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

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)f(x) 满足以下条件:

  • limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0
  • f(x)f''(x)R\mathbb{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)>0f''(x) > 0(严格凸)和 f(x)<0f''(x) < 0(严格凹)两种情况下,以下四个命题的成立情况:

  1. limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0
  2. f(x)f(x) 的单调性
  3. f(x)f(x) 的符号
  4. limxf(x)\lim\limits_{x \to -\infty} f(x)
  5. 级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^{\infty} f'(n) 的收敛性

详细分析

命题1: limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0恒成立

证明:
本命题的证明对 f(x)>0f''(x) > 0f(x)<0f''(x) < 0 两种情况完全同构。

  • f(x)>0f''(x) > 0,则 f(x)f'(x) 严格单调递增。
  • f(x)<0f''(x) < 0,则 f(x)f'(x) 严格单调递减。

在两种情况下,f(x)f'(x) 均为严格单调函数,因此 limx+f(x)\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) 存在(可能为有限值或无穷)。设 limx+f(x)=L\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = L

情况1:L>0L > 0
由极限定义,存在 x0Rx_0 \in \mathbb{R},使得当 x>x0x > x_0 时,有 f(x)>L2>0f'(x) > \frac{L}{2} > 0
对任意 x>x0x > x_0,由微积分基本定理:

f(x)=f(x0)+x0xf(t)dt>f(x0)+L2(xx0)f(x) = f(x_0) + \int_{x_0}^{x} f'(t) \, dt > f(x_0) + \frac{L}{2}(x - x_0)

x+x \to +\infty 时,右端趋于 ++\infty,故 limx+f(x)=+\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = +\infty,与已知矛盾。

情况2:L<0L < 0
由极限定义,存在 x0Rx_0 \in \mathbb{R},使得当 x>x0x > x_0 时,有 f(x)<L2<0f'(x) < \frac{L}{2} < 0
对任意 x>x0x > x_0

f(x)=f(x0)+x0xf(t)dt<f(x0)+L2(xx0)f(x) = f(x_0) + \int_{x_0}^{x} f'(t) \, dt < f(x_0) + \frac{L}{2}(x - x_0)

x+x \to +\infty 时,右端趋于 -\infty,故 limx+f(x)=\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = -\infty,与已知矛盾。

结论: 因此只能 L=0L = 0,即 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0


命题2: f(x)f(x) 的单调性

该性质依赖于 f(x)f''(x) 的符号。

情况一: f(x)>0f''(x) > 0 (严格凸) → f(x)<0f'(x) < 0 (严格递减)

证明:
已知 f(x)f'(x) 严格单调递增,且由命题1知 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(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 x0x_0 使得 f(x0)0f'(x_0) \geq 0,则对所有 x>x0x > x_0,必有 f(x)>f(x0)0f'(x) > f'(x_0) \geq 0,这与 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0 矛盾。
因此,对所有 xRx \in \mathbb{R},必有 f(x)<0f'(x) < 0,即 f(x)f(x)R\mathbb{R} 上严格单调递减。

情况二: f(x)<0f''(x) < 0 (严格凹) → f(x)>0f'(x) > 0 (严格递增)

证明:
已知 f(x)f'(x) 严格单调递减,且 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(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 x0x_0 使得 f(x0)0f'(x_0) \leq 0,则对所有 x>x0x > x_0,必有 f(x)<f(x0)0f'(x) < f'(x_0) \leq 0,这与 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) = 0 矛盾。
因此,对所有 xRx \in \mathbb{R},必有 f(x)>0f'(x) > 0,即 f(x)f(x)R\mathbb{R} 上严格单调递增。


