数学分析中的反例问题

优质文档摘 要数学分析是一门特别重要的根底课程,反例对理解数学分析有关定义和定理的内涵和外延有着不行替代的作用,反例的地位在数学的学习中占有很重要的地位,对造就我们的逆向思维至关重要,恰当的运用反例对我们数学实力的提高起着事半功倍的效果,我们盼望定理中的条件是最简的,在我们一步步减弱条件的时候,反例的作用就越来越明显,一个特列不能说明一个命题是对的,但一个反例完全可以证明一个命题是错的.反例的作用和构造也越来越受到重视.本文介绍了数列,函数,导数,积分,无穷积分,级数等中的一些典型问题的反例,对一些逆命题的成立和否通过反例做了简洁的论证,通过反例把一些看似相关性很大的定义和定理的区分又做了进一步的比拟和分析,对一些反例的构造过程和思路做了具体介绍,答复了为什么这样构造的问题,可以让读者在错综困难的关系里得到清晰的逻辑和思路.关键词：命题;反例;构造;数学分析;表达 ABSTRACTMathematical analysis is a very important basic course, counterexample has an irreplaceable role in understanding mathematical analysis about definition and theorem of connotation and denotation , counter example role has a extremely important position in learning mathematics occupies,it is very important to educate our reverse thinking, appropriate mathematical ability for us to use counterexample improve play a extremely important position, we hope that the conditions of the theorem is one of the most simple, when we weaken conditions step by step, the counter example of the role is more and more obvious, a special example does not justify a question is right, but a counter example can prove that a theorem is wrong. counterexample and structure is becoming more and more important. According to the general mathematical analysis teaching material order, this paper introduces the sequence, function, derivative,and series of a reverse case of some typical problems, such as, for some of the establishment of the converse proposition, seemingly through counterexamples correlation definition theorem of great difference and do a further comparison and analysis of the construction process of some counter example ,it also made a detailed introduction, why and how structure counterexample get a answer in this paper, reader can get a clear logic in this paper.Key words: proposition; counter example;structure;mathematical analysis; reflect 目 录1.