diff --git a/src/第10章 函数的微分.md b/src/第10章 函数的微分.md index 0bf806a..2316a05 100644 --- a/src/第10章 函数的微分.md +++ b/src/第10章 函数的微分.md @@ -1,3 +1,5 @@ +$\newcommand{\overgroup}[1]{\overparen{#1}}$ + ## 10.1 基本定义 - **定义 10.1.1(在一点处的可微性)**:设 $X\subseteq \mathbb R$,$x_0\in X$ 且是 $X$ 的聚点(非孤立点),$f:X\to\mathbb R$ 是函数。 @@ -116,13 +118,13 @@ 拉格朗日中值定理有很明显的几何解释。 -- **命题 10.2.5**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是实区间 $I$ 上的连续函数,$\overparen I=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,满足 $f$ 在任意 $x\in \overparen I$ 处可微且 $|f'(x)|\leq M$。那么对于任意 $x,y\in I$,有 $|f(x)-f(y)|\leq M|x-y|$。 +- **命题 10.2.5**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是实区间 $I$ 上的连续函数,$\overgroup I=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,满足 $f$ 在任意 $x\in \overgroup I$ 处可微且 $|f'(x)|\leq M$。那么对于任意 $x,y\in I$,有 $|f(x)-f(y)|\leq M|x-y|$。 **证明**:反证,不妨假设存在 $xM(y-x)$。根据拉格朗日中值定理,存在 $z\in(x,y)$ 使得 $f'(z)=\frac{f(y)-f(x)}{y-x}$,那么 $|f'(z)|>M$,矛盾。 -- **推论 10.2.6**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是实区间 $I$ 上的连续函数,$\overparen I=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,满足 $f$ 在任意 $x\in \overparen I$ 处可微且 $|f'(x)|\leq M$。那么 $f$ 是一致连续函数。 +- **推论 10.2.6**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是实区间 $I$ 上的连续函数,$\overgroup I=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,满足 $f$ 在任意 $x\in \overgroup I$ 处可微且 $|f'(x)|\leq M$。那么 $f$ 是一致连续函数。 -- **引理 10.2.7**:设 $F:I\to\mathbb R$ 和 $G:I\to\mathbb R$ 都是实区间 $I$ 上的连续函数,它们在任意 $x\in \overparen I$ 处可微且导数相同。那么存在 $C\in\mathbb R$,使得对于任意 $x\in I$ 有 $G(x)=F(x)+C$。 +- **引理 10.2.7**:设 $F:I\to\mathbb R$ 和 $G:I\to\mathbb R$ 都是实区间 $I$ 上的连续函数,它们在任意 $x\in \overgroup I$ 处可微且导数相同。那么存在 $C\in\mathbb R$,使得对于任意 $x\in I$ 有 $G(x)=F(x)+C$。 **证明**:考虑函数 $H=G-F$,再结合命题 10.2.5。 @@ -146,7 +148,7 @@ 我们上面介绍了很多定理,它们的条件是不同但相似的,这里介绍一下它们之间的细微差别: -- 若条件是 “$f$ 在 $I$ 上定义且连续,在 $\overparen I$ 上可微”,这是最强的条件,它只要求 $f$ 在 $\overparen I$ 上可微,而且不关心 $f$ 是否在端点处有定义。 +- 若条件是 “$f$ 在 $I$ 上定义且连续,在 $\overgroup I$ 上可微”,这是最强的条件,它只要求 $f$ 在 $\overgroup I$ 上可微,而且不关心 $f$ 是否在端点处有定义。 - 若条件是 “$f$ 在 $[a,b]$ 上定义且连续,在 $(a,b)$ 上可微”,这相比于上一个条件,要求 $f$ 在端点处有定义,一般是因为该定理的描述和 $f$ 在端点处的值有关。 - 若条件是 “$f$ 在 $(a,b)$ 上定义且可微(从而连续),在 $a,b$ 两点有极限”,这里的 $a,b$ 的选取范围应该是 $\mathbb R^*$,所以它相比于上一个条件更强,因为这允许 $a,b$ 是无限的情况。 @@ -159,7 +161,7 @@ 定义函数 $g:[a,b]\to\mathbb R$ 满足 $g(x):=f(x)-kx$,那么 $g'(a)<00\\-1&x=0\end{cases}$ 是上凸函数,但在 $0$ 处右侧不可微,且在 $0$ 处也不连续。 +注意上述结论只适用于 $\overgroup I$ 而非 $I$ 的范围内。