华中师范大学2012年数学分析考研试题参考解答

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一.

（1）证明：由${{x}_{1}}=\frac{1}{2},{{x}_{2}}=\frac{3}{8},{{x}_{3}}=\frac{55}{128},\cdots$，猜测$\{{{x}_{2n+1}}\}$单调递减，$\{{{x}_{2n}}\}$单调递增

下用数归法先证$\sqrt{2}-1\le {{x}_{2n+1}}\le \frac{1}{2},\frac{3}{8}\le {{x}_{2n+1}}\le \sqrt{2}-1$

（1）当$n=1$时，$\sqrt{2}-1{{x}_{1}}=\frac{1}{2}$恒成立

（2）设$n=2k-1$时，$\sqrt{2}-1\le {{x}_{2k-1}}\le \frac{1}{2}$，则

$${{x}_{2k+1}}=\frac{1}{2}(1-x_{2k}^{2})=\frac{1}{2}[1-\frac{1}{4}{{(1-x_{2k-1}^{2})}^{2}}]\in [\sqrt{2}-1,\frac{1}{2})$$

即当$n=2k+1$时也恒成立

由（1）（2）可知：$\sqrt{2}-1\le {{x}_{2n+1}}\le \frac{1}{2}$

同理可证$\frac{3}{8}\le {{x}_{2n+1}}\le \sqrt{2}-1$

再证$\{{{x}_{2n+1}}\}$单调递减，$\{{{x}_{2n}}\}$单调递增，同样采用数学归纳法

（1）当$n=1$时，${{x}_{1}}=\frac{1}{2}\frac{55}{128}={{x}_{3}}$恒成立

（2）设$n=2k-1$时，${{x}_{2k-1}}\ge {{x}_{2k+1}}$，则

${{x}_{2k+3}}-{{x}_{2k+1}}=\frac{1}{8}[{{(1-x_{2k-1}^{2})}^{2}}-{{(1-x_{2k+1}^{2})}^{2}}]=\frac{1}{8}(x_{2k+1}^{2}-x_{2k-1}^{2})(2-x_{2k+1}^{2}-x_{2k-1}^{2})\le 0$

即当$n=2k+1$时也恒成立

由（1）（2）可知：$\{{{x}_{2n+1}}\}$单调递减

同理可证：$\{{{x}_{2n}}\}$单调递增

于是$\{{{x}_{2n+1}}\}$单调递减，$\sqrt{2}-1\le {{x}_{2n+1}}\le \frac{1}{2}$，由单调有界原理可知：$\{{{x}_{2n+1}}\}$收敛

于是不妨设$\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{2n+1}}=l\in [\sqrt{2}-1,\frac{1}{2}]$，由${{x}_{2k+3}}=\frac{1}{2}[1-\frac{1}{4}{{(1-x_{2k+1}^{2})}^{2}}]$，两边对$n\to +\infty$

则$l=\frac{1}{2}[1-\frac{1}{4}{{(1-{{l}^{2}})}^{2}}]$，求得$l=\sqrt{2}-1$

即$\underset{x\to \infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{2n+1}}=\sqrt{2}-1=A$

同理可证$\underset{x\to \infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{2n}}=\sqrt{2}-1=A$

于是$\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{n}}=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{2n}}=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,{{x}_{2n+1}}=A$

（3）证明：不妨设${{a}_{n}}={{x}_{n}}-A={{x}_{n}}-(\sqrt{2}-1)$

于是

$\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\left| \frac{{{a}_{n+1}}}{{{a}_{n}}} \right|=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\left| \frac{{{x}_{n+1}}-A}{{{x}_{n}}-A} \right|=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\left| \frac{\frac{1}{2}(1-x_{n}^{2})-A}{{{x}_{n}}-A} \right|=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{1}{2}\left| \frac{1-x_{n}^{2}-(2\sqrt{2}-2)}{{{x}_{n}}-(\sqrt{2}-1)} \right|=\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{1}{2}\left| \frac{x_{n}^{2}-{{(\sqrt{2}-1)}^{2}}}{{{x}_{n}}-(\sqrt{2}-1)} \right|=A1$