引言12.反例在加深理解定义及相关概念中的表达12.1周期函数12.2复合函数12.3极值22.4相同连续22.5导数33.反例在驾驭定理的内涵和外延中的表达33.1柯西收敛准那么33.2 stolz公式43.3 比式判别法53.4 比拟原那么53.5 阿贝尔判别法63.6 莱布尼茨判别法74.反例在辨析重要结论的逆命题中的表达75.反例在论证辩证关系中的表达105.1 和的关系105.2 原函数和可积函数之间的关系105.3 收敛和=0的关系115.4 可积和确定可积以及平方可积之间的关系126.结论13参 考 文 献14致 谢15优质文档1.引言数学分析在数学专业中占有重要的根底地位,反例在数学分析中的应用也越来越受到重视,其实反例的作用不仅仅体此时此刻数学分析中,像实变函数中的康托尔三分集就是一个经典的例子,也可充当许多命题的反例,第一个无处可微的连续函数的例子是由Weierstrass用振动曲线 构造提出的: 13,这使得人们对连续和可微之间的关系探究又提高到了另一个高度,是理性的结果,打破了长期以来的模糊的错误的观点,从今以后,人们又仿效他做了适当的修改,构造出越来越多的反例,反例的作用越来越得到人们的确定和重视,由此可见,能构造出反例来推翻一个命题和证明一个命题的正确性同等重要,构造反例关键在于奇妙,反例不是凭空想象的,而是依据要求和已有的学问经过很严密的思索得出来的,在运用和构造反例的过程中可以让我们对学问点理解的更加透彻,使我们的思路更加清晰,对提高我们的数学思想和数学实力有着很大的协助作用. 2. 反例在加深理解定义及相关概念中的表达2.1周期函数并不是特别数的周期函数都有最小正周期,下面我们寻求一个没有最小正周期的特别数的周期函数,可以证明特别数的连续周期函数必有最小正周期5,所以我们构造的函数必须是不连续的,如狄利克雷函数,它的周期是全体有理数,因而没有最小正周期.2.2复合函数,确定,假设的过程中始终保持有,那么复合函数的极限12.留意这里的简洁忽视,但的确又是必不行少的,例如：及,这时时,时,但复合后的极限不存在,因为.由此可知是不能去掉的,但是假设外层函数连续,那么,就不必假定在极限过程中了.2.3极值假设连续函数在点有极大值,那么在此点的某一领域内必须满意在此点的左侧递增右侧递减.这个命题初看很正常,感性相识是对的.但是事实并非如此,例如,在=0取得极大值2,而在=0的随意小的领域内都时正时负,故在=0的左右两侧随意领域内都是震荡的.2.4相同连续定义11 设f为定义在区间I上的函数.假设对任给的,存在,使得对任何,I,只要,就有,那么称函数f在区间I上相同连续.由相同连续的定义可以证明,在有限开区间上相同连续的两个函数之积仍旧是相同连续函数.此时此刻我们来看在有限开区间上相同连续的两个函数之商和在无穷区间上相同连续的两个函数之积是否还是相同连续函数.通过反例我们可以知道这时就不必须成立了,如：1和x在0,1上相同连续,但其商在0,1上不相同连续.x和x在(0, )上相同连续,但在(0, )上不相同连续.2.5导数定义21 设函数在的某邻域内有定义,假设极限存在,那么称函数在点处可导.由定义可知函数的可导是针对一点而言的,所以存在只在一点可导,在这一点的任何领域内都不行导的函数,因为连续也是针对点而言的,我们知道存在只在单点连续的函数,在这一点的任何领域内都不连续,如黎曼函数,那么是否存在这样的函数,只在一点可导,在其他任一点都不连续,这样的函数是存在的,如=仅在点=0处可导,在其他随意一点都不行导,且不连续,其中是狄利克雷函数.2. 可导函数在某点满意,但不能断定在的某领域内单调递增,如,那么,在=0点,但在原点的随意领域内都取正值和负值.3.导函数不必须连续.例如,那么,在点连续,并且是其次类连续点,其实这并不是偶然,因为导函数是没有第一类连续点的,并且还可以证明导函数假设有其次类连续点必须是振荡型的其次类连续点.3. 反例在驾驭定理的内涵和外延中的表达3.1柯西收敛准那么定理3.1.1 1柯西收敛准那么数列收敛的充要条件是：对任给的,存在正整数N,使得当n,mN时有.