diff --git a/素材/微分中值定理.md b/素材/微分中值定理.md index 6304f45..70e16dd 100644 --- a/素材/微分中值定理.md +++ b/素材/微分中值定理.md @@ -1,9 +1,6 @@ -### 例1 -设 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,在 $(a, b)$ 内可导,且 $0 < a < b$,试证存在 $\xi, \eta \in (a, b)$,使得 -$$ -f'(\xi) = \frac{a + b}{2\eta} f'(\eta). -$$ +>[!example] 例1 +设 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,在 $(a, b)$ 内可导,且 $0 < a < b$,试证存在 $\xi, \eta \in (a, b)$,使得 $$f'(\xi) = \frac{a + b}{2\eta} f'(\eta).$$ **解析**: 本题结论中含有两个不同的中值 $\xi$ 和 $\eta$,且涉及两个不同的函数形式。可考虑分别对 $f(x)$ 和 $g(x)=x^2$ 在 $[a,b]$ 上应用柯西中值定理: @@ -23,7 +20,7 @@ $$ --- -### 例2 +>[!example] 例2 设函数 $f(x)$ 在 $[0,3]$ 上连续,在 $(0,3)$ 内可导,且 $f(0) + f(1) + f(2) = 3$,$f(3) = 1$,试证必存在 $\xi \in (0, 3)$,使 $f'(\xi) = 0$。 **解析**: @@ -31,10 +28,10 @@ $$ --- -### 例3 +>[!example] 例3 设 $f(x)$ 在区间 $[0,1]$ 上连续,在 $(0,1)$ 内可导,且 $f(0) = f(1) = 0$,$f(1/2) = 1$,试证: -1. 存在 $\eta \in (1/2, 1)$,使得 $f(\eta) = \eta$; -2. 对任意实数 $\lambda$,必存在 $\xi \in (0, \eta)$,使得 $f'(\xi) - \lambda [f(\xi) - \xi] = 1$。 +(1)存在 $\eta \in (1/2, 1)$,使得 $f(\eta) = \eta$; +(2)对任意实数 $\lambda$,必存在 $\xi \in (0, \eta)$,使得 $f'(\xi) - \lambda [f(\xi) - \xi] = 1$。 **解析**: (1) 令 $g(x)=f(x)-x$,则 $g(1/2)=1-1/2=1/2>0$,$g(1)=0-1=-1<0$,由零点定理,存在 $\eta \in (1/2,1)$,使 $g(\eta)=0$,即 $f(\eta)=\eta$。 @@ -48,12 +45,9 @@ $$ ## 5.2 微分中值定理及其应用 -### 例1 +>[!example] 例1 设函数 $f(x)$ 在 $(-1,1)$ 内可微,且 -$$ -f(0) = 0, \quad |f'(x)| \leq 1, -$$ -证明:在 $(-1,1)$ 内,$|f(x)| < 1$。 +$$f(0) = 0, \quad |f'(x)| \leq 1,$$证明:在 $(-1,1)$ 内,$|f(x)| < 1$。 **解析**: 对任意 $x \in (-1,1)$,由拉格朗日中值定理,存在 $\xi$ 介于 $0$ 与 $x$ 之间,使得 @@ -64,12 +58,9 @@ $$ --- -### 例2 +>[!example] 例2 设 $a_i \in \mathbb{R} (i = 0,1,2,\cdots,n)$,且满足 -$$ -a_0 + \frac{a_1}{2} + \frac{a_2}{3} + \cdots + \frac{a_n}{n+1} = 0, -$$ -证明:方程 $a_0 + a_1x + a_2x^2 + \cdots + a_nx^n = 0$ 在 $(0,1)$ 内至少有一个实根。 +$$a_0 + \frac{a_1}{2} + \frac{a_2}{3} + \cdots + \frac{a_n}{n+1} = 0,$$证明:方程 $a_0 + a_1x + a_2x^2 + \cdots + a_nx^n = 0$ 在 $(0,1)$ 内至少有一个实根。 **解析**: 构造辅助函数 @@ -83,11 +74,9 @@ $$ --- -### 例3 +>[!example] 例3 设函数 $f(x)$ 在 $[a,b]$ 上可导,且 -$$ -f(a) = f(b) = 0,\quad f'_+(a)f'_-(b) > 0, -$$ +$$f(a) = f(b) = 0,\quad f'_+(a)f'_-(b) > 0,$$ 试证明 $f'(x) = 0$ 在 $(a,b)$ 内至少有两个根。 **解析**: @@ -95,7 +84,7 @@ $$ --- -### 例4 +>[!example] 例4 设 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,在 $(a, b)$ 内二阶可导,又若 $f(x)$ 的图形与联结 $A(a, f(a))$,$B(b, f(b))$ 两点的弦交于点 $C(c, f(c))$ ($a \leq c \leq b$),证明在 $(a, b)$ 内至少存在一点 $\xi$,使得 $f''(\xi) = 0$。 **解析**: @@ -114,7 +103,7 @@ $$ --- -### 例5(柯西中值定理例) +>[!example] 例5(柯西中值定理例) 试证至少存在一点 $\xi \in (1, e)$,使 $\sin 1 = \cos \ln \xi$。 **解析**: @@ -133,7 +122,7 @@ $$ ## 练习 -### Ex3 +>[!example] Ex1 设 $f(x)$ 在 $(a, b)$ 内可导,且 $f'(x) \neq 1$。试证明 $f(x)$ 在 $(a, b)$ 内至多只有一个不动点,即方程 $f(x) = x$ 在 $(a, b)$ 内至多只有一个实根。 **解析**: @@ -145,14 +134,11 @@ $$ --- -### Ex4 +>[!example] Ex2 设 $f(x)$ 在 $[0, 1]$ 上具有二阶导数,且满足 -$$ -f(0) = 0, \, f(1) = 1, \, f\left(\frac{1}{2}\right) > \frac{1}{4} -$$ -证明: -1. 至少存在一点 $\xi \in (0, 1)$,使得 $f''(\xi) < 2$; -2. 若对一切 $x \in (0, 1)$,有 $f''(x) \neq 2$,则当 $x \in (0, 1)$ 时,恒有 $f(x) > x^2$。 +$$f(0) = 0, \, f(1) = 1, \, f\left(\frac{1}{2}\right) > \frac{1}{4}$$证明: +(1)至少存在一点 $\xi \in (0, 1)$,使得 $f''(\xi) < 2$; +(2)若对一切 $x \in (0, 1)$,有 $f''(x) \neq 2$,则当 $x \in (0, 1)$ 时,恒有 $f(x) > x^2$。 **解析**: (1) 考虑函数 $g(x)=f(x)-x^2$,则 $g(0)=0$,$g(1)=0$,$g(1/2)=f(1/2)-1/4>0$。由极值点的费马定理,$g(x)$ 在 $(0,1)$ 内存在极大值点 $\eta$,且 $g'(\eta)=0$,$g''(\eta) \leq 0$。即 $f'(\eta)=2\eta$,$f''(\eta) \leq 2$。若 $f''(\eta) < 2$,则取 $\xi=\eta$ 即可;若 $f''(\eta)=2$,则考虑在 $\eta$ 两侧应用拉格朗日中值定理,可找到另一个点 $\xi$ 使得 $f''(\xi)<2$。 @@ -160,7 +146,7 @@ $$ --- -### Ex5 +>[!example] Ex3 若 $f(x)$ 可导,试证在其两个零点间一定有 $f(x) + f'(x)$ 的零点。 **解析**: @@ -172,7 +158,7 @@ $$ --- -### Ex6 +>[!example] Ex4 设 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 连续,$(0,1)$ 可导,且 $f(1) = 0$,求证存在 $\xi \in (0,1)$ 使得 $nf(\xi) + \xi f'(\xi) = 0$。 **解析**: @@ -184,11 +170,9 @@ $$ --- -### Ex7 +>[!example] Ex5 设 $f''(x) < 0$,$f(0) = 0$,证明对任意 $x_1 > 0, x_2 > 0$ 有 -$$ -f(x_1 + x_2) < f(x_1) + f(x_2) -$$ +$$f(x_1 + x_2) < f(x_1) + f(x_2)$$ **解析**: 不妨设 $0 < x_1 < x_2$。由拉格朗日中值定理: diff --git a/素材/线性方程组的系数矩阵与解关系.md b/素材/线性方程组的系数矩阵与解关系.md index aaeb69a..4209625 100644 --- a/素材/线性方程组的系数矩阵与解关系.md +++ b/素材/线性方程组的系数矩阵与解关系.md @@ -1,22 +1,24 @@ 这是一个链接了方程组解空间与方程组系数秩的公式 >[!note] 解零度化定理: ->对于齐次方程组 $\boldsymbol{A}_{m \times n}\boldsymbol{x}=\boldsymbol{0}$,设$\mathrm{rank}\boldsymbol{A}=r$,则 -> $$\dim N(\boldsymbol{A})=n-r$$ +>对于齐次方程组 ${A}_{m \times n}\boldsymbol{x}=\boldsymbol{0}$,设$\mathrm{rank}{A}=r$,则 +> $$\dim N({A})=n-r$$ -已知三阶方阵 $A=\begin{bmatrix}\alpha_1&\alpha_2&\alpha_3\end{bmatrix}$ 有三个不同的特征值,其中$\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$,若 $\beta=\alpha_1+3\alpha_2+4\alpha_3$ ,求线性方程组 $Ax=\beta$ 的通解. - $\begin{bmatrix}1\\3\\4\end{bmatrix}+k\begin{bmatrix}2\\1\\-1\end{bmatrix}, k\in\mathbb{R}$ ->分析:在求解非齐次方程组通解的题目中,若是题目给出了特解与齐次方程组的解,那么大概率来说这个齐次方程组的解就可以拓展为齐次方程组通解(根据问题导向,不然写不出来了),那么如何由齐次方程组的解拓展为齐次方程组通解呢,那就要根据题目具体的条件进行分析了,这就要用到我们的解零度化定理来求齐次方程组解空间的维数 ->解析:由 $\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$ 可得 $A$ 