Analyse II — Dérivabilité & Formules de Taylor

法语数学分析讲义 · 以法语为主,辅以中文翻译 Pour 3ème Semestre(北航中法工程师学院 第三学期)

来源:讲义《ANALYSE II — DÉRIVABILITÉ》(2019-09-03)与《ANALYSE II — Formules de Taylor / Développements limités》(2018-11-08)。内容按原讲义章节顺序忠实整理;原为 PPT 图形的示意图以〔图〕说明代替。

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I-1Introduction et exemples引言与实例:瞬时速度、弹道、曲线的逼近

Cadre / 框架:\(I\) : intervalle de \(\mathbb{R}\)(\(I\) 为 \(\mathbb{R}\) 中的一个区间);\(f\) : une fonction dans \(I\) à valeur réelle(\(f\) 为 \(I\) 上的实值函数)。
本节以物理速度与弹道问题引入「变化率取极限」的思想,再以两个几何例子(弦逼近、仿射逼近)说明用直线局部逼近曲线的动机。
Exemple 1.1La vitesse instantanée(瞬时速度) d’un mouvement non-uniforme(非匀速运动)〔图:(a)–(d) 瞬时速度示意〕

\(s = s(t)\) : la distance parcourue au temps écoulé. La vitesse moyenne(平均速度) :

\[v = \frac{s(t)-s(t_1)}{t-t_1} = \frac{\Delta s}{\Delta t}\]

La vitesse instantanée :

\[v(t_1) = \lim_{t\to t_1}\frac{s(t)-s(t_1)}{t-t_1}, \qquad \text{notée } s'(t_1).\]
例 1.1 非匀速运动的瞬时速度。\(s=s(t)\) 为随时间走过的路程。平均速度 \(v=\dfrac{\Delta s}{\Delta t}\);瞬时速度为平均速度当 \(t\to t_1\) 的极限,记作 \(s'(t_1)\)。
Exemple 1.2(Balistique)(弹道学)

La position au temps est donnée par \(y(x) = -4{,}9x^2 + 6{,}5x + 10\). Sur l’intervalle \(\left[0\,;\,\tfrac{65}{49}\right]\), la vitesse moyenne est \(0\).

Considérons la vitesse moyenne au temps \(x=2\) quand \(\Delta x \to 0\) :

\[v = \frac{y(2+\Delta x)-y(2)}{\Delta x}, \qquad \Delta x = \pm 0{,}1,\ \pm 0{,}01,\ \pm 0{,}001,\ \pm 0{,}0001,\ \dots\]

On a alors, quand \(\Delta x\to 0^{-}\) : \(v = -12{,}61;\ -13{,}051;\ -13{,}0951;\ -13{,}0995;\dots\), et quand \(\Delta x\to 0^{+}\) : \(v = -13{,}59;\ -13{,}149;\ -13{,}1049;\ -13{,}10049;\dots\), donc \(v \to -13{,}1\).

En général, quelle est la vitesse au temps \(x = x_0\) ? \(\;v(x_0) = \displaystyle\lim_{\Delta x\to 0}\frac{y(x_0+\Delta x)-y(x_0)}{\Delta x}\).

例 1.2(弹道) 位置函数 \(y(x)=-4{,}9x^2+6{,}5x+10\)。在区间 \([0;\,65/49]\) 上平均速度为 \(0\)(抛出与落回同一高度)。考察 \(x=2\) 处、\(\Delta x\to0\) 时的平均速度:取 \(\Delta x\) 依次为 \(\pm0{,}1,\pm0{,}01,\dots\),从两侧逼近时 \(v\) 分别取 \(-12{,}61,\dots\) 与 \(-13{,}59,\dots\),都趋于 \(-13{,}1\)。一般地,时刻 \(x_0\) 的速度即该差商的极限。
Exemple 1.3L’approximation par une corde〔图〕