命题3: f(x)f(x) 的符号

该性质是命题2的直接推论。

情况一: f(x)>0f''(x) > 0f(x)>0f(x) > 0

证明:
由命题2,f(x)f(x)R\mathbb{R} 上严格单调递减。结合已知条件 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0,可知函数是从上方趋近于0。
对任意 x0Rx_0 \in \mathbb{R},由于 ff 严格递减,对所有 x>x0x > x_0 都有 f(x0)>f(x)f(x_0) > f(x)
x+x \to +\infty,则 f(x0)limx+f(x)=0f(x_0) \geq \lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0
若存在 f(x0)=0f(x_0)=0,则对所有 x>x0x > x_0 都有 f(x)<0f(x) < 0,这与 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0 矛盾。
因此对所有 xRx \in \mathbb{R},必有 f(x)>0f(x) > 0

情况二: f(x)<0f''(x) < 0f(x)<0f(x) < 0

证明:
由命题2,f(x)f(x)R\mathbb{R} 上严格单调递增。结合已知条件 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0,可知函数是从下方趋近于0。
对任意 x0Rx_0 \in \mathbb{R},由于 ff 严格递增,对所有 x>x0x > x_0 都有 f(x0)<f(x)f(x_0) < f(x)
x+x \to +\infty,则 f(x0)limx+f(x)=0f(x_0) \leq \lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0
若存在 f(x0)=0f(x_0)=0,则对所有 x>x0x > x_0 都有 f(x)>0f(x) > 0,这与 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0 矛盾。
因此对所有 xRx \in \mathbb{R},必有 f(x)<0f(x) < 0


命题4: limxf(x)\lim\limits_{x \to -\infty} f(x)

情况一: f(x)>0f''(x) > 0limxf(x)=+\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = +\infty

证明:
已知 f(x)<0f'(x) < 0 且严格单调递增。取定 x0Rx_0 \in \mathbb{R},对任意 x<x0x < x_0,由微积分基本定理:

f(x)=f(x0)xx0f(t)dt=f(x0)+xx0f(t)dtf(x) = f(x_0) - \int_{x}^{x_0} f'(t) \, dt = f(x_0) + \int_{x}^{x_0} |f'(t)| \, dt

由于 f(x)f'(x) 单调递增且恒负,limxf(x)\lim\limits_{x \to -\infty} f'(x) 存在一个负值或为 -\infty。在任何一种情况下,积分 xx0f(t)dt\int_{x}^{x_0} |f'(t)| \, dtxx \to -\infty 时都趋于 ++\infty
因此,limxf(x)=+\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = +\infty

情况二: f(x)<0f''(x) < 0limxf(x)=\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = -\infty

证明:
已知 f(x)>0f'(x) > 0 且严格单调递减。取定 x0Rx_0 \in \mathbb{R},对任意 x<x0x < x_0

f(x)=f(x0)xx0f(t)dtf(x) = f(x_0) - \int_{x}^{x_0} f'(t) \, dt

由于 f(x)f'(x) 单调递减且恒正,limxf(x)\lim\limits_{x \to -\infty} f'(x) 存在一个正值或为 ++\infty。在任何一种情况下,积分 xx0f(t)dt\int_{x}^{x_0} f'(t) \, dtxx \to -\infty 时都趋于 ++\infty
因此,limxf(x)=\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) = -\infty


命题5: 级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^{\infty} 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)\sum 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)]\sum\limits_{n=1}^{\infty} [f(n+1) - f(n)]。其部分和为:

SN=n=1N[f(n+1)f(n)]=f(N+1)f(1)S_N = \sum\limits_{n=1}^{N} [f(n+1) - f(n)] = f(N+1) - f(1)

由于已知 limx+f(x)=0\lim\limits_{x \to +\infty} f(x) = 0,则 limNSN=0f(1)=f(1)\lim\limits_{N \to \infty} S_N = 0 - f(1) = -f(1)
因此,级数 n=1[f(n+1)f(n)]\sum\limits_{n=1}^{\infty} [f(n+1) - f(n)] 收敛。

根据拉格朗日中值定理,对任意 nNn \in \mathbb{N}^*,存在 ξn(n,n+1)\xi_n \in (n, n+1),使得:

f(n+1)f(n)=f(ξn)f(n+1) - f(n) = f'(\xi_n)

接下来分两种情况讨论:

