学习笔记📓学习笔记高等数学高等数学 | 无穷远处趋于零的严格凹凸函数,在无限远处的性质
Prong无穷远处趋于零的严格凹凸函数,在无限远处的性质
问题描述
已知函数 f(x) 满足以下条件:
- x→+∞limf(x)=0
- f′′(x) 在 R 上恒不为零(即函数有确定的凹凸性)
本文将分类讨论 f′′(x)>0(严格凸)和 f′′(x)<0(严格凹)两种情况下,以下四个命题的成立情况:
- x→+∞limf′(x)=0
- f(x) 的单调性
- f(x) 的符号
- x→−∞limf(x)
- 级数 n=1∑∞f′(n) 的收敛性
详细分析
命题1: x→+∞limf′(x)=0 ✓ 恒成立
证明:
本命题的证明对 f′′(x)>0 和 f′′(x)<0 两种情况完全同构。
- 若 f′′(x)>0,则 f′(x) 严格单调递增。
- 若 f′′(x)<0,则 f′(x) 严格单调递减。
在两种情况下,f′(x) 均为严格单调函数,因此 x→+∞limf′(x) 存在(可能为有限值或无穷)。设 x→+∞limf′(x)=L。
情况1: 若 L>0
由极限定义,存在 x0∈R,使得当 x>x0 时,有 f′(x)>2L>0。
对任意 x>x0,由微积分基本定理:
f(x)=f(x0)+∫x0xf′(t)dt>f(x0)+2L(x−x0)
当 x→+∞ 时,右端趋于 +∞,故 x→+∞limf(x)=+∞,与已知矛盾。
情况2: 若 L<0
由极限定义,存在 x0∈R,使得当 x>x0 时,有 f′(x)<2L<0。
对任意 x>x0:
f(x)=f(x0)+∫x0xf′(t)dt<f(x0)+2L(x−x0)
当 x→+∞ 时,右端趋于 −∞,故 x→+∞limf(x)=−∞,与已知矛盾。
结论: 因此只能 L=0,即 x→+∞limf′(x)=0。
命题2: f(x) 的单调性
该性质依赖于 f′′(x) 的符号。
情况一: f′′(x)>0 (严格凸) → f′(x)<0 (严格递减)
证明:
已知 f′(x) 严格单调递增,且由命题1知 x→+∞limf′(x)=0。
一个严格单调递增的函数,其极限为0,那么该函数在整个定义域上的值必定恒小于0。
若存在某点 x0 使得 f′(x0)≥0,则对所有 x>x0,必有 f′(x)>f′(x0)≥0,这与 x→+∞limf′(x)=0 矛盾。
因此,对所有 x∈R,必有 f′(x)<0,即 f(x) 在 R 上严格单调递减。
情况二: f′′(x)<0 (严格凹) → f′(x)>0 (严格递增)
证明:
已知 f′(x) 严格单调递减,且 x→+∞limf′(x)=0。
一个严格单调递减的函数,其极限为0,那么该函数在整个定义域上的值必定恒大于0。
若存在某点 x0 使得 f′(x0)≤0,则对所有 x>x0,必有 f′(x)<f′(x0)≤0,这与 x→+∞limf′(x)=0 矛盾。
因此,对所有 x∈R,必有 f′(x)>0,即 f(x) 在 R 上严格单调递增。
命题3: f(x) 的符号
该性质是命题2的直接推论。
情况一: f′′(x)>0 → f(x)>0
证明:
由命题2,f(x) 在 R 上严格单调递减。结合已知条件 x→+∞limf(x)=0,可知函数是从上方趋近于0。
对任意 x0∈R,由于 f 严格递减,对所有 x>x0 都有 f(x0)>f(x)。
令 x→+∞,则 f(x0)≥x→+∞limf(x)=0。
若存在 f(x0)=0,则对所有 x>x0 都有 f(x)<0,这与 x→+∞limf(x)=0 矛盾。
因此对所有 x∈R,必有 f(x)>0。
情况二: f′′(x)<0 → f(x)<0
证明:
由命题2,f(x) 在 R 上严格单调递增。结合已知条件 x→+∞limf(x)=0,可知函数是从下方趋近于0。
对任意 x0∈R,由于 f 严格递增,对所有 x>x0 都有 f(x0)<f(x)。
令 x→+∞,则 f(x0)≤x→+∞limf(x)=0。
若存在 f(x0)=0,则对所有 x>x0 都有 f(x)>0,这与 x→+∞limf(x)=0 矛盾。
因此对所有 x∈R,必有 f(x)<0。
命题4: x→−∞limf(x)
情况一: f′′(x)>0 → x→−∞limf(x)=+∞
证明:
已知 f′(x)<0 且严格单调递增。取定 x0∈R,对任意 x<x0,由微积分基本定理:
f(x)=f(x0)−∫xx0f′(t)dt=f(x0)+∫xx0∣f′(t)∣dt
由于 f′(x) 单调递增且恒负,x→−∞limf′(x) 存在一个负值或为 −∞。在任何一种情况下,积分 ∫xx0∣f′(t)∣dt 当 x→−∞ 时都趋于 +∞。
因此,x→−∞limf(x)=+∞。
情况二: f′′(x)<0 → x→−∞limf(x)=−∞
证明:
已知 f′(x)>0 且严格单调递减。取定 x0∈R,对任意 x<x0:
f(x)=f(x0)−∫xx0f′(t)dt
由于 f′(x) 单调递减且恒正,x→−∞limf′(x) 存在一个正值或为 +∞。在任何一种情况下,积分 ∫xx0f′(t)dt 当 x→−∞ 时都趋于 +∞。