Soit \(f\) une fonction continue(连续) en \(a\), alors \(\displaystyle\lim_{x\to a} f(x) = f(a)\) est une approximation(逼近) de \(f\), peu précise. En remplaçant \(f\) au voisinage(邻域) de \(a\) par une corde(弦/割线) passant par le point de coordonnées \((a; f(a))\) …

例 1.3 设 \(f\) 在 \(a\) 连续,则「\(\lim_{x\to a}f(x)=f(a)\)」只是对 \(f\) 的一个精度很低的逼近。可以把 \(f\) 在 \(a\) 邻域内的图像换成过点 \((a,f(a))\) 的弦(割线)来近似。
Exemple 1.4(L’approximation affine)(仿射逼近)〔图:(a)–(d) 仿射逼近〕

Soit \(f\) une fonction continue en \(a\) : son graphe, au voisinage de \(a\), est approché par une droite affine — l’interprétation géométrique sera la tangente à la courbe au point \(a\).

例 1.4(仿射逼近) 用一条仿射直线(一次函数)在 \(a\) 附近逼近 \(f\) 的图像;其几何解释就是曲线在 \(a\) 点的切线(见 I-2)。
Exemple 1.5Un contre-exemple

Soit \(f(x) = \begin{cases} x\sin\dfrac{1}{x}, & x \neq 0,\\[2mm] 0, & x = 0.\end{cases}\)

\(f\) est continue sur \(\mathbb{R}\), mais elle n’est pas dérivable en \(0\), car la fonction \(\displaystyle\varphi(x) = \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \sin\frac{1}{x}\) n’a pas de limite(极限) en \(0\). On peut le montrer à l’aide des suites(数列) :

\[u_n = \frac{1}{2n\pi + \frac{\pi}{2}}, \qquad v_n = \frac{1}{2n\pi + \frac{3\pi}{2}}, \qquad n\in\mathbb{N}:\]

\(u_n, v_n \to 0\) quand \(n \to +\infty\), et \(\lim \varphi(u_n) = 1,\ \lim \varphi(v_n) = -1\).

例 1.5 \(f(x)=x\sin\frac1x\)(补充定义 \(f(0)=0\))在 \(\mathbb{R}\) 上连续,但在 \(0\) 处不可导:差商 \(\varphi(x)=\sin\frac1x\) 在 \(0\) 处没有极限。取序列 \(u_n=\frac{1}{2n\pi+\pi/2}\)、\(v_n=\frac{1}{2n\pi+3\pi/2}\),二者都趋于 \(0\),而 \(\varphi(u_n)\to 1\)、\(\varphi(v_n)\to -1\),由 Heine 定理知极限不存在。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-1)

Terme中文备注
intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\)区间讨论函数可导性的载体
mouvement non-uniforme非匀速运动
vitesse moyenne平均速度差商 \(\Delta s/\Delta t\)
vitesse instantanée瞬时速度差商的极限
balistique弹道学
corde / sécante弦 / 割线过曲线上两点的直线
approximation affine仿射逼近(一次逼近)用直线局部代替曲线
voisinage邻域
suite数列例 1.5 用 Heine 定理(序列法)说明极限不存在

I-2Taux d’accroissement, dérivée, tangente改变率、导数、切线及其线性化表达

Définition 1.1Taux d’accroissement(函数增量改变率)

\(f,\ a\in I\) : \(\tau_{f,a} : I\setminus\{a\}\to\mathbb{R},\ \displaystyle x \mapsto \frac{f(x)-f(a)}{x-a}\) est dite taux d’accroissement(改变率) de la fonction au point \(a\). \(\tau_{f,a}(b)\) est la pente de la corde(弦的斜率) \(AB\).

定义 1.1(改变率) 函数 \(f\) 在点 \(a\) 的改变率是差商函数 \(\tau_{f,a}(x)=\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}\)。它在 \(b\) 点的值就是连接 \(A=(a,f(a))\)、\(B=(b,f(b))\) 两点弦(割线)的斜率。
Définition 1.2Dérivabilité et nombre dérivé(导数)

On dit que \(f\) est dérivable en \(a\)(可导) si le taux d’accroissement \(\tau_{f,a}\) possède une limite finie(有限极限) en \(a\) ; cette limite est appelée le nombre dérivé(导数)de \(f\) en \(a\). Noté \(f'(a)\), \(Df(a)\), \(\dfrac{df}{dx}(a)\)(即 \(f\) 在 \(a\) 点对 \(x\) 的导数 \(\frac{df}{dx}(a)\)).

