zk)=0
前三个方程解得 ⎩⎨⎧zk=zyk=±x2+y2xk=0
带入第四个方程 F(xk,yk,zk)=0
即有 F(±x2+y2,z)=0
其余情况同理可证
AM5 多元函数
AM5.3 全微分
# 可微的必要条件
若 z=f(x, y) 在点 (x, y) 处可微
则 Δz=f(x0+Δx, y0+Δy)−f(x0, y0)=Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)
令 Δy=0,则 Δxz=AΔx+o(ρ)
有 fx′(x,y)=limx→0ΔxΔxz=limx→0ΔxAΔx+o(ρ)=A
同理可得 fy′(x, y)=B
故 dz=AΔx+BΔy=fx′(x, y)Δx+fy′(x, y)Δy
AM6 重积分
AM6.2 三重积分
# 三维空间曲面面积
对于三维空间曲面 z=f(x, y),在曲面上任取一小面 dA,则其在 xoy 平面上的投影为 dσ。
记 dA 与 dσ 的夹角为 θ,可见 dA=cosθdσ
做 dA 的法向量 a 与 dσ 的法向量 n,可见 a=(fx′, fy′, −1),n=(0, 0, 1)
有 cosθ=ana∙n=1+(fx′)2+(fy′)21
则曲面面积为 D∬cosθdσ=D∬1+(fx′)2+(fy′)2 dσ
AM7 无穷级数
AM7.2 交错级数
# 莱布尼茨定理
若交错级数 n=1∑∞(−1)n−1un 满足 un≥un+1 且 n→∞limun=0
则 S2n=u1−u2+u3−u4+…+un−1−un
由于 un≥un+1,可见 S2(n+1)−S2n=u2n+1−u2n+2≥0,即 {S2n} 非递减
又 S2n=u1−(u2−u3)−(u4−u5)−…−(un−2−un−1)−un
可见 S2n≤u1,即 {S2n} 有界。记 n→∞limS2n=S
又因 n→∞limS2n+1=n→∞limS2n+u2n+1=S
则 n→∞limSn=S,即交错级数 n=1∑∞(−1)n−1un 收敛
AM7.3 任意项级数
# 任意项级数定理
若绝对值级数 n=1∑∞∣un∣ 收敛
记 vn=21(un+∣un∣),有 0≤vn≤un
此时 n=1∑∞vn 收敛。由于 n=1∑∞un=n=1∑∞2vn−∣un∣,故而任意项级数 n=1∑∞un 收敛