第 9 周作业 · 微分与 Taylor 公式

教学日历把这次教材作业列为第 9 周,源提交文件名则是《第十一周题.pdf》。两套周次来自不同材料,实际都对应习题 5.1、5.2,因此合并为这一篇,不再把题面和提交拆开。题目按教学日历完整转录;折叠内容只记录手写提交,不把它改写成标准答案。个别模糊、漏答或明显算错的地方也照实说明。

习题 5.1

习题 5.1 · 第 1 题(第 1、3、5、7、9、11 小题)

填空:

  1. d()=dxx\displaystyle d(\quad)=\frac{dx}{x};
  2. d()=dxx\displaystyle d(\quad)=\frac{dx}{\sqrt x};
  3. d()=(cos⁡x+sin⁡x) dxd(\quad)=(\cos x+\sin x)\,dx;
  4. d()=e−ax dxd(\quad)=e^{-ax}\,dx;
  5. d()=dxxln⁡x\displaystyle d(\quad)=\frac{dx}{x\ln x};
  6. d()=cos⁡2xsin⁡x dxd(\quad)=\cos^2x\sin x\,dx。
查看手写提交

稿中依次填写为

ln⁡x,2x,sin⁡x−cos⁡x,−e−axa,ln⁡ln⁡x.\ln x,\qquad 2\sqrt x,\qquad \sin x-\cos x,\qquad -\frac{e^{-ax}}a,\qquad \ln\ln x.

第 11 小题旁写的是“不会”。

习题 5.1 · 第 2 题(第 1、3、5、7、9、11 小题)

求下列函数的一阶和二阶微分:

  1. y=x4+5xy=x^4+5x;
  2. y=xln⁡xy=x\ln x;
  3. y=u+1u−1y=\dfrac{u+1}{u-1};
  4. y=x+ln⁡xy=\sqrt{x+\ln x};
  5. y=x2e3xy=x^2e^{3x};
  6. y=sin⁡x2y=\sin x^2。
查看手写提交

手写稿给出的可辨认部分为:

  1. dy=(4x3+5) dxdy=(4x^3+5)\,dx,d2y=12x2(dx)2d^2y=12x^2(dx)^2;
  2. dy=(ln⁡x+1) dxdy=(\ln x+1)\,dx,d2y=1x(dx)2d^2y=\dfrac1x(dx)^2;
  3. dy=−2(u−1)2 dudy=-\dfrac2{(u-1)^2}\,du,d2y=4(u−1)3(du)2d^2y=\dfrac4{(u-1)^3}(du)^2;
  4. dy=x+12xx+ln⁡x dxdy=\dfrac{x+1}{2x\sqrt{x+\ln x}}\,dx;二阶微分的分子笔迹无法可靠辨清;
  5. dy=(3x2+2x)e3x dxdy=(3x^2+2x)e^{3x}\,dx,d2y=(9x2+12x+2)e3x(dx)2d^2y=(9x^2+12x+2)e^{3x}(dx)^2;
  6. dy=2xcos⁡x2 dxdy=2x\cos x^2\,dx,d2y=(2cos⁡x2−4x2sin⁡x2)(dx)2d^2y=(2\cos x^2-4x^2\sin x^2)(dx)^2。

习题 5.1 · 第 3 题(第 2、4 小题)

根据题目中给出的 xx 和 dxdx,求微分 dydy:

  1. y=4+5xy=\sqrt{4+5x},x=0x=0,dx=0.004dx=0.004 时的 dydy;
  2. y=tan⁡xy=\tan x,x=π4x=\dfrac\pi4,dx=−0.1dx=-0.1 时的 dydy。
查看手写提交

稿中写为

dy=5 dx25x+4=0.0025,dy=sec⁡2x dx=−0.2.dy=\frac{5\,dx}{2\sqrt{5x+4}}=0.0025, \qquad dy=\sec^2x\,dx=-0.2.

其中第一项的代数式清楚,但稿上最后的数值就是 0.00250.0025,这里未替它改正。

习题 5.2

习题 5.2 · 第 1 题

将多项式 1+3x+5x2−2x3+x41+3x+5x^2-2x^3+x^4 按 x−1x-1 的幂展开。

查看手写提交

稿中写出一个关于 x−1x-1 的四次展开式,但中间两个系数较模糊,末项记作 −16-16。由于原稿无法支持可靠的逐字符转录,这里不补造缺失系数。

习题 5.2 · 第 2 题(第 1、3、5 小题)

写出下列函数带 Peano 余项的 Maclaurin 公式:

  1. eaxe^{ax},其中 a≠0a\neq0;
  2. ln⁡(1−x)\ln(1-x);
  3. x3+2x+1x+1\dfrac{x^3+2x+1}{x+1}。

习题 5.2 · 第 3 题

求出 arcsin⁡x\arcsin x 的带 Peano 余项的 Maclaurin 公式。

习题 5.2 · 第 4 题(第 2、4、6 小题)