定义 1.2(可导与导数) 若改变率在 \(a\) 处存在有限极限,则称 \(f\) 在 \(a\) 可导;该极限称为 \(f\) 在 \(a\) 的导数,记 \(f'(a)\)、\(Df(a)\) 或 \(\dfrac{df}{dx}(a)\)。
RemarqueLa tangente à la courbe \(f\) au point \(a\)

\[y = f(a) + f'(a)(x-a).\]

Si \(\tau_{f,a} = +\infty\)(ou \(-\infty\)), on dit que \(f\) admet une tangente verticale(垂直切线) en \(a\) ; si \(f'(a) = 0\), on dit que \(f\) admet une tangente horizontale(水平切线) en \(a\).

曲线在 \(a\) 点的切线方程为 \(y = f(a)+f'(a)(x-a)\)。若改变率趋于无穷,则称 \(f\) 在 \(a\) 有垂直切线;若 \(f'(a)=0\),则有水平切线。
Formes équivalentesLa linéarisation(线性化)

\(\lim\limits_{x\to a}\big(f(x)-f(a)-f'(a)(x-a)\big)=0\). Pour tout \(x \in I\), posons \(\varepsilon_0 = \tau_{f,a}\), et \(\varepsilon_1(x) = \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} - f'(a)\) pour \(x\neq a\), \(\varepsilon_1(a)=0\). Alors \(\varepsilon_1(x)\to 0\) quand \(x\to a\). En écrivant

  • (a) \(f(x) = f(a) + (x-a)\,\varepsilon_0(x),\ \forall x\in I\) ;
  • (b) \(f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + (x-a)\,\varepsilon_1(x),\ \forall x\in I\).

\((x-a)\varepsilon_1(x)\) tend vers \(0\) plus vite que \(\varepsilon_0\). On dit que (b) est une meilleure approximation de \(f\) que (a).

等价形式(线性化):令 \(\varepsilon_1(x)=\tau_{f,a}(x)-f'(a)\)(\(x\ne a\)),\(\varepsilon_1(a)=0\),则 \(x\to a\) 时 \(\varepsilon_1(x)\to 0\)。于是可写成 (a) \(f(x)=f(a)+(x-a)\varepsilon_0(x)\)(\(\varepsilon_0\) 即改变率),或 (b) \(f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+(x-a)\varepsilon_1(x)\)。因为 \((x-a)\varepsilon_1(x)\) 是比(一阶无穷小意义上的)误差更高阶的无穷小,所以 (b) 是比 (a) 更好的逼近——即「带 Peano 余项 \(o(x-a)\) 的一阶展开」。
Définition 1.3(导数定义之等价形式)

\(f\) est dérivable en \(a\) et de dérivée \(f'(a)=l\) ssi(当且仅当) il existe \(\varepsilon : I \to \mathbb{R}\), \(\varepsilon \to 0\) en \(a\), tel que

\[\forall x \in I,\quad f(x) = f(a) + l(x-a) + \varepsilon(x)(x-a);\]

ou, ce qui revient au même, il existe \(\varepsilon\) définie sur un voisinage de \(0\), \(\varepsilon \to 0\) en \(0\), telle que \(\forall h\) : \(f(a+h) = f(a) + lh + \varepsilon(h)\,h\).