下面列出两个命题（1） 数列收敛的充要条件是5：对任给的,当时,对一切,都有（2） 数列收敛的充要条件是：对任给的,对,当时,有对于以上两个命题,再结合柯西收敛准那么,我们很难一下子看清晰哪个是对的,看似他们的表述很接近,貌似都对,实那么不然,对于命题2,虽然是随意的,但是是在选取前就给定的,可能每一个都会对应着一个不同的,这样就会使得的选取和的取值有关,从而找不到一个公共的使的对任何一个都成立,这就是命题2和命题1最本质的区分,经过初步分析我们还不能断定命题2是错误的,假设能举一个反例推翻就可以了,而这种反例是存在的,比方令,那么,对随意给定的,当充分大时成立,所以是满意命题2的要求的,但是我们知道是发散的,所以命题2是不对的.通过这个反例可以看出反例在加深理解定理中的作用是不言而喻的.3.2 stolz公式定理3.1.25 型Stolz公式假设严格递增且= ,那么是有限数,或型Stolz公式假设严格递减且,那么是有限数,或留意上面的可以是有限数,也可以是或,但是,一般推不出,例如令=,=n,这时虽然,但是=,即.要特殊留意的是Stolz公式的逆命题是不成立的,现以型Stolz公式为例,即使严格递增且= ,但是推不出,如我们用Stolz公式很简洁知道假设,那么,但是由此等式反过来我们是推不出的,例如：令=,明显,但是.针对上例我们还可以得到推不出是因为的极限不存在,假设存在的话,必须成立,所以加上单调这个条件就可以确定成立,因为假设单调就可以保证的极限是存在的,要么是有限数,要么是或,而这三种状况恰好在Stolz公式的运用范围内,这也是我们构造的反例必须不能是单调数列的缘由.3.3 比式判别法设为正项级数,且,但不必须收敛,例如：上例对理解比式判别法有重要作用,我们知道,假设为正项级数,且存在某正整数及常数q0q,成立不等式,那么级数收敛.这说明白0q1的重要性以及对理解0, =b+,对,b充分大时,有=|=1,故非相同连续.4. 假设在内可导,并且,那么.9这由推广的洛必达法那么很简洁得到,但是此命题的逆命题不真.如 ,=0,但是不存在.5. 假设可积,那么在必须有界5.反之不真.例如狄利克雷函数,在内有界,但是是不行积的.6. 假设可积,那么|和都可积11,但逆命题不真.例如,|,在内都可积,但是在内是不行积的.7. 我们知道假设收敛,0且单调递减,那么,3即递减的正项级数假设收敛,其通项必须是比高阶的无穷小量.我们考察此命题的逆命题正确和否,即假设,0且单调递减,是否必须有收敛.下面给出反例的构造过程,是比高阶的无穷小量,假设只是单纯的构造比高阶的无穷小量=i1,那么必须收敛,所以不妥,我们要找一个比任何i0增长速度要慢的函数,这样才有可能构造出恰当的反例,自然会想到lnn,即令=,那么满意,0且单调递减,但是=却是发散的.=,令t=留意,还可以用反例说明此命题中单调递减是必不行少的,即存在0且收敛,但是,即不是高阶的无穷小量.例如：,=所以收敛,但是明显.5. 反例在论证辩证关系中的表达5.1和的关系由推广的洛必达法那么我们还可以知道,设在内可导,假设 ,都存在,那么=0.此时此刻我们来进一步探讨在在内可导的前提下 和之间的关系.下面的两个反例告知我们他们是无关条件,即在内有界可导,且有存在,但不必须存在,例如,那么,明显但是不存在.反之假设在内有界可导,且存在,但不必须存在,例如：,它在上有界且可微,且,所以=0,但是不存在.5.2原函数和可积函数之间的关系1可积但不必须存在原函数.例如黎曼函数,但是是没有原函数的,因为导函数没有第一类连续点且具有介值性,而黎曼函数在无理点连续,在有理点连续,并且是第一类连续点,况且没有介值性,因为取不到无理数,所以是没有原函数的.从这个例子中也可以看出有多数个连续点的函数也可能可积,进一步我们会知道黎曼可积的一个充要条件是几乎到处连续,因为有理点可列,明显黎曼函数符合要求.2.有原函数但不必须可积.例如,在区间上有原函数,但是在上不行积,因为在上无界.5.3 收敛和=0的关系1.无穷积分收敛,未必就有=0. 例如收敛,但是上例中我们看到在的过程中的取值有正有负,此时此刻我们来加强约束条件.2. 收敛,且是连续函数,未必就有=0. 例如此时,=1,所以收敛,是连续函数,但是0.我们可以看到上面构造的函数既不是单调函数也不是相同连续函数且都不存在,这并不是偶然,因为假设满意单调,相同连续,极限存在中的任何一条,那么必须有=0.再加强约束将上述条件改为0,仍旧不能确定=0.这时我们只要考虑函数=max,其中按上式中同样的方式定义.5.4可积和确定可积以及平方可积之间的关系1. 确定可积必可积9,反之不然. 例如=在上可积,但|=|在上不行积.2.可积未必平方可积. 例如收敛,但不收敛.这个结论的直观表达也很明显,因为条件可积很可能是因为正负项相消造成的,而一旦平方后就不存在正负项相消的现象,并且函数值增长的速度还会加快,最终导致不在收敛.3对瑕积分,平方可积必可积14;对无穷积分,平方可积未必可积. 例如=,明显在上可积,但在上不行积.要知道瑕积分和无穷积分的最大区分是,对瑕积分而言,当自变量趋于瑕点时,函数值必须是趋于无穷的,而平方会加快趋于无穷的速度,既然快速的都收敛了,慢速度的必须会收敛,这是对瑕积分平方可积必可积的一种直观说明.对于无穷积分而言,当=0时,平方会加快趋于零的速度,导致原来不收敛但是平方后就会收敛的现象,这是对无穷积分平方可积未必可积的一种直观说明.4对瑕积分,平方可积必确定可积10,反之不然;对无穷积分,确定可积和平方可积没有势必联系.例如：=,明显和|在上可积,但=在上不行积.平方可积未必确定可积的例子在3中已给出.现举例说明对于无穷积分来说,确定可积未必平方可积,许多书中为此列的例子是=,|在上可积,但在上不行积,我们会发觉,在上不行积是因为瑕积分引起的,而不是无穷积分的缘由,因为=+,发散,收敛,下面我们找寻一个只是无穷积分的例子,如：那么=1,但是=,所以发散.在这里要留意和级数的区分,我们知道对于级数来说,确定收敛平方必定收敛,因为就级数而言,假设收敛,通项必须趋于零,平方后最终趋于零的速度必须更快,所以必顶收敛,但是无穷积分不一样,对积分而言,只要最终面积趋于零的速度够快就可以,和函数值没有势必的联系,所以就会导致平方后面积趋于零的速度变慢,最终发散.从这也可以看出级数和无穷积分虽然存在很大联系,但是区分也是很大的.6.结论通过本文一些经典反例在数学分析中的应用,我们清晰的看到了反例构造的奇妙性和逻辑性,通过列举的这些反例,使我们对数学分析中简洁混淆的概念更加清晰,反例在说明逆命题的成立和否的作用是不言而喻的,本文列举的逆命题不真的反例使我们在另一个方面对定理或命题有了更全面的相识.当我们苦苦的要证明一个命题是正确的时候,我们首先是认为找不到反例推翻的,因为找到的话就不真了,所以反例的应用可以让我们少做许多无用功.本文对更加透彻全面的理解数学分析中的相关概念命题和定理以及对造就我们的数学思想都有很大促进作用.参 考 文 献1华东师范大学数学系.数学分析上册M(第三版).北京:高等教育出版社,2001.2华东师范大学数学系.数学分析下册M(第三版).北京:高等教育出版社,2001.3郑庆玉,郭政.数学分析方法M.北京:电子工业出版社,2010.4探究生入学考试试题探究组.探究生入学考试考点解析和真题详解-数学分析M.北京:电子工业出版社,2008.5裴礼文.数学分析中的典型问题和方法M.北京:高等教育出版社,2001.6明清河.数学分析的思想和方法M.山东:山东大学出版社,2004.7金秀山.谈微积分中的反例J.甘肃科技纵横.2006.1(4):1-7.8王俊青.数学分析中的反例M.西安:电子科技大学出版社,1996.9董海瑞.浅谈数学分析中反例的应用.太原大学教育学院学报.2009,zl期.10严镇军.从反面考虑问题M.安徽:中国科学技术大学出版社,1986. 11费定晖等.吉米多维奇数学分析习题集M.山东:山东科学技术出版社,2005. 12冯素芬.试论数学反例及其构造J.北京工业职业技术学院学报,2003.2(3):2-9.13 B. R. Gelbaum,J. M. H. Olmsted. Counterexamples in AnalysisM.Dover: Dover Publications Inc,2003.14 Vladimir A. Zorich . Mathematical analysisM.世界图书出版公司,2006.15 Tom M. Apostol. Mathematical analysisM. China Machine Press,2004.