一个反例是定义在 $[0,1]$ 上的函数 $f(x):=\begin{cases}\sqrt x&x>0\\-1&x=0\end{cases}$ 是上凸函数,但在 $0$ 处右侧不可微,且在 $0$ 处也不连续。 -- **引理 10.7.8**:设 $I\subseteq\mathbb R$ 是区间,$f:I\to\mathbb R$ 是下凸函数,$\overparen{I}=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,$x_0\in \overparen I$。若 $f'_-$ 在 $x_0$ 处连续,那么 $f$ 在 $x_0$ 处可微。 +- **引理 10.7.8**:设 $I\subseteq\mathbb R$ 是区间,$f:I\to\mathbb R$ 是下凸函数,$\overgroup{I}=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,$x_0\in \overgroup I$。若 $f'_-$ 在 $x_0$ 处连续,那么 $f$ 在 $x_0$ 处可微。 **证明**:对任意 $x\in I$ 且 $x>x_0$,我们知道 $k(x_0,x)\leq f'_-(x)$,而 $\lim\limits_{x\to x_0^+}f_-'(x)=f_-'(x_0)$,那么 $f'_+(x_0)=\lim\limits_{x\to x_0^+}k(x_0,x)\leq f'_-(x_0)$,于是 $f'_+(x_0)=f'_-(x_0)$,$f$ 在 $x_0$ 处可微。 - **推论 10.7.9**:设 $I\subseteq\mathbb R$ 是区间,$f:I\to\mathbb R$ 是下凸函数,那么 $f$ 在至多可数个位置不可微。 - **证明**:$f_-'$ 在 $\overparen I$ 上是单调函数,故 $f_-'$ 的间断点只有可数多个,从而 $f$ 在 $\overparen I$ 上只有至多可数个位置不可微,即 $f$ 在 $I$ 上也只有至多可数个位置不可微。 + **证明**:$f_-'$ 在 $\overgroup I$ 上是单调函数,故 $f_-'$ 的间断点只有可数多个,从而 $f$ 在 $\overgroup I$ 上只有至多可数个位置不可微,即 $f$ 在 $I$ 上也只有至多可数个位置不可微。 凸函数的最值可以借助其导数判断。 -- **引理 10.7.10**:设 $I\subseteq\mathbb R$ 是区间,$f:I\to\mathbb R$ 是下凸函数,$\overparen{I}=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,$S:=\{x\in\overparen I:f'_-(x)\leq 0\}$。若 $S$ 非空且 $\sup S\neq \sup I$,那么 $S$ 有最大值且 $\max S=\max\{x\in I:x\text{ 是 }f\text{ 的最小值点}\}$。 +- **引理 10.7.10**:设 $I\subseteq\mathbb R$ 是区间,$f:I\to\mathbb R$ 是下凸函数,$\overgroup{I}=I\setminus\{\inf I,\sup I\}$,$S:=\{x\in\overgroup I:f'_-(x)\leq 0\}$。若 $S$ 非空且 $\sup S\neq \sup I$,那么 $S$ 有最大值且 $\max S=\max\{x\in I:x\text{ 是 }f\text{ 的最小值点}\}$。 - **证明**:记 $x_0:=\sup S$,那么对任意 $x\in \overparen I\land x0$,那么可以类似地证明 $f$ 在 $I\cap (x_0,+\infty)$ 上严格单调增,从而 $x_0$ 是 $f$ 的最小值点,且 $x_0$ 右侧不再有任何 $f$ 的最小值点。 + 对任意 $x\in \overgroup I\land x_00$,那么可以类似地证明 $f$ 在 $I\cap (x_0,+\infty)$ 上严格单调增,从而 $x_0$ 是 $f$ 的最小值点,且 $x_0$ 右侧不再有任何 $f$ 的最小值点。 注意到引理 10.7.10 中证明 $f$ 在 $x_0$ 左侧单调减时用到了 $f$ 的凸性,但实际上也可以把条件约束变得更强。 @@ -350,7 +352,7 @@ $(1-t)A+tB=A+(B-A)t$,于是 $t$ 从 $0$ 到 $1$ 实际上是从 $A$ 匀速地 **证明**:定义 $g:I\to\mathbb R$ 满足 $g(x):=f(x)-(f(x_0)+f'_-(x_0)(x-x_0))$。由于 $g$ 是凸函数减一次函数,求导后就是导函数再减去一个常数,从而单调性保持,那么 $g$ 仍然是凸函数。而 $g'_-(x_0)=f'_-(x_0)-f'_-(x_0)=0$,那么 $g(x_0)=0$ 是 $g$ 的最小值。 -在推论 10.7.7 中,我们说了 $f$ 在 $\overparen I$ 上是连续的。接下来我们说明,闭区间上的凸函数在端点处有极限,从而它几乎是连续的(只需把端点处的值修正)。 +在推论 10.7.7 中,我们说了 $f$ 在 $\overgroup I$ 上是连续的。接下来我们说明,闭区间上的凸函数在端点处有极限,从而它几乎是连续的(只需把端点处的值修正)。 - **引理 10.7.12**:设 $a,b\in\mathbb R\land a