定义 1.3 \(f\) 在 \(a\) 可导且 \(f'(a)=l\) 的充要条件是:存在在 \(a\) 处趋于 \(0\) 的函数 \(\varepsilon\),使 \(f(x)=f(a)+l(x-a)+\varepsilon(x)(x-a)\);等价地,存在定义在 \(0\) 邻域内、\(h\to0\) 时趋于 \(0\) 的 \(\varepsilon\),使 \(f(a+h)=f(a)+lh+\varepsilon(h)h\)。这就是「可导 ⟺ 存在带 \(o(h)\) 余项的一阶展开」。
Exemple 1.6

1. Soient \(\lambda \in \mathbb{R}\), \(f : x \mapsto x + \lambda\). \(f\) est dérivable en tout point \(a\in\mathbb{R}\) et on obtient \(f'(a) = 1\).

2. Étudier la dérivabilité de la fonction \(f : x \mapsto \sqrt{x}\) en \(a \in \mathbb{R}_+\).

Si \(a > 0\), elle est dérivable en \(a\) et \(\displaystyle f'(a) = \lim_{x\to a}\frac{\sqrt{x}-\sqrt{a}}{x-a} = \lim_{x\to a}\frac{1}{\sqrt{x}+\sqrt{a}} = \frac{1}{2\sqrt{a}}\).

Si \(a = 0\), elle n’est pas dérivable en \(0\), car \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sqrt{x}-0}{x} = \lim_{x\to 0}\frac{1}{\sqrt{x}} = +\infty\) : \(x = 0\) est une tangente verticale de \(y=\sqrt{x}\).

例 1.6 1. 平移函数 \(f(x)=x+\lambda\) 在每一点可导且导数为 \(1\)。2. 考察 \(f(x)=\sqrt{x}\) 在 \(a\in\mathbb{R}_+\) 的可导性:当 \(a>0\) 时分子有理化得 \(f'(a)=\dfrac{1}{2\sqrt a}\);当 \(a=0\) 时差商趋于 \(+\infty\),故不可导,但曲线在原点有垂直切线。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-2)

Terme中文备注
taux d’accroissement改变率(差商)\(\tau_{f,a}(x)=\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\)
dérivable (en \(a\))(在 \(a\) 点)可导
nombre dérivé导数(一个数)\(f'(a),\ Df(a),\ \frac{df}{dx}(a)\)
tangente (à la courbe au point \(a\))(曲线在 \(a\) 点的)切线
tangente verticale / horizontale垂直切线 / 水平切线改变率 \(\to\infty\) / \(f'(a)=0\)
pente de la corde \(AB\)弦 \(AB\) 的斜率
linéarisation线性化带 \(o(x-a)\) 的一阶逼近
ssi (si et seulement si)当且仅当

I-3Dérivées à droite et à gauche ; caractère local de la dérivabilité左右导数;可导性的局部性质

Définition 1.4Dérivées à droite et à gauche

On dit que \(f\) est dérivable à droite(右可导) en \(a\) si \(\varphi = f|_{I\cap[a;+\infty[}\) est dérivable en \(a\) ; la quantité \(\varphi'(a)\) s’appelle dérivée à droite(右导数) de \(f\) en \(a\) et se note \(f'_d(a)\) ou \(f'_+(a)\).

On dit que \(f\) est dérivable à gauche(左可导) en \(a\) si \(\varphi = f|_{I\cap]-\infty;a]}\) est dérivable en \(a\) ; la quantité \(\varphi'(a)\) s’appelle dérivée à gauche(左导数) de \(f\) en \(a\) et se note \(f'_g(a)\) ou \(f'_-(a)\).

定义 1.4(左右导数) 若 \(\varphi = f\) 在 \(I\cap[a;+\infty[\) 上的限制(restriction,限制)在 \(a\) 可导,则称 \(f\) 在 \(a\) 右可导;量 \(\varphi'(a)\) 称为 \(f\) 在 \(a\) 的右导数,记作 \(f'_d(a)\) 或 \(f'_+(a)\)。若 \(\varphi = f\) 在 \(I\cap]-\infty;a]\) 上的限制在 \(a\) 可导,则称 \(f\) 在 \(a\) 左可导;量 \(\varphi'(a)\) 称为 \(f\) 在 \(a\) 的左导数,记作 \(f'_g(a)\) 或 \(f'_-(a)\)。
原讲义在定义左导数一句中误写为 « dérivée à droite »(右导数),应为 « dérivée à gauche »(左导数);此处按定义本意更正。
Proposition 1.1

Si \(a\) n’est pas une borne(端点) de \(I\), la fonction \(f\) est dérivable en \(a\) ssi elle est dérivable à droite et à gauche en \(a\) et \(f'_d(a) = f'_g(a)\).

