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§18.318.3 对于教学的建议

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

1.学生在学习多元函数极限与连续性时,面临着两个任务: 一方面要复习,巩固以前学到的 ε - δ 方法,这是数学分析的基本功; 另一方面,多元函数的情况更为复杂,有许多新的问题产生,如何对以前的方法进行调整,有哪些新的注意事项,都要一一弄清.为此,要十分注意习题课内容的条理性.

2.例子在这一章的学习中有着十分重要的地位。学生首先是模仿,然后自己要能举出一些说明问题的反例。比如,针对重极限与累次极限的关系、多元函数连续与一元函数连续的相同点与不同点的一些例子。

3.对习题课的建议

(1) 关于求极限.极坐标变换是讨论二元函数极限的有效手段,学生们很喜欢用,但在使用时必须小心.例如

f (x, y) = frac x ^ 2 yx ^ 4 + y ^ 2, (x, y) ≠ (0, 0)

的极限 lim_((x,y)→ (0,0))f(x,y) 不存在,但如果用极坐标变换,则

f (x, y) = frac r cos^ 2 θ sin θr ^ 2 cos^ 4 θ + sin^ 2 θ → 0, text 如果 θ ≠ 0, π ;

而当 θ = 0, π 时, y = 0 ,故 f(x, y) = 0 ,因此容易误认为 lim_((x, y) → (0, 0)) f(x, y) = 0 。产生错误的原因在于忽视了用极坐标变换计算二元函数极限时,要求极限过程对 θ ∈ [0, 2π) 一致地成立。而上述计算中极限过程与 θ 有关。事实上,如果我们选择一条特殊的趋于原点的曲线

L = {(r, θ) | sin θ = r cos^ 2 θ },

则

f (x, y) | _ L = frac r cos^ 2 θ sin θr ^ 2 cos^ 4 θ + sin^ 2 θ | _ L = frac 12,

从而二元函数极限不存在.

(2) 关于连续性.在证明函数 f(x, y) 在点 (x₀, y₀) 连续时,如果需要的话,学生们都会将 f(x, y) - f(x₀, y₀) 写为

f (x, y) - f (x _ 0, y _ 0) = [ f (x, y) - f (x _ 0, y) ] + [ f (x _ 0, y) - f (x _ 0, y _ 0) ].

但经常会犯的错误是,由 f 对 x 的连续性得出 ∀ ε > 0, ∃ δ > 0, 当 |x - x₀| < δ 时

| f (x, y) - f (x _ 0, y) | < frac ε2.

要提醒他们,对每一个 y , f(x,y) 是一个关于 x 的一元函数,但含有 y.因此 f(x,y) 是一族含参数 y 的关于 x 的一元函数,所以上述 δ 应该与 y 有关.这还不是我们在二元连续时需要的 δ .

可以要求学生总结一下: 如果一个二元函数对每个变元分别连续,还须加何种条件才可保证二元函数连续 (结合例题 18.2.2). 这个问题可以作为习题课上进一步深入的一个内容.

第一组参考题

1.设 f(x, y) 关于 x 在 [a, b] 上连续,且关于 y 单调增加。如果有

lim _ y arrow d ^ - f (x, y) = f (x, d), x ∈ [ a, b ],

证明:这一收敛关于 x ∈ [a, b] 是一致的,即 ∀ ε > 0 ,存在 δ > 0 ,当 0 < d - y < δ 时,对所有的 x ∈ [a, b] ,都有

| f (x, y) - f (x, d) | < ε .

2.设 f 在 [a, b] × [a, b] 上连续,定义

φ (x) = max _ a ≤slant ξ ≤slant x {max _ a ≤slant y ≤slant ξ {f (ξ , y) } },

证明: φ(x) 在 [a,b] 上连续.

3.设 D 是 Rⁿ 的紧子集,f 为定义在 D 上的函数,证明: f 在 D 上连续的充分必要条件是下列集合

{(x, y) ∈ mathbf R ^ n + 1 | y = f (x), x ∈ D }

是 Rⁿ+1 中的紧集.

4.设 f₁, f₂, …, fₙ 是 [0,1] 上的 n 个连续函数,称 f₁, f₂, …, fₙ 在 [0,1] 上线性相关,若存在不全为零的常数 c₁, c₂, …, cₙ ,使得

∑_ j = 1 ^ n c _ j f _ j (x) ≡ 0, x ∈ [ 0, 1 ].

证明: f₁,f₂,…,fₙ 在 [0,1] 上线性相关的充分必要条件是

det ([ ∫_ 0 ^ 1 f _ i (x) f _ j (x) d x ] _ n × n) = 0,

其中 det(A) 是 A 的行列式.

5.设 p₁, p₂, …, pₖ 是 R² 上的 k 个相异的点,证明: 存在一个最小半径的圆盘 B,把这 k 个点覆盖.对于 Rⁿ 中的点,也有类似的命题.

6.设 A, B 是两个 n 阶的实对称方阵,其中 B 是正定矩阵.设函数 G(x) = (x^(T)Bx)⁻1(x^(T)Ax) 定义在 E = Rⁿ ∖ {0} 上,其中 x^(T) 是 x 的转置.证明:

(1) G(x) 可以在 E 上取到最大值;

(2) G(x) 的最大值点是与 A, B 有关的某个矩阵的特征向量.请写出这个矩阵.

第二组参考题

1.设 mathcalT 是 Rⁿ 到 Rⁿ 的一个映射,如果存在常数 θ , 0 ≤slant θ < 1 以及正整数 n₀,使得

| mathcal T ^ n _ 0 boldsymbol x - mathcal T ^ n _ 0 boldsymbol y | ≤slant θ | boldsymbol x - boldsymbol y |, ∀ boldsymbol x, boldsymbol y ∈ mathbf R ^ n,

证明:映射 T 有惟一的不动点.

2.设 Ω 是 Rⁿ 中的有界闭集,f 是 Ω 到 Ω 的一个映射,满足

| f (x) - f (y) | < | x - y |, ∀ x, y ∈ Ω , x ≠ y.

证明:f 在 Ω 中存在惟一的不动点.能否把命题中有界闭集的假设减弱为一般的有界集或无界的闭集?

3.证明:连续映射将连通集映为连通集.

4.设 Ω 是 Rⁿ 中的区域,函数 f 定义在 Ω 上,对于点 x₀ ∈ Ω,如果 ∀ ε > 0,存在 δ > 0,使得当点 x ∈ Ω,且 |x - x₀| < δ 时

f (±b x) < f (±b x _ 0) + ε (text 或 f (±b x) > f (±b x _ 0) - ε),

则称 f 在点 x₀ 处上半连续 (或下半连续). 证明:

(1) f 在点 x₀ 处上半连续的充分必要条件是 f 在点 x₀ 的邻近有上界,且

varlimsup_ Ω ni boldsymbol x arrow boldsymbol x _ 0 f (boldsymbol x) ≤slant f (boldsymbol x _ 0);

(2) f 在点 x₀ 处下半连续的充分必要条件是 f 在点 x₀ 的邻近有下界,且

varliminf_ Ω ni x → x _ 0 f (x) ≥slant f (x _ 0).

5.设 Ω 是 Rⁿ 中的紧集,f 是 Ω 上的上半连续函数 (下半连续函数), 则 f 在 Ω 上有上界并达到最大值 (有下界并达到最小值).

6.设 {fₖ} 是 Rⁿ 中紧集 Ω 上的连续函数列,如果对每个点 x ∈ Ω,均有

sup _ k {f _ k (boldsymbol x) } < + ∞ ,

证明:函数

f (boldsymbol x) = sup _ k {f _ k (boldsymbol x) }

在 Ω 上达最小值.

7. (Peano 曲线 ① ) 设 Δ 是 R² 中由 y = 0, y = √(3)x 和 y = -√(3)x + √(3) 所围成的正三角形闭区域.映射 f₀ : [0,1] → Δ 定义为 f₀(0) = (0,0) , f₀(1/2) = (1/2, (√(3))/(6)) , f₀(1) = (1,0),其余线性联结.则 f₀([0,1]) 是 Δ 中从端点 A 到重心 K 再到端点 B 的一条折线 L (见图 18.1(a)).

然后将 Δ 等分成四个边长为 1/2 的小正三角形区域 Δᵢ, i = 1,2,3,4, L 等分成长度为 (√(3))/(6) 的四段 Lᵢ, i = 1,2,3,4.设 g₀: L → Δ 以类似于 f₀ 的方式依次把 Lᵢ, i = 1,2,3,4 映到 Δᵢ, i = 1,2,3,4 中.令 f₁ = g₀ circ f₀,则 f₁([0,1]) 就是 Δ 中一条联结 A, B 的折线,由 2 × 4 段直线段连成 (见图 18.1(b)).

再设 g₁ 把 f₁([0,1]) 的每一段作类似于 g₀ 那样的变换.令 f₂=g₁circ f₁ ,则 f₂([0,1]) 就如图所示是一条由 2×4² 段直线段连成的折线(见图 18.1(c)).

依类似的方式定义 fₖ = gₖ-1 circ fₖ-1 : [0,1] → Δ, k = 3,4,… ,使得 fₖ([0,1]) 是一条由 2 × 4^(k) 段直线段连成的折线,每段直线分别位于边长为 frac12^(k) 的小正三角形区域中,且 gₖ-1 保持 fₖ-1([0,1]) 的点在它所在的小正三角形区域中.


(a)

图 18.118.1


(c)

(1) 证明: 任取 n > m, 有 |fₙ(t) - fₘ(t)| ≤slant frac12^(m),从而 fₙ(t) (n = 1, 2, …) 在 [0,1] 上一致收敛.设其极限映射为 f,证明 f : [0,1] → Δ 连续;

(2) 证明: f([0,1]) = Δ,即连续映射 f 把一个区间 [0,1] 映为 R² 中的一个面积为 (√(3))/(4) 的区域 Δ .

8. (Tietze (蒂策) 扩张定理) 设 D ⊂ Rⁿ 为闭子集,f: D → R 为连续函数,且 |f(±bx)| ≤slant M , ±bx ∈ D.设 g₀(±bx) = 0 , gₖ(±bx) 归纳定义为

g _ k (boldsymbol x) = frac 2 ^ k - 1 d (boldsymbol x , A _ k)3 ^ k (d (boldsymbol x , A _ k) + d (boldsymbol x , B _ k)) - frac 2 ^ k - 1 d (boldsymbol x , B _ k)3 ^ k (d (boldsymbol x , A _ k) + d (boldsymbol x , B _ k)),

其中

A _ k = {±b x ∈ D m | φ_ k (±b x) ≥slant frac 2 ^ k - 13 ^ k M },B _ k = {boldsymbol x ∈ D | φ_ k (boldsymbol x) ≤slant - frac 2 ^ k - 13 ^ k M },text 而 φ_ k (±b x) = f (±b x) - [ g _ 0 (±b x) + g _ 1 (±b x) + … + g _ k - 1 (±b x) ], k = 1, 2, … .

(1) 证明: gₖ(±bx) (k = 1,2,…) 连续,级数 ∑ₖ=1^(∞) gₖ(±bx) 在 Rⁿ 上一致收敛到 Rⁿ 上的连续函数 g(±bx),并且当 ±bx ∈ D 时 g(±bx) = f(±bx).因此 g 称为 f 在 Rⁿ 上的连续扩张,也称连续开拓;

(2) 证明: (1) 的结论当 f 并不有界时也成立.

(以上两题取自 [2], 又见 [3] 之 §16.3.)

9.是否能把开集上的连续函数连续扩张到全空间?一致连续函数呢?考察 R 中的例子.

10.证明: 可以把定义在 Rⁿ 中有理点集上的一致连续函数惟一扩张到全空间.

本章前两节分别讨论多元函数的偏导数与全微分.在 §19.3 介绍求多元函数偏导数的链式法则. §19.4 是向量值函数的微分学定理.最后一节是学习要点和参考题.方向导数、梯度、Taylor 公式等将在第二十一章 (偏导数的应用) 中介绍.

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