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千葉大学 融合理工学府 数学情報科学専攻 数学・情報数理学コース 2017年8月実施 専門 A2

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

a>0a>0 とし、

fa(x)={ax+x2sin⁡(1/x)x≠0,0x=0f_a(x)=\begin{cases}ax+x^2\sin(1/x)&x\ne0,\\0&x=0\end{cases}

と定める。(1) fa′(0)f_a'(0) を求めよ。(2) faf_a が C1C^1 級でないことを示せ。(3) a>1a>1 ならば、00 を含むある開区間で狭義単調増大となることを示せ。(4) 0<a≤10<a\le1 ならば、00 を含むどの開区間でも狭義単調増大でないことを示せ。

题目描述​

对 a>0a>0 定义上式函数。(1) 求原点导数。(2) 证明不是 C1C^1 函数。(3) 证明 a>1a>1 时在原点的某个开邻域严格递增。(4) 证明 0<a≤10<a\le1 时在原点的任何开邻域都不严格递增。

Kai​

(1) 差商は a+hsin⁡(1/h)→aa+h\sin(1/h)\to a なので fa′(0)=af_a'(0)=a。

(2) x≠0x\ne0 では

fa′(x)=a+2xsin⁡(1/x)−cos⁡(1/x).f_a'(x)=a+2x\sin(1/x)-\cos(1/x).

xn=(2πn)−1→0x_n=(2\pi n)^{-1}\to0 に沿って fa′(xn)=a−1≠fa′(0)f_a'(x_n)=a-1\ne f_a'(0)。したがって導関数は原点で連続でない。

(3) 0<δ<(a−1)/20<\delta<(a-1)/2 とすれば、0<∣x∣<δ0<|x|<\delta で fa′(x)≥a−1−2∣x∣>0f_a'(x)\ge a-1-2|x|>0。原点でも導関数は正だから平均値の定理より (−δ,δ)(-\delta,\delta) 上で狭義単調増大である。

(4) a<1a<1 ならば上記 xnx_n で fa′(xn)=a−1<0f_a'(x_n)=a-1<0。

a=1a=1 の場合は tn=2πnt_n=2\pi n, un=tn−tn−1u_n=t_n-t_n^{-1}, zn=un−1z_n=u_n^{-1} とおく。zn→0z_n\to0 であり、

tn2f1′(zn)=tn2(1−cos⁡(tn−1)−2sin⁡(tn−1)tn−tn−1)⟶12−2=−32.t_n^2f_1'(z_n) =t_n^2\left(1-\cos(t_n^{-1})-\frac{2\sin(t_n^{-1})}{t_n-t_n^{-1}}\right) \longrightarrow\frac12-2=-\frac32.

したがって十分大きい nn で f1′(zn)<0f_1'(z_n)<0。単調増大な微分可能関数の導関数は非負なので、いずれの場合も所望の単調性は成り立たない。