于是$\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{({{x}_{n}}}-A)$绝对收敛

二、

（1）成立，理由如下：

要证明${{\sin }^{3}}\left| f(x) \right|$在$I$上一致连续，只需证明$\left| f(x) \right|$在$I$上一致连续即可

由于$f(x)$在$I$上一致连续，则对任意的$\varepsilon 0$，任意的${{x}_{1}},{{x}_{2}}\in I$，存在$\delta 0$，当

$\left| {{x}_{1}}-{{x}_{2}} \right|\delta$时，有$\left| f({{x}_{1}})-f({{x}_{2}}) \right|\varepsilon$

于是对任意的$\varepsilon 0$，任意的${{x}_{1}},{{x}_{2}}\in I$，存在$\delta 0$，当

$\left| {{x}_{1}}-{{x}_{2}} \right|\delta$时，有$\left| \left| f({{x}_{1}}) \right|-\left| f({{x}_{2}}) \right| \right|\le \left| f({{x}_{1}})-f({{x}_{2}}) \right|\varepsilon$

即$\left| f(x) \right|$在$I$上一致连续即可

对任意的$\varepsilon 0$，任意的${{x}_{1}},{{x}_{2}}\in I$，存在$\delta 0$，当

$\left| {{x}_{1}}-{{x}_{2}} \right|\delta$时，有

$\left| {{\sin }^{3}}\left| f({{x}_{1}}) \right|-{{\sin }^{3}}\left| f({{x}_{1}}) \right| \right|=\left| (\sin \left| f({{x}_{1}}) \right|-\sin \left| f({{x}_{1}}) \right|)({{\sin }^{2}}\left| f({{x}_{1}}) \right|+\sin \left| f({{x}_{1}}) \right|\sin \left| f({{x}_{2}}) \right|+{{\sin }^{2}}\left| f({{x}_{2}}) \right| \right|$$\le 3\left| \sin \left| f({{x}_{1}}) \right|-\sin \left| f({{x}_{1}}) \right| \right|\le 3\left| \sin f({{x}_{1}})-\sin f({{x}_{2}}) \right|\le 3\left| f({{x}_{1}})-f({{x}_{2}}) \right|$

于是由复合函数的一致收敛性可知：${{\sin }^{3}}\left| f(x) \right|$在$I$上一致连续

（4）成立，理由如下

要证明${{\sin }^{3}}f(x)$在$I$上一致连续，只需证明$f(x)$在$I$上一致连续即可

由于$\left| f(x) \right|$在$I$上一致连续，则对任意的$\varepsilon 0$，任意的${{x}_{1}},{{x}_{2}}\in I$，存在$\delta 0$，当

$\left| {{x}_{1}}-{{x}_{2}} \right|\delta$时，由$\left| \left| f({{x}_{1}}) \right|-\left| f({{x}_{2}}) \right| \right|\frac{\varepsilon }{2}$

1：若$f({{x}_{1}}),f({{x}_{2}})$同号，则有$\left| f({{x}_{1}})-f({{x}_{2}}) \right|\frac{\varepsilon }{2}\varepsilon$

2：若$f({{x}_{1}}),f({{x}_{2}})$同号，由$f(x)$连续，则存在$y$在${{x}_{1}},{{x}_{2}}$之间使得$f(y)=0$

于是$\left| f({{x}_{1}})-f({{x}_{2}}) \right|\le \left| f({{x}_{1}}) \right|+\left| f({{x}_{2}}) \right|=\left| \left| f({{x}_{1}}) \right|-\left| f(y) \right| \right|+\left| \left| f({{x}_{2}}) \right|-\left| f(y) \right| \right|\varepsilon$