因此,x→−∞limf(x)=−∞。
命题5: 级数 n=1∑∞f′(n) 的收敛性 ✓ 恒成立
证明:
本命题的证明关键在于利用拉格朗日中值定理,并将级数 ∑f′(n) 与一个可判断敛散性的伸缩级数进行比较。
首先,考虑级数 n=1∑∞[f(n+1)−f(n)]。其部分和为:
SN=n=1∑N[f(n+1)−f(n)]=f(N+1)−f(1)
由于已知 x→+∞limf(x)=0,则 N→∞limSN=0−f(1)=−f(1)。
因此,级数 n=1∑∞[f(n+1)−f(n)] 收敛。
根据拉格朗日中值定理,对任意 n∈N∗,存在 ξn∈(n,n+1),使得:
f(n+1)−f(n)=f′(ξn)
接下来分两种情况讨论:
情况一: f′′(x)>0 (严格凸)
此时 f′(x) 严格单调递增且 f′(x)<0。
因此,对于 ξn∈(n,n+1),有 f′(n)<f′(ξn)<f′(n+1)<0。
结合中值定理,得到 f′(n)<f(n+1)−f(n)<f′(n+1)。
我们关心的是级数 ∑f′(n),这是一个负项级数。我们转而研究正项级数 ∑[−f′(n)] 的敛散性。
由上述不等式,两边同乘-1,得:
−f′(n)>−[f(n+1)−f(n)]>−f′(n+1)>0
即 0<−f′(n+1)<f(n)−f(n+1)。
考虑正项级数 n=1∑∞[f(n)−f(n+1)],其部分和为 f(1)−f(N+1),当 N→∞ 时极限为 f(1)。故该级数收敛。
根据正项级数的比较判别法,由于 0<−f′(n+1)<f(n)−f(n+1) 且 ∑[f(n)−f(n+1)] 收敛,可知级数 ∑[−f′(n+1)] 收敛,从而 ∑[−f′(n)] 也收敛。
因此,原级数 n=1∑∞f′(n) 收敛。
情况二: f′′(x)<0 (严格凹)
此时 f′(x) 严格单调递减且 f′(x)>0。
因此,对于 ξn∈(n,n+1),有 f′(n)>f′(ξn)>f′(n+1)>0。
结合中值定理,得到 f′(n)>f(n+1)−f(n)>f′(n+1)。
级数 ∑f′(n) 是一个正项级数。
由不等式 0<f′(n+1)<f(n+1)−f(n),以及我们已证的级数 ∑[f(n+1)−f(n)] 收敛。
根据正项级数的比较判别法,可知级数 ∑f′(n+1) 收敛,从而 ∑f′(n) 也收敛。
结论: 无论函数是严格凸还是严格凹,级数 n=1∑∞f′(n) 都收敛。
结论总结
下表总结了在给定条件下,函数由其凹凸性决定的核心性质:
| 性质推导 |
f′′(x)>0(严格凸) |
f′′(x)<0(严格凹) |
| 1. 导数极限 x→+∞limf′(x) |
0 |
0 |
| 2. 函数单调性 (f′(x) 符号) |
严格递减(f′(x)<0) |
严格递增(f′(x)>0) |
| 3. 函数值符号 (f(x) 符号) |
恒为正(f(x)>0) |
恒为负(f(x)<0) |
| 4. 负无穷极限 x→−∞limf(x) |
+∞ |
−∞ |
| 5. 导数级数 n=1∑∞f′(n) |
收敛 |
收敛 |
几何直观理解
情况一: f′′(x)>0 (严格凸)
函数图像是一条开口向上、严格递减的光滑曲线。它从左上方的无穷远处延伸而来,在右侧无限趋近于 x 轴(作为水平渐近线)但永不触及。
- 典型例子: f(x)=e−x
- f′(x)=−e−x<0
- f′′(x)=e−x>0
- x→+∞lime−x=0
情况二: f′′(x)<0 (严格凹)
函数图像是一条开口向下、严格递增的光滑曲线。它从左下方的无穷远处延伸而来,在右侧无限趋近于 x 轴但永不触及。
- 典型例子: f(x)=−e−x
- f′(x)=e−x>0
- f′′(x)=−e−x<0
- x→+∞lim−e−x=0
关键推理链
本题的证明形成了两条平行的、由凹凸性决定的逻辑链:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
| f''(x) > 0 (凸) f''(x) < 0 (凹) │ │ ▼ ▼ f'(x) 严格递增 f'(x) 严格递减 │ │ └─────────┐ ┌─────────────┘ │ │ ▼ ▼ lim_{x→+∞} f(x) = 0 │ ▼ lim_{x→+∞} f'(x) = 0 (共同结论) │ ┌───────────┴────────────────┐ ▼ ▼ f'(x) < 0 (递减) f'(x) > 0 (递增) │ │ ▼ ▼ f(x) > 0 (值恒正) f(x) < 0 (值恒负) │ │ ▼ ▼ lim_{x→-∞}f(x)=+∞ lim_{x→-∞}f(x)=-∞ │ │ ▼ ▼ Σf'(n) 收敛 Σf'(n) 收敛
|
核心洞察: 函数在无穷远处的极限行为,结合其全局的凹凸性,几乎完全决定了函数导数、函数值以及另一端极限的性质。初始条件的微小改变(二阶导数符号反转)会导致后续推论的系统性反转。而导数形成的级数 ∑f′(n) 的收敛性则是一个更深层次的、不受凹凸性影响的共同特征。
函数图像示例
情况一 (f′′(x)>0) 的典型图像:

若改为: