一、计算下列各题.
(1)用极限定义计算x→1limx2.
解:∀ε>0,取δ=min{1,31ε},则当0<∣x−1∣<δ时,∣x2−1∣=∣x−1∣⋅∣x+1∣<3δ≤ε.故x→1limx2=1.
(2)求n→∞lim(1+n2+n23)n.
解:原式=en→∞limnln(1+n2+n23)=en→∞limn(n2+n23)=e2.
(3)n→∞lim(2n+3n+5n)n1.
解:原式=n→∞lim5n(52)n+(53)n+1=5.
(4)x→0lim(x21−sin2x1).
解:原式=x→0limx2sin2xsin2x−x2=x→0limx4(x−61x3+o(x3))2−x2=x→0limx4−31x4+o(x4)=−31.
(5)x→1lim1−x+lnxx−xx.
解:原式=x→1lim−1+x11−xx(lnx+1)=x→1limx21xx⋅x1+(lnx+1)2⋅xx=2.
(6)求参数曲线{x=t2y=2t3上点(41,41)处切线的直角坐标方程.
解:即t=21处,切线斜率dtdy∣t=21=23.故切线方程为y=23x−81.
(7)求(x2ex)(20).
解:原式=ex(C200x2+C201⋅2x+C202⋅2)=ex(x2+40x+380).
(8)f(x)={2π+ln(1+sinx),2arctan(ex),x≤0x>0,求f′(x).
解:f−′(0)=x→0−limxln(1+sinx)=1;f+′(0)=x→0+limx2arctan(ex)−2π=1,故f′(0)=1.
则f′(x)={1+sinxcosx,1+e2x2ex,x≤0x>0.
二、求f(x)=3sin(x3)的带Peano余项的7阶Maclaurin公式,并求f(7)(0).
解:x→0时,sin(x3)=x3−6x9+o(x9),
f(x)=(x3)31⋅(1−6x6+o(x6))31=x⋅(1−18x6+o(x6))=x−18x7+o(x7).
f(7)(0)=7!⋅(−181)=−280.
三、设函数f(x)={x2sinx1,ax+b,x<0x≥0.
(1)确定a,b,使得f(x)在R上可导;
(2)当f(x)在R上可导时,分析其导函数的连续性,如有间断点指明其类型.
解:(1)由于f(x)在x>0和x<0时均为初等函数,都是可导的,故只需讨论x=0处的可导性.由f(x)在x=0处连续得f(0)=b=x→0−limf(x)=x→0−limx2sinx1=0;
再由f(x)在x=0处可导知f+′(0)=f−′(0),即
x→0+limx−0f(x)−f(0)=a=x→0−limx−0x2sinx1−0=x→0−limxsinx1=0.
故当a=0,b=0时,f(x)在R上可导.
(2)由(1)知f′(0)=0,故f′(x)={2xsinx1−cosx1,0,x<0x≥0.
由于x→0−limf′(x)不存在,故x=0是f′(x)的第二类间断点,f′(x)在其它点处连续。
四、已知函数f(x)=2x3−3x2(x∈[−2,2]).
(1)求f(x)的单调区间、凹凸区间;
(2)求f(x)的最值.
解:(1)f′(x)=6x(x−1),故f(x)在[−2,0]和[1,2]上单调递增,在[0,1]上单调递减.
又f′′(x)=6(2x−1),故f(x)在[−2,21]上凹,在[21,2]上凸.
(2)由(1)中分析知x=0为极大值点,x=1为极小值点;最值在{f(−2)=−28,f(0)=0,f(1)=−1,f(2)=4}中取到,故函数最大值为4,最小值为−28.
五、函数f(x)在[−1,1]上连续,(−1,1)内可导,且f(−1)=f(1).证明:存在ξ∈(−1,1)使得ξf(ξ)+f′(ξ)=0.
证明:令F(x)=f(x)⋅e21x2,则F(−1)=F(1).
由罗尔定理,存在ξ∈(−1,1)使得F′(ξ)=0,代入即证.
六、设f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,f(0)=f(1)=0且f(x)不恒为0.记M=0≤x≤1max∣f(x)∣.
(1)证明:存在ξ∈(0,1),使得∣f′(ξ)∣≥2M;
(2)进一步证明,存在η∈(0,1),使得∣f′(η)∣>2M.
证明:(1)设∣f(c)∣=M,c∈(0,1).若c∈(0,21],则∃ξ∈(0,c)s.t.∣f′(ξ)∣=∣c−0f(c)−0∣≥2M;若c∈(21,1),则∃ξ∈(c,1)s.t.∣f′(ξ)∣=∣1−c0−f(c)∣>2M.
(2)由(1),当c=21时ξ满足题意.当c=21时,设f(21)=M,假设∣f′(x)∣≤2M,x∈(0,1),则M=f(21)−f(0)=∫021f′(x)dx≤21⋅2M中等号取等,故f′(x)=2M,x∈(0,21),同理有f′(x)=−2M,x∈(21,1).此时f+′(21)=f−′(21),与f(x)在(0,1)内可导矛盾,故假设不成立.
f(21)=−M时同理.
七、设f(x)在[0,+∞)上二阶可导,x→+∞limf(x)和x→+∞limf′′(x)存在且有限.证明:
(1)x→+∞limf′′(x)=0.
(2)x→+∞limf′(x)=0.
证明:(1)设x→+∞limf′′(x)=A.假设A>0,则∃x1>0,当x>x1时,f′′(x)>2A,记f′(x1)=t,若t≤2A,取x2−x1=2A2A−t,即x2=x1+1−A2t;若t>2A,取x2=x1.则当x>x2时,f′(x)>2A,此时不可能有x→+∞limf(x)有限,因为∀G>0,当x>x3=2AG−f(x2)+x2时,f(x)>G,故假设不成立.A<0时同理,所以A=0.
(2)对∀x,h>0,有Taylor展开
f(x+h)=f(x)+f′(x)h+2f′′(ξ)h2.
分别取h=1和h=2,有
{f(x+1)=f(x)+f′(x)+21f′′(ξ1(x))f(x+2)=f(x)+2f′(x)+2f′′(ξ2(x))
两式相减可得
f′(x)=f(x+2)−f(x+1)−2f′′(ξ2(x))+21f′′(ξ1(x))
令x→+∞,此时xi(x)→+∞(i=1,2),有
x→+∞limf′(x)=x→+∞limf(x+2)−x→+∞limf(x+1)−2⋅0+0=0