Proof. D’après la définition de la dérivabilité, on a : \(\tau_{f,a}\) possède une limite en \(a\), ssi elle y possède des limites à droite et à gauche qui sont égales. ∎

命题 1.1 若 \(a\) 不是区间 \(I\) 的端点,则 \(f\) 在 \(a\) 可导 \(\iff\) \(f\) 在 \(a\) 左右皆可导且左、右导数相等。证明:极限存在 ⟺ 左右极限存在且相等。∎

Remarque 注:此判据的两种用法(Nous l’utilisons pour):1° 证明函数不可导(左右导数存在但不相等);2° 反之,证明函数确实可导。

Exemple 1.7

1. \(f(x) = \begin{cases} \exp\!\left(-\frac{1}{x}\right), & x > 0,\\ 0, & x \leqslant 0,\end{cases}\) est dérivable en \(0\) et \(f'(0) = 0\).

2. \(f(x) = |x|\) n’est pas dérivable en \(0\), car on a \(f'_d(0) = 1 \neq f'_g(0) = -1\).

例 1.7 1. \(f(x)=\exp(-1/x)\)(当 \(x>0\))且 \(f(x)=0\)(当 \(x\leqslant 0\)):\(f\) 在 \(0\) 可导且 \(f'(0)=0\)(右差商 \(\frac{e^{-1/h}}{h}\to 0\))。2. \(f(x)=|x|\) 在 \(0\) 不可导,因为 \(f'_d(0)=1 \neq f'_g(0)=-1\)。
Proposition 1.2Caractère local(局部性) de la dérivabilité

Si \(f\) coïncide(重合) au voisinage de \(a\) avec une fonction \(g\) dérivable en \(a\), alors \(f\) est dérivable en \(a\) et \(f'(a) = g'(a)\).

Proof. Comme \(f\) coïncide avec \(g\) au voisinage de \(a\), alors \(\tau_{f,a} = \tau_{g,a}\), ce qui prouve le résultat. ∎

命题 1.2(可导性的局部性质) 若 \(f\) 在 \(a\) 的邻域内与一个在 \(a\) 可导的函数 \(g\) 重合,则 \(f\) 在 \(a\) 可导,且 \(f'(a)=g'(a)\)。证明:由于 \(f\) 在 \(a\) 的邻域内与 \(g\) 重合,故 \(\tau_{f,a}=\tau_{g,a}\),这就证明了结论。∎
Exemple 1.8

\(f(x) = |x^2 - 1|\), \(x \in \mathbb{R}\), est dérivable en \(2\) : pour \(|x-2| \leqslant 1\), on a \(f(x)\) coïncide avec la fonction polynomial \(g(x) = x^2 - 1\) au voisinage de \(2\). Sachant que cette fonction polynôme est dérivable en \(2\) et que \(g'(2) = 4\), on en déduit que \(f\) est dérivable en \(2\) et que \(f'(2) = 4\).〔图:\(y=|x^2-1|\)〕

De même, \(f\) n’est pas dérivable en \(1\) : car pour \(x \geqslant 1\), on a \(f(x) = x^2 - 1\), de dérivée droite \(f'_d(1) = 2\) ; et pour \(x \in [-1;1[\), on a \(f(x) = 1 - x^2\), de dérivée gauche \(f'_g(1) = -2\). Or \(2 \neq -2\), donc \(f\) n’est pas dérivable en \(1\).