的列向量组线性相关, $|A|=0$;又因为 $A$ 的三个特征值各不相同,故 $A$ 有两个不为零的特征值 $\lambda_1,\lambda_2$,且 $A$ 可相似对角化,即 $A=P^{-1}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}P$,$\mathrm{rank}A=\mathrm{rank}(P^{-1}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}P)=\mathrm{rank}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}=2$ ->故 $Ax=0$ 的解空间维数是 $1$ (5分) ->$\beta=\alpha_1+3\alpha_2+4\alpha_3$,所以 $(1,3,4)^\mathrm{T}$ 为特解;(5分) ->$\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$,所以$A\begin{bmatrix}2k\\k\\-k\end{bmatrix}=2\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3=0$,所以 $(2,1,-1)^\mathrm{T}$ 为基础解系;(10分) ->解空间维数是 $1$ ,方程的解 $\begin{bmatrix}1\\3\\4\end{bmatrix}+k\begin{bmatrix}2\\1\\-1\end{bmatrix}, k\in\mathbb{R}$ 维数是 $1$,该解完备 +>[!example] 例1 +>已知三阶方阵 $A=\begin{bmatrix}\alpha_1&\alpha_2&\alpha_3\end{bmatrix}$ 有三个不同的特征值,其中$\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$,若 $\beta=\alpha_1+3\alpha_2+4\alpha_3$ ,求线性方程组 $A\boldsymbol{x}=\beta$ 的通解. +**答案:** + $$\begin{bmatrix}1\\3\\4\end{bmatrix}+k\begin{bmatrix}2\\1\\-1\end{bmatrix}, k\in\mathbb{R}$$ +**分析:** 在求解非齐次方程组通解的题目中,若是题目给出了特解与齐次方程组的解,那么大概率来说这个齐次方程组的解就可以拓展为齐次方程组通解(根据问题导向,不然写不出来了),那么如何由齐次方程组的解拓展为齐次方程组通解呢,那就要根据题目具体的条件进行分析了,这就要用到我们的解零度化定理来求齐次方程组解空间的维数 +**解析:** 由 $\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$ 可得 $A$ 的列向量组线性相关, $|A|=0$;又因为 $A$ 的三个特征值各不相同,故 $A$ 有两个不为零的特征值 $\lambda_1,\lambda_2$,且 $A$ 可相似对角化,即 $A=P^{-1}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}P$,$\mathrm{rank}A=\mathrm{rank}(P^{-1}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}P)=\mathrm{rank}\begin{bmatrix}\lambda_1&&\\&\lambda_2&\\&&0\end{bmatrix}=2$ +故 $Ax=0$ 的解空间维数是 $1$ (5分) +$\beta=\alpha_1+3\alpha_2+4\alpha_3$,所以 $(1,3,4)^\mathrm{T}$ 为特解;(5分) +$\alpha_3=2\alpha_1+\alpha_2$,所以$A\begin{bmatrix}2k\\k\\-k\end{bmatrix}=2\alpha_1+\alpha_2-\alpha_3=0$,所以 $(2,1,-1)^\mathrm{T}$ 为基础解系;(10分) +解空间维数是 $1$ ,方程的解 $\begin{bmatrix}1\\3\\4\end{bmatrix}+k\begin{bmatrix}2\\1\\-1\end{bmatrix}, k\in\mathbb{R}$ 维数是 $1$,该解完备 - 设 -$$ -A = \begin{bmatrix} + + >[!example] 例2 + >设 $$A = \begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & -1 \\ 1 & 1 & 0 & 3 \\ 2 & 1 & 2 & 6 @@ -28,87 +30,55 @@ B = \begin{bmatrix} \end{bmatrix}, \quad \alpha = \begin{bmatrix} 0 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix}, \quad -\beta = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix} -$$ - +\beta = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix}$$ (1) 证明:方程组 $Ax = \alpha$ 的解均为方程组 $Bx = \beta$ 的解; - -(2) 若方程组 $Ax = \alpha$ 与方程组 $Bx = \beta$ 不同解,求 $a$ 的值。 -4. (10分) 设 -$$ -A = \begin{bmatrix} -1 & -1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0 & 3 \\ -2 & 1 & 2 & 6 -\end{bmatrix}, \quad -B = \begin{bmatrix} -1 & 0 & 1 & 2 \\ -1 & -1 & a & a-1 \\ -2 & -3 & 2 & -2 -\end{bmatrix}, -$$ -向量 -$$ -\alpha = \begin{bmatrix} 0 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix}, \quad -\beta = \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \end{bmatrix}. -$$ - -(1) 证明:方程组 $Ax = \alpha$ 的解均为方程组 $Bx = \beta$ 的解; - -(2) 若方程组 $Ax = \alpha$ 与方程组 $Bx = \beta$ 不同解,求 $a$ 的值。 - ---- +$\quad$ +(2) 若方程组 $A\boldsymbol{x} = \alpha$ 与方程组 $B\boldsymbol{x} = \beta$ 不同解,求 $a$ 的值。 **解:** - (1) 由于 $$ -\left( \begin{array}{c} +\begin{bmatrix} A \quad \alpha \\ B \quad \beta -\end{array} \right) = -\left( \begin{array}{ccccc} +\end{bmatrix} = +\begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & -1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 & 3 & 2 \\ 2 & 1 & 2 & 6 & 3 \\ 1 & 0 & 1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & a & a-1 & 0 \\ 2 & -3 & 2 & -2 & -1 -\end{array} \right) -$$ -$$ +\end{bmatrix} \rightarrow -\left( \begin{array}{ccccc} +\begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 2 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 -\end{array} \right), +\end{bmatrix}, $$ 故 $$ -R \left( \begin{array}{c} -A \quad \alpha \\ -B \quad \beta -\end{array} \right) = R(A, \alpha), +\mathrm{rank} \begin{bmatrix}A&\alpha\\B&\beta\end{bmatrix} = \mathrm{rank}[A\ \alpha], $$ 从而方程组 $$ \begin{cases} -Ax = \alpha, \\ -Bx = \beta +A\boldsymbol{x} = \alpha \\ +B\boldsymbol{x} = \beta \end{cases} $$ -与 $Ax = \alpha$ 同解,故 $Ax = \alpha$ 的解均为 $Bx = \beta$ 的解。 +与 $A\boldsymbol{x} = \alpha$ 同解,故 $A\boldsymbol{x} = \alpha$ 的解均为 $B\boldsymbol{x} = \beta$ 的解。 -(2) 分析:不同解,却要可以求出a的具体值,说明这是一个与秩相关的题,而与解相关的秩的问题我们就可以考虑解零度化定理 -由于 $Ax = \alpha$ 的解均为 $Bx = \beta$ 的解,若 $Ax = \alpha$ 与 $Bx = \beta$ 同解,则与题意矛盾,故 $Ax = \alpha$ 的解是 $Bx = \beta$ 解的真子集。于是 $Ax = 0$ 的基础解系中解向量的个数小于 $Bx = 0$ 的基础解系中解向量的个数,即 +(2) 分析:不同解,却要可以求出$a$的具体值,说明这是一个与秩相关的题,而与解相关的秩的问题我们就可以考虑解零度化定理 +由于 $A\boldsymbol{x} = \alpha$ 的解均为 $Bx = \beta$ 的解,若 $A\boldsymbol{x} = \alpha$ 与 $B\boldsymbol{x} = \beta$ 同解,则与题意矛盾,故 $Ax = \alpha$ 的解是 $Bx = \beta$ 解的真子集。于是 $Ax = 0$ 的基础解系中解向量的个数小于 $B\boldsymbol{x} = 0$ 的基础解系中解向量的个数,即 $$ -4 - R(A) < 4 - R(B), +4 - r(A) < 4 - r(B), $$ -故 $R(A) > R(B)$。又因 $R(A) = 3$,故 $R(B) < 3$,则 +故 $r(A) > r(B)$。又因 $r(A) = 3$,故 $r(B) < 3$,则 $$ \left| \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 1 \\