由1，2可知，$f(x)$在$I$上一致连续

再利用复合函数的一致连续性可知，${{\sin }^{3}}f(x)$在$I$上一致连续

三、证明：

充分性：反证法：假设对任意的$x\in (a,b)$都有$f(x)\le \frac{f(b)-f(a)}{b-a}$

令$g(x)=f(x)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a)$

则当$x\in (a,b)$时有$g(x)=f(x)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}\le 0$

于是$g(x)$在$[a,b]$上单调递减

而$g(a)=g(b)=f(a)$

从而当$x\in [a,b]$时，$g(x)=f(a)$

于是$f(x)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a)+f(a)$矛盾

从而必存在$\xi \in (a,b)$，使得$f(\xi )\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$

必要性：

令$g(x)=f(x)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a)$

则$g(a)=g(b)=f(a)$

反证法：

1：若$f(x)$为常函数，则$g(x)=f(x)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=-\frac{f(b)-f(a)}{b-a},x\in [a,b]$

这与存在$\xi \in (a,b)$，使得$f(\xi )\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$矛盾

2：若$f(x)$为线性函数，可知$g(x)=f(x)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$为常数

又由于存在$\xi \in (a,b)$，使得$f(\xi )\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$可知，$g(x)0$

于是$g(x)$在$[a,b]$上严格单调递增

而$g(a)=g(b)=f(a)$矛盾

从而由1,2可知，$f(x)$不为常函数或线性函数

四、

（1）证明：设$F\left( x,y \right)={{x}^{2}}+y-\cos \left( xy \right)$，

显然，有$F\left( 0,1 \right)=0$，

${{F}_{y}}\left( x,y \right)=1+x\sin \left( xy \right)$，

${{F}_{y}}\left( 0,1 \right)=1\ne 0$，由隐函数存在定理，

存在$\delta 0$，存在$\left[ -\delta ,\delta \right]$上的连续可微的函数$y=y\left( x \right)$，$y\left( 0 \right)=1$，

满足$F\left( x,y\left( x \right) \right)\equiv 0$，$x\in U(0)$

（3）证明：由（1）可知：

${{F}_{x}}\left( x,y \right)=2x+y\sin \left( xy \right)$，

${y}\left( x \right)=-\frac{{{F}_{x}}\left( x,y \right)}{{{F}_{y}}\left( x,y \right)}=-\frac{2x+y\sin \left( xy \right)}{1+x\sin \left( xy \right)}$，

当$0x\delta$，（$\delta 0$充分小）时，有${y}\left( x \right)0$，$y\left( x \right)$在$\left[ 0,\delta \right]$上严格单调递减；

当$-\delta x0$时，有${y}\left( x \right)0$，$y\left( x \right)$在$\left[ -\delta ,0 \right]$上严格单调递增，

五、

（1）解：（1）由偏导数的定义：

${{f}_{x}}(0,0)=\underset{\Delta x\to 0}{\mathop{\lim }}\,\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x}=\underset{\Delta x\to 0}{\mathop{\lim }}\,\Delta x\cos \frac{1}{\left| \Delta x \right|}=0$

${{f}_{y}}(0,0)=\underset{\Delta y\to 0}{\mathop{\lim }}\,\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y}=\underset{\Delta y\to 0}{\mathop{\lim }}\,\Delta y\cos \frac{1}{\left| \Delta y \right|}=0\ $

（2）当$(x,y)\ne (0,0)$时，

${{f}_{x}}(x,y)=2x\cos \frac{1}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}+\frac{x}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}\sin \frac{1}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}$

${{f}_{y}}(x,y)=2y\cos \frac{1}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}+\frac{y}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}\sin \frac{1}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}$

于是${f_x}(x,y)=\left\{\begin{array}{ll}2x\cos \frac{1}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }} + \frac{x}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }}\sin \frac{1}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }}, \hbox{${x^2} + {y^2} \ne 0$} \\0, \hbox{${x^2} + {y^2} = 0$.}\end{array}\right.$
${f_y}(x,y)=\left\{\begin{array}{ll}2y\cos \frac{1}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }} + \frac{y}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }}\sin \frac{1}{{\sqrt {{x^2} + {y^2}} }},, \hbox{${x^2} + {y^2} \ne 0$} \\ 0, \hbox{${x^2} + {y^2} = 0$.}\end{array}\right.$

（2）设$y=kx$，于是$\underset{x\to 0}{\mathop{\lim }}\,\frac{x}{\sqrt{{{x}^{2}}+{{y}^{2}}}}=\frac{1}{\sqrt{1+{{k}^{2}}}}$与$k$有关

于是$\underset{x\to 0}{\mathop{\lim }}\,{{f}_{x}}(x,0)$不存在，故${{f}_{x}}(x,y)$在（0，0）不连续。

同理${{f}_{y}}(x,y)$ 在（0，0）也不连续。

（3）设$u=f(x,y)$，则在（0，0）点有

$\Delta u-du=[f(\Delta x,\Delta y)-f(0,0)]-[{{f}_{x}}(0,0)\Delta x+{{f}_{y}}(0,0)\Delta y]=(\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}})\cos \frac{1}{\sqrt{\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}}}}$

因$\underset{\Delta x\to 0,\Delta y\to 0}{\mathop{\lim }}\,\frac{\Delta u-du}{\sqrt{\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}}}}=\underset{\Delta x\to 0,\Delta y\to 0}{\mathop{\lim }}\,\sqrt{\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}}}\cos \frac{1}{\sqrt{\Delta {{x}^{2}}+\Delta {{y}^{2}}}}=0$

故$f(x,y)$在（0，0）可微。

六、解：由于$y=x+y,y(0)=1$

利用常数变易法求得$y=-1-x+2{{e}^{x}}$

记${{a}_{n}}=y(\frac{1}{n})-1-\frac{1}{n}=2({{e}^{\frac{1}{n}}}-1-\frac{1}{n})$

由$\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\sqrt[n]{{{a}_{n}}}={{e}^{\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln {{a}_{n}}}{n}}}={{e}^{\underset{n\to +\infty }{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln 2({{e}^{\frac{1}{n}}}-1-\frac{1}{n})}{n}}}\overset{n=\frac{1}{x}}{\mathop{=}}\,{{e}^{\underset{x\to +{{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\frac{\ln 2({{e}^{x}}-1-x)}{\frac{1}{x}}}}={{e}^{-\underset{x\to +{{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\frac{{{x}^{2}}({{e}^{x}}-1)}{{{e}^{x}}-1-x}}}={{e}^{-\underset{x\to +{{0}^{+}}}{\mathop{\lim }}\,\frac{{{x}^{2}}[x+o(x)]}{\frac{{{x}^{2}}}{2}+o({{x}^{2}})}}}=1$

于是幂级数的收敛半径$R=1$

又由于$x=1$时，$y(\frac{1}{n})-1-\frac{1}{n}=2({{e}^{\frac{1}{n}}}-1-\frac{1}{n})=\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{\frac{2}{{{n}^{2}}}+}\sum\limits_{n=1}^{+\infty }{o(\frac{2}{{{n}^{2}}}})$收敛

$x=-1$时，由莱布利兹判别法可知级数收敛

于是该幂级数的收敛域为$[-1,1]$

七、

（1）证明：令$u={{t}^{2}}\Rightarrow t=\sqrt{u},dt=\frac{1}{2\sqrt{u}}du$，于是$\int_{x}^{x+c}{\sin {{t}^{2}}}dt=\frac{1}{2}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{\sin u}{\sqrt{u}}}du$

而函数$\frac{1}{\sqrt{u}}$在$[{{x}^{2}},{{(x+c)}^{2}}]$上递减，且$\frac{1}{\sqrt{u}}\ge 0$，由积分第二中值定理可知：

存在$\xi \in [{{x}^{2}},{{(x+c)}^{2}}]$，使得

$\int_{x}^{x+c}{\sin {{t}^{2}}}dt=\frac{1}{2}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{\sin u}{\sqrt{u}}}du=\frac{1}{2x}\int_{{{x}^{2}}}^{\xi }{\sin udu=\frac{1}{2x}(\cos {{x}^{2}}-\cos \xi )}$

故$\left| \int_{x}^{x+c}{\sin {{t}^{2}}}dt \right|\le \frac{1}{x}$

（2）能，理由如下

证明：

令$f(x)=\int_{x}^{x+c}{\sin {{t}^{2}}}dt=\frac{1}{2}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{\sin u}{\sqrt{u}}}du=-\frac{1}{2}\frac{\cos u}{\sqrt{u}}|_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}-\frac{1}{4}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{\sin u}{{{u}^{\frac{3}{2}}}}}du$

$=\frac{\cos {{x}^{2}}}{2x}-\frac{\cos {{(x+c)}^{2}}}{2(x+c)}-\frac{1}{4}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{\sin u}{{{u}^{\frac{3}{2}}}}}du$

存在${{u}_{0}}\in [{{x}^{2}},{{(x+c)}^{2}}]$，使得$\left| \frac{\cos {{u}_{0}}}{u_{0}^{\frac{3}{2}}} \right|\frac{1}{{{u}^{\frac{3}{2}}}}$，因此当$x0$时，有

$\left| f(x) \right|\le \left| \frac{\cos {{x}^{2}}}{2x} \right|+\left| \frac{\cos {{(x+c)}^{2}}}{2(x+c)} \right|+\frac{1}{4}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\left| \frac{\cos u}{{{u}^{\frac{3}{2}}}} \right|}du\frac{1}{2x}+\frac{1}{2(x+c)}+\frac{1}{4}\int_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}{\frac{1}{{{u}^{\frac{3}{2}}}}}du$

$=\frac{1}{2x}+\frac{1}{2(x+c)}+\frac{1}{4}(-2{{u}^{-\frac{1}{2}}})|_{{{x}^{2}}}^{{{(x+c)}^{2}}}=\frac{1}{x}$

八、证明：对${{R}^{2}}$上任意一点$({{x}_{0}},{{y}_{0}})$，令${{L}_{1}}=\{x|{{(x-{{x}_{0}})}^{2}}={{r}^{2}}\}$，方向取逆时针

由格林公式可知：

$\int_{L}{Pdx+Qdy=}\int_{L+{{L}_{1}}}{Pdx+Qdy=\iint_{D}{[\frac{\partial Q}{\partial x}}}-\frac{\partial P}{\partial y}]dxdy=[\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}]{{|}_{M}}\pi {{r}^{2}}=0$

其中$D$是由$L+{{L}_{1}}$包围的图形，$M\in D$

另一方面由积分中值定理可知：

$\int_{L}{Pdx+Qdy=}-\int_{{{L}_{1}}}{P(x,{{y}_{0}}})dx=-P({{x}_{1}},{{y}_{0}})\cdot 2r$

其中$({{x}_{1}},{{y}_{0}})\in {{L}_{1}}$

比较这两个式子知：

$[\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}]{{|}_{M}}\pi {{r}^{2}}=-P({{x}_{1}},{{y}_{0}})\cdot 2r\Rightarrow [\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}]{{|}_{M}}\frac{\pi r}{2}=-P({{x}_{1}},{{y}_{0}})$

令$r\to 0$可知：$P({{x}_{0}},{{y}_{0}})=0$，由$({{x}_{0}},{{y}_{0}})$的任意性可知，$P(x,y)=0$

从而有 $[\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}]{{|}_{M}}$，令$r\to 0$可知$[\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}]{{|}_{({{x}_{0}},{{y}_{0}})}}=0$，由$({{x}_{0}},{{y}_{0}})$的任意性可知，$\frac{\partial Q}{\partial x}=0$