例 1.8 \(f(x)=|x^2-1|\):在 \(2\) 点附近(\(|x-2|\le1\))\(f\) 与多项式 \(g(x)=x^2-1\) 重合,\(g'(2)=4\),由命题 1.2 得 \(f\) 在 \(2\) 可导且 \(f'(2)=4\)。在 \(1\) 点:右侧 \(f=x^2-1\)(右导数 \(2\)),左侧(\(-1\lt x\lt 1\))\(f=1-x^2\)(左导数 \(-2\)),不相等,故在 \(1\) 不可导。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-3)

Terme中文备注
dérivable à droite / à gauche右可导 / 左可导限制到 \([a,+\infty[\, /\, ]-\infty,a]\)
dérivée à droite / à gauche右导数 / 左导数\(f'_d(a), f'_+(a)\) / \(f'_g(a), f'_-(a)\)
borne (d’un intervalle)(区间的)端点命题 1.1 要求 \(a\) 不是端点
coïncider au voisinage de \(a\)在 \(a\) 的邻域内重合可导性只取决于局部行为
restriction \(f|_{J}\)限制(到子集 \(J\) 上)

I-4Dérivabilité et continuité ; fonction dérivée ; classe \(C^1\)可导与连续、导函数、\(C^1\) 类

Proposition 1.3

Si \(f\) est dérivable en \(a\), alors elle est continue en \(a\).(函数在 \(a\) 点可导,必然在 \(a\) 点连续)

Proof. Si \(f\) est dérivable en \(a\), alors d’après la définition de la dérivabilité, il existe une fonction \(\varepsilon\) définie sur \(I\) telle que

\[f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + (x-a)\,\varepsilon(x), \qquad \lim_{x\to a}\varepsilon(x) = 0.\]

Par passage à la limite dans cette égalité, on obtient \(\lim_{x\to a} f(x) = f(a)\), c.-à-d. \(f\) est continue en \(a\). ∎

命题 1.3 若 \(f\) 在 \(a\) 可导,则 \(f\) 在 \(a\) 连续。(函数在 \(a\) 点可导,必然在 \(a\) 点连续)证明:若 \(f\) 在 \(a\) 可导,则由可导性的定义,存在定义在 \(I\) 上的函数 \(\varepsilon\),使得 \(f(x)=f(a)+f'(a)(x-a)+(x-a)\varepsilon(x)\),且 \(\lim_{x\to a}\varepsilon(x)=0\)。对该等式取极限,即得 \(\lim_{x\to a}f(x)=f(a)\),亦即 \(f\) 在 \(a\) 连续。∎
Remarques
  • 1. On obtient un résultat similaire avec la dérivabilité à droite (ou à gauche) et la continuité à droite (ou à gauche).
  • 2. Une fonction peut être continue en \(a\) sans être dérivable en \(a\).(连续不一定可导)
注:1. 对右(左)可导与右(左)连续,可得到类似的结果。2. 函数可以在 \(a\) 连续而不在 \(a\) 可导。(连续不一定可导)
Exemple 1.9

\(f(x) = \begin{cases} x^2, & \text{si } x \in \mathbb{Q},\\ 0, & \text{sinon}.\end{cases}\)

\(f\) est bien définie sur \(\mathbb{R}\) ; elle n’est continue qu’en \(0\). En \(0\) :

\[\lim_{h\to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} = \lim_{h\to 0}\frac{h^2}{h} = \lim_{h\to 0} h = 0 \ (\text{si } h\in\mathbb{Q}), \qquad \lim_{h\to 0}\frac{0}{h} = 0 \ (\text{sinon}),\]

donc \(f\) est dérivable en \(0\) avec \(f'(0)=0\), mais elle n’est pas dérivable sur \(\mathbb{R}\setminus\{0\}\) (car non continue).