按指定要求写出下列函数带 Peano 余项的 Maclaurin 公式:

  1. xsin⁡x\dfrac{x}{\sin x},写到含 o(x4)o(x^4) 的项;
  2. ex−x2e^{x-x^2},写到含 o(x5)o(x^5) 的项;
  3. sin⁡x33\sqrt[3]{\sin x^3},写到含 x13x^{13} 的项。
查看手写提交

手写稿中可可靠辨认的展开为

eax=1+ax+a2x22!+⋯+anxnn!+o(xn),e^{ax}=1+ax+\frac{a^2x^2}{2!}+\cdots+\frac{a^nx^n}{n!}+o(x^n), ln⁡(1−x)=−x−x22−⋯−xnn+o(xn),\ln(1-x)=-x-\frac{x^2}{2}-\cdots-\frac{x^n}{n}+o(x^n),

以及

arcsin⁡x=∑k=0n(2k−1)!!(2k+1)(2k)!!x2k+1+o(x2n+2).\arcsin x= \sum_{k=0}^{n} \frac{(2k-1)!!}{(2k+1)(2k)!!}x^{2k+1} +o(x^{2n+2}).

稿中还写出

xsin⁡x=1+x26+13x4360+o(x4),\frac{x}{\sin x}=1+\frac{x^2}{6}+\frac{13x^4}{360}+o(x^4),

以及

sin⁡x33=x−x718−17x133240+o(x13).\sqrt[3]{\sin x^3} =x-\frac{x^7}{18}-\frac{17x^{13}}{3240}+o(x^{13}).

ex−x2e^{x-x^2} 和有理函数的展开式有多处涂改,无法在不猜测的情况下完整还原。

习题 5.2 · 第 5 题(第 2 小题)

写出函数 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 在 x0=1x_0=1 处带 Peano 余项的 Taylor 公式。源提交中没有可辨认的对应作答。

习题 5.2 · 第 6 题(第 1、3、5 小题)

利用 Taylor 公式求下列极限:

  1. lim⁡x→0ex3−1−x3sin⁡62x\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{e^{x^3}-1-x^3}{\sin^62x};
  2. lim⁡x→+∞x3/2(x+1+x−1−2x)\displaystyle\lim_{x\to+\infty}x^{3/2}\left(\sqrt{x+1}+\sqrt{x-1}-2\sqrt x\right);
  3. lim⁡x→01+2sin⁡x−ex+x2x3\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sqrt{1+2\sin x}-e^x+x^2}{x^3}。

习题 5.2 · 第 7 题(第 1 小题)

利用 Taylor 公式求数列极限

lim⁡n→∞n2ln⁡(nsin⁡1n).\lim_{n\to\infty}n^2\ln\left(n\sin\frac1n\right).
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第 6 题三个结果在稿中依次记为

1128,−14,16.\frac1{128},\qquad -\frac14,\qquad \frac16.

第 7 题的推导末尾写成 16\dfrac16;原稿中间有明显划改,这里保留其提交值,不另行校正。

习题 5.2 · 第 9 题

利用 Taylor 公式证明:对任意 x>0x>0,有

x−x22+x33−⋯−x2n2n<ln⁡(1+x)<x−x22+x33−⋯+x2n−12n−1.x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\cdots-\frac{x^{2n}}{2n} <\ln(1+x) <x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\cdots+\frac{x^{2n-1}}{2n-1}.

习题 5.2 · 第 12 题

设 f(x)f(x) 在 R\mathbb R 上二次可微,且对任意 x∈Rx\in\mathbb R 有

∣f(x)∣⩽M0,∣f′′(x)∣⩽M2.|f(x)|\leqslant M_0, \qquad |f''(x)|\leqslant M_2.
  1. 写出 f(x+h)f(x+h)、f(x−h)f(x-h) 关于 hh 的带 Lagrange 余项的 Taylor 公式;

  2. 证明:对任意 h>0h>0,有

    ∣f′(x)∣⩽M0h+h2M2;|f'(x)|\leqslant\frac{M_0}{h}+\frac h2M_2;
  3. 证明 ∣f′(x)∣⩽2M0M2|f'(x)|\leqslant\sqrt{2M_0M_2}。

习题 5.2 · 第 14 题

设函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上有一阶连续导数,在 (a,b)(a,b) 上二阶可导,且 f(a)=f(b)=0f(a)=f(b)=0。证明:任取 x∈(a,b)x\in(a,b),存在 ξ∈(a,b)\xi\in(a,b),使得

f(x)=f′′(ξ)2(x−a)(x−b).f(x)=\frac{f''(\xi)}2(x-a)(x-b).
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稿末写有三处“不会”,编号看起来是 9、11(也可能是 12)和 14。教学日历指定的是第 9、12、14 题,但第二个手写编号不足以唯一判定,因此这里只保留这处不确定性,不把它强行归到第 12 题。

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