用户: Solution/ 习题: 楼分析/导数与微分
- 1导数与微分
- 导数的几何物理背景, 一元向量值函数的导数, 左导数, 右导数, 导数与单调性, 方向导数与偏导数, 全导数, 微分, 线性变换/线性算子, 微商, 梯度, 导数的四则运算
- 2反函数, 复合函数和隐函数的导数
- 一元实函数反函数的可导性及求导公式, 复合函数的导数, 链式法则, 一阶微分形式不变性, 隐函数求导, 基本初等函数的导数, 对数求导法
- 3高阶导数
- 高阶导数,Leibniz 公式, 微分算子 D, 函数类, 光滑函数,Hölder 条件,Lipschitz 条件, 多重指标, 多重零点
- 4复指数函数, 正弦函数和余弦函数
- 用级数定义复指数函数, 用微分方程定义正弦和余弦函数,Euler 公式
1导数与微分
导数的几何物理背景, 一元向量值函数的导数, 左导数, 右导数, 导数与单调性, 方向导数与偏导数, 全导数, 微分, 线性变换/线性算子, 微商, 梯度, 导数的四则运算
A 1.1. 设 在点 连续.
• | 证明: 在点 可导当且仅当 存在. 证明. 同理可证 |
• | 试讨论 在点 的可导性与极限 的存在性之间的关系. 若 在点 可导, 则其左右导数都存在且相等, 可以推出题设二次极限存在. 仿照上述过程, 在点 可导可以推出 存在, 反之不然. |
设 . 试讨论 与 之间的关系 (包括他们的存在性). 根据导数定义这样如果导数存在且连续, 则 与 存在且相等. 如果导数在 处不存在, 则二者可能不等, 如取 , 则前者为 1 而后者不存在. 设 为常向量, . 试计算 .
B 1.2. 试构造 上的实函数 使得它仅在点 连续, 且在点 的导数为 .
证明. 取 , 令 , 若能证得存在区间 , 则题设结论得证. 下面我们证明这个结论.
证明.
提示: 先证明对充分大的 , 的特征值互不相同.
证明. 先证当 充分大时, 有 个不同的特征值. 不妨记 , 由 Gerschgorin 圆盘第一定理, 可知 的特征值落在下列圆盘中:取 充分大, 使得 . 注意到 的值固定, 故 的圆心之间的距离大于半径 , 从而 互不相交, 各自构成了一个连通分支. 再由第二圆盘定理, 每个连通分支 中有且仅有一个特征值, 于是 有 个不同的特征值.
设 是 的特征多项式, 则其判别式 是关于 的多项式. 由前面的讨论可知, 当 充分大时, 无重根, 从而 , 即 是关于 的非零多项式.
• | 在 中也有不动点. |
• | 存在 的不动点 使得 . |
证明. (1) 设 , 则 . 由于 , 则有 使得 ; 同理由 , 有 使得 , 由连续函数的介值定理可知有 使得 , 即为 在 中的不动点.
2反函数, 复合函数和隐函数的导数
一元实函数反函数的可导性及求导公式, 复合函数的导数, 链式法则, 一阶微分形式不变性, 隐函数求导, 基本初等函数的导数, 对数求导法
A 2.1. 证明对任何实数 成立 以及 .
• | 证明对于 , 成立 . 进一步, 试求最小的 , 使得对于任何 成立 . |
• | 证明对于 , 成立 . 进一步, 试求最小的 , 使得对于任何 , 成立 . |
证明. (1) 记 , 则由于 , 而当 时 , 从而题设不等式成立. 进一步, 的最小值便是 , 否则 在 单调递减.
进一步, 试求最小的 , 使得对于任何 , 成立 .
解答. 对于 , 其导数 , 反函数记 , 即 , 解得 , 即 . 又有
对于 , 其导数 , 反函数记 , 即 , 解得 , 即 . 又有
对于 , 其导数 , 反函数即 , 同理可以得到 , 即 . 又有
B 2.2. 若 是 中的区域, 以及 可微, . 试计算 .
解答.
试仿照习题 第 2 题编写一些习题.
3高阶导数
高阶导数,Leibniz 公式, 微分算子 D, 函数类, 光滑函数,Hölder 条件,Lipschitz 条件, 多重指标, 多重零点
A 3.1. 计算以下函数在 处的各阶导数, 或给出递推公式:
; | ; | |
; | . | |
; | . | |
; | . |
解答. (1) 我们有 , 于是 .
(2) 此问使用 6.6 节相关内容解法十分容易, 因为有 , 所以然而, 我们也可以用 12 题的结论, 因为注意到于是
(3) 我们有 , 得 , 进一步有于是有 .
(4) 我们有因此 于是 .
(5)
(6)
(7)
解答. 结合 4.2 节 第 6 题, 我们得到解得
解答.
解答.
证明.
解答. 记 , 由于现在来做这样一件事: 令 得 , 但 , 从而 没有四重根; 令 得 , 在令 得 , 将这 与对应的 代入 , 得到 , 从而 没有三重根. 即若 有重根, 必为二重根.
易见 不是 的根. 设 , 则 的根即为 的解, 特别地, 当 等于 的极值时, 有重根, 重根即为 的极值点.
B 3.2. 设 均为非零多项式, 满足 , 其中 . 若 为 上的光滑函数, 满足 , 证明: 满足 .
解答. 记 , 则 , 并且代入微分方程得到结合 , 带入方程即得
4复指数函数, 正弦函数和余弦函数
用级数定义复指数函数, 用微分方程定义正弦和余弦函数,Euler 公式
A 4.1. 计算 在 等点的值.
解答.
证明.
证明.
证明.
B 4.2. 求 .
证明.