情况一: f(x)>0f''(x) > 0 (严格凸)

此时 f(x)f'(x) 严格单调递增且 f(x)<0f'(x) < 0
因此,对于 ξn(n,n+1)\xi_n \in (n, n+1),有 f(n)<f(ξn)<f(n+1)<0f'(n) < f'(\xi_n) < f'(n+1) < 0
结合中值定理,得到 f(n)<f(n+1)f(n)<f(n+1)f'(n) < f(n+1) - f(n) < f'(n+1)

我们关心的是级数 f(n)\sum f'(n),这是一个负项级数。我们转而研究正项级数 [f(n)]\sum [-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-f'(n) > -[f(n+1) - f(n)] > -f'(n+1) > 0

0<f(n+1)<f(n)f(n+1)0 < -f'(n+1) < f(n) - f(n+1)

考虑正项级数 n=1[f(n)f(n+1)]\sum\limits_{n=1}^{\infty} [f(n) - f(n+1)],其部分和为 f(1)f(N+1)f(1) - f(N+1),当 NN \to \infty 时极限为 f(1)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)0 < -f'(n+1) < f(n) - f(n+1)[f(n)f(n+1)]\sum [f(n) - f(n+1)] 收敛,可知级数 [f(n+1)]\sum [-f'(n+1)] 收敛,从而 [f(n)]\sum [-f'(n)] 也收敛。
因此,原级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^{\infty} f'(n) 收敛。

情况二: f(x)<0f''(x) < 0 (严格凹)

此时 f(x)f'(x) 严格单调递减且 f(x)>0f'(x) > 0
因此,对于 ξn(n,n+1)\xi_n \in (n, n+1),有 f(n)>f(ξn)>f(n+1)>0f'(n) > f'(\xi_n) > f'(n+1) > 0
结合中值定理,得到 f(n)>f(n+1)f(n)>f(n+1)f'(n) > f(n+1) - f(n) > f'(n+1)

级数 f(n)\sum f'(n) 是一个正项级数。
由不等式 0<f(n+1)<f(n+1)f(n)0 < f'(n+1) < f(n+1) - f(n),以及我们已证的级数 [f(n+1)f(n)]\sum [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)\sum f'(n+1) 收敛,从而 f(n)\sum f'(n) 也收敛。

结论: 无论函数是严格凸还是严格凹,级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^{\infty} 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)>0f''(x) > 0(严格凸) f(x)<0f''(x) < 0(严格凹)
1. 导数极限 limx+f(x)\lim\limits_{x \to +\infty} f'(x) 00 00
2. 函数单调性 (f(x)f'(x) 符号) 严格递减(f(x)<0f'(x) < 0 严格递增(f(x)>0f'(x) > 0
3. 函数值符号 (f(x)f(x) 符号) 恒为正(f(x)>0f(x) > 0 恒为负(f(x)<0f(x) < 0
4. 负无穷极限 limxf(x)\lim\limits_{x \to -\infty} f(x) ++\infty -\infty
5. 导数级数 n=1f(n)\sum\limits_{n=1}^{\infty} f'(n) 收敛 收敛

几何直观理解

情况一: f(x)>0f''(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 xx 轴(作为水平渐近线)但永不触及。

  • 典型例子: f(x)=exf(x) = e^{-x}
    • f(x)=ex<0f'(x) = -e^{-x} < 0
    • f(x)=ex>0f''(x) = e^{-x} > 0
    • limx+ex=0\lim\limits_{x \to +\infty} e^{-x} = 0

情况二: f(x)<0f''(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 xx 轴但永不触及。

  • 典型例子: f(x)=exf(x) = -e^{-x}
    • f(x)=ex>0f'(x) = e^{-x} > 0
    • f(x)=ex<0f''(x) = -e^{-x} < 0
    • limx+ex=0\lim\limits_{x \to +\infty} -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
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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)\sum 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)>0f''(x) > 0) 的典型图像:
函数 f(x) = e^{-x} 的图像

若改为: