Problems in Mathematical Analysis

作为注记

71-

Abel & Dirichlet Tests

Abel 求和

Dirichlet 判别法(级数版本) Abel 判别法(级数版本)

(函数列版本)

(含参积分版本)

76-

pp.76.ex

(1) 考虑 $(-1)^n$ 求和有界,$\frac 1n\cdot \left(1+\frac 1n\right)^n$ 单调趋于 $0$;

(2) 考虑 $(-1)^n$ 求和有界,$\frac 1n\cdot \cos \frac 1n$ 单调趋于 $0$(考察连续函数的单调性)。

pp.77.ex.1

$T^r$ 是压缩映射,所以存在一个不动点 $x^*$,接下来说明这是 $T$ 的不动点。因为

$$x^*,Tx^*,T^2x^*,\cdots,T^{r-1}x^*$$

是 $T$ 作用在 $x^*$ 上的所有像,也都是 $T^r$ 的不动点,所以这个 $r$ 个点都相等,即 $x^*=Tx^*$。

pp.77.ex.2

当 $x-y>0$ 取定时,其像之间的距离受到 $e^{-x}$ 的缩放

$$d(e^{-x}, e^{-y})=e^{-x}|1-e^{x-y}|\geq e^{-x}d(x,y)$$

所以 $x\mapsto e^{-x}$ 不是压缩映射。但是

$$d(e^{-e^{-x}}, e^{-e^{-y}})=e^{-e^{-\xi}}e^{-\xi}d(x,y)\leq d(x,y)\max_{t>0}\frac {t}{e^t}$$

所以 $x\mapsto e^{-e^{-x}}$ 是压缩映射。

pp.80.ex

在运算过程中只出现 $I,A$,所以是交换的

$$e^{sA}e^{tA}=\sum_{n=0}^\infty \frac {(sA)^n}{n!}\sum_{m=0}^\infty \frac {(tA)^m}{m!}=\sum_{n=0}^\infty\sum^n_{m=0}\frac {s^mt^{n-m}}{m!(n-m)!}A^n=\sum_{n=0}^\infty \frac {(s+t)^n}{n!}A^n=e^{(s+t)A}$$

其中第二项的两个因子都是绝对收敛的,从而可以重排成第三项,再用二项式定理得到第四项。

pp.87.ex.1

只证明充分性,如果对于任意收敛到 $x_0$ 的数列 $\{x_n\}$,根据其与 $x_0$ 的大小关系分为两个子列,至少有一个是无限集。这个无限集是子列,这个子列的极限对应 $f$ 的单边极限。而这两个子列(如果都是无限集)对应的极限相等,那么容易证明 $\{f(x_n)\}$ 是 Cauchy 列,从而收敛。

pp.87.ex.2

连续等价于极限存在,且值等于在该点的函数值。

pp.94.ex

考虑 Dirichlet 函数 $D(x)$,定义 $f(x)=2D(x)-1$,则 $|f|\equiv 1$,但 $f$ 在任意点都不连续。

pp.100.ex

定义函数

$$F(x,y)=[f(x)-f(y)]\cdot (x-y)$$

对于固定的 $y\in (a,b)$,$F(x,y)$ 是 $x$ 的连续函数。$x$ 在区间 $[a,y)$ 上(不妨)设 $f(x)>f(y)$ 恒成立,那么由单射进一步推出 $f(x)

pp.112.ex

根据定义,显然是紧集。而考虑 $\{x\}=\bigcap_{n=1}^\infty \overline {B(x,\frac 1n)}$,说明这是闭集。

pp.120.ex

限制在 $[-N,N]$ 上,作差。

Taylor 展开的余项

设函数 $f\in C^n([a,b])$ 在 $\mathbb R$ 或 $\mathbb C$ 中取值。如果 $f$ 在 $(a,b)$ 上存在 $n+1$ 阶导数,有一般的 Schlomilch-Roche 余项

$$f(x)=\sum^n_{k=0}\frac {f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+\frac {f^{(n+1)}(\xi)}{n!p}(x-a)^{p}(x-\xi)^{n+1-p}$$

如果不存在 $n+1$ 阶导数,只能有 Peano 余项。

pp172-181

pp224-228