題目
Problem
Assume a real function b:R→R is differentiable. Prove that
ε→0+limεb(x+b(x)ε)−b(x)=b(x)b′(x),
where b′(x)=dxdb(x). (10%)
(3) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出一個極限式,其中極限變數為 ε→0+,要求證明該極限等於 b(x)b′(x)。
- 觀察極限式,分子是 b(x+增量)−b(x),分母是 ε。這與導數的定義式非常像。
導數在點 x 的定義為:
b′(x)=limh→0hb(x+h)−b(x)
- 為了套用導數定義,我們可以令新變數 h=b(x)ε。這樣做的好處是將分子的括弧內部化為標準的 x+h。
- 當 ε→0+ 時:
- 因為 b(x) 對於極限而言是一個與 ε 無關的常數,所以增量 h=b(x)ε→0。
- 分類討論:
- 情況一:若 b(x)=0,則分子中的 b(x+0)−b(x)=0。整個極限式在取極限前就是恆為 0 的常數,其極限為 0,而右式 b(x)b′(x)=0⋅b′(x)=0,等式成立。
- 情況二:若 b(x)=0,我們可以將分母的 ε 改寫為 b(x)h,進而把極限式拆開,直接套用導數定義。
答題過程
展開
我們對自變數 x 處的函數值 b(x) 分成兩種情況進行討論:
情況一:當 b(x)=0 時
將 b(x)=0 代入待證極限式的左側:
ε→0+limεb(x+0⋅ε)−b(x)=ε→0+limεb(x)−b(x)=ε→0+limε0=0
而等式右側為:
b(x)b′(x)=0⋅b′(x)=0
此時左式等於右式,等式成立。
情況二:當 b(x)=0 時
我們引入變數代換,令:
h=b(x)ε
由於 b(x) 為與 ε 無關的實數,且 ε→0+,因此:
h→0且h=0
由代換關係可將分母的 ε 表示為:
ε=b(x)h
將這些代換關係寫入原極限式中,並將分母中的分式展開:
ε→0+limεb(x+b(x)ε)−b(x)==h→0limb(x)hb(x+h)−b(x)h→0lim(b(x)⋅hb(x+h)−b(x))
由於 b(x) 不隨 h 改變(對於極限而言是常數),且已知 b 在 x 處可微(即 limh→0hb(x+h)−b(x) 存在且等於 b′(x)),根據極限的常數倍數性質:
h→0lim(b(x)⋅hb(x+h)−b(x))==b(x)⋅h→0limhb(x+h)−b(x)b(x)b′(x)
等式成立。
結論:
綜上所述,無論 b(x) 是否為 0,等式均成立:
ε→0+limεb(x+b(x)ε)−b(x)=b(x)b′(x)
證明完畢。