自本文起,我们将开始编写 于品数学分析讲义 第二部分的解答。这个系列仍然注重于“全收集”,即尽量每道题都要写题解。
这里的解答并不是标准的书面解答,对于一些题目我们会相较书面解答加上一些自己的思考。为了尽量让过程完整不跳步且易懂,这些题目的解答可能会写得略长。
若有笔误请留言或私信。
基本习题
热身:多元函数的连续性
试判断下列极限是否存在;如果存在,计算之。
当 时,我们有 。从而由 ,我们有:
故极限存在且为 。
我们证明该极限不存在。
考虑沿 (其中 )的方向趋近 ,此时 。
再考虑沿 (其中 )的方向趋近,此时 。
沿这两条路径所得极限不相同,故极限不存在。
我们证明该极限不存在。
考虑沿 (其中 )的方向趋近 ,此时由于 而集合的要求至少是 , 总成立,故此路径所得极限为 。
再考虑沿 (其中 )的方向趋近 ,此时由定义 总成立,故此路径所得极限为 。
沿这两条路径所得极限不相同,故极限不存在。
对 ,我们有:
由于 在 上连续,我们有 。
从而由两边夹定理,我们有原极限存在且值为 。
我们证明该极限不存在。
考虑沿 (其中 )的方向趋近 ,此时 。
再考虑沿 (其中 )的方向趋近 ,此时 。
沿这两条路径所得极限不相同,故极限不存在。
当 时,我们有 。从而由 ,我们有:
考虑运用不等式 :
由于 在 上连续,我们有 。
从而由两边夹定理,我们有原极限存在且值为 。
考虑运用不等式 :
由于 在 上连续,我们有 。
从而由两边夹定理,我们有原极限存在且值为 。
本小问最简洁的解决方法是使用极坐标换元。设 ,其中 ,,。取极限 等价于让 。
从而,。
分类讨论:
由 及 有界,我们有原极限的值为 。
由 沿不同方向的极限不同(例如 时该根式的值为 , 时该根式的值为 ),我们有此时原极限不存在。
考虑沿 的方向趋近 。此时我们有 及 ,故此时原极限不存在。
综上,当 时原极限存在且值为 ;当 时原极限不存在。
微分的定义与计算
习题 A
我们总假设 是开集, 是一个给定的点。如果不另加说明 将代表一个函数。
(微分的唯一性)考虑映射 。
假设存在两个线性映射 (),使得对 和 时,都有 。
证明,。
和 相减得 。
记 是线性映射,满足 。这也即 。
固定一个 。由上述极限存在,我们有:
从而 对任意 都成立。显然这对 也成立。这也就意味着 对任意 成立,从而 ,即 。得证。
假设 在 处可微, 是 个坐标函数。
证明,。
我们通常将这个式子记作 。
由定义, 是满足 的线性映射。
记 为 的标准基。
对 ,,代入 的定义,我们有 ,从而 。
由偏导数的定义,我们有 。
从而由线性性,对任意的 ,由 的线性性及 ,我们有:
得证。
沿用上一问题的符号。证明, 给出了 (这是 的对偶空间,即它上面的线性函数所构成的线性空间)的一组基,其中 。
我们证明两件事: 线性无关; 可线性表出 的任一元素。
先证明 线性无关。若 使得 ,则取等号左的算子在每个 处的取值,由 ,我们有 ,从而得证。
再证明 可线性表出 的任一元素。对任意 ,记 ,则对任意 ,由 的线性性,我们有:
这也即 。故 可线性表出 的任一元素。
综上得证!
假设 是凸集, 是 上的可微函数。如果对任意的 ,都有 。证明, 是常值函数。
对任意 ,我们想证明 。
由 的凸性,对任意 ,都有 。对 ,取 。
那么,由 及链式法则,我们有 对任意 成立,从而 为常数,这也即 。
故 常值,得证!
我是培淇,我们下期再见!