例 1.9 \(f\) 在有理点取值为 \(x^2\)、在无理点取值为 \(0\)。\(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上定义良好;它仅在 \(0\) 处连续。在 \(0\) 处:当 \(h\in\mathbb{Q}\) 时 \(\lim_{h\to0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}=\lim_{h\to0}\frac{h^2}{h}=\lim_{h\to0}h=0\);否则差商恒为 \(\frac{0}{h}=0\)。故 \(f\) 在 \(0\) 可导且 \(f'(0)=0\),但在 \(\mathbb{R}\setminus\{0\}\) 上(因不连续而)不可导。
Exemple 1.10

\(f(x) = |x|\), \(x \in [-1;1]\). On peut construire le prolongement par continuité(连续延拓) de \(f\) sur \(\mathbb{R}\) (par exemple \(x \mapsto |x|\)) qui est continue sur \(\mathbb{R}\), mais qui n’est pas dérivable en \(0\).

例 1.10 \(f(x)=|x|\),\(x\in[-1;1]\)。可以构造 \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上的连续延拓(例如仍取 \(x\mapsto|x|\)),它在 \(\mathbb{R}\) 上连续,但在 \(0\) 不可导。
Définition 1.5Fonction dérivée(导函数)

La fonction \(f\) est dérivable en tout point de \(I\) : on dit que \(f\) est dérivable sur \(I\)(在 I 上可导), et la fonction définie sur \(I\) par \(x \mapsto f'(x)\) est appelée fonction dérivée(导函数) de \(f\), notée \(f'\), \(Df\), \(\dfrac{df}{dx}\).

\(\mathcal{D}(I)\) : l’ensemble des fonctions à valeurs réelles dérivables sur \(I\).

定义 1.5(导函数) 若函数 \(f\) 在 \(I\) 的每一点都可导,就称 \(f\) 在 \(I\) 上可导;而由 \(x\mapsto f'(x)\) 定义的、在 \(I\) 上的函数称为 \(f\) 的导函数,记作 \(f'\)、\(Df\)、\(\dfrac{df}{dx}\)。\(\mathcal{D}(I)\):\(I\) 上全体可导实值函数的集合。
Définition 1.6Classe \(C^1\)

On dit qu’une fonction \(f\) est continûment dérivable(连续可导) sur \(I\) si \(f\) est dérivable sur \(I\) et si \(f'\) est continue sur \(I\). Noté \(C^1(I)\). Et on dira qu’une telle fonction est de classe \(C^1\)(C¹ 类).

\[C^1(I) \subset \mathcal{D}(I) \subset C^0(I).\]
定义 1.6(\(C^1\) 类) 若函数 \(f\) 在 \(I\) 上可导、且其导函数 \(f'\) 在 \(I\) 上连续,则称 \(f\) 在 \(I\) 上连续可导,记作 \(C^1(I)\);并称这样的函数为 \(C^1\) 类函数。包含关系:\(C^1(I)\subset\mathcal D(I)\subset C^0(I)\)(\(C^1\) ⊂ 可导 ⊂ 连续)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-4)

Terme中文备注
prolongement par continuité连续延拓
fonction dérivée导函数区别于「nombre dérivé 导数(数值)」
continûment dérivable / classe \(C^1\)连续可导 / \(C^1\) 类\(f'\) 存在且连续
\(\mathcal{D}(I)\), \(C^0(I)\), \(C^1(I)\)可导函数集、连续函数集、\(C^1\) 函数集
partout dérivable / nulle part dérivable处处可导 / 处处不可导存在处处连续但处处不可导的函数

I-5Opérations sur les fonctions dérivables ; dérivées usuelles可导函数的运算、求导法则与常用导数表

Proposition 1.4Combinaisons linéaires(线性组合) et produits(乘积)

Soient \(f\) et \(g\) deux fonctions définies sur \(I\) ; \(\lambda,\mu \in \mathbb{R}\). Si \(f\) et \(g\) sont dérivables en \(a\), alors les fonctions \(\lambda f + \mu g\) et \(fg\) sont dérivables en \(a\) et l’on a

\[(\lambda f + \mu g)'(a) = \lambda f'(a) + \mu g'(a), \qquad (fg)'(a) = f'(a)g(a) + g'(a)f(a).\]
命题 1.4(线性组合与乘积) 设 \(f\) 与 \(g\) 是定义在 \(I\) 上的两个函数,\(\lambda,\mu\in\mathbb{R}\)。若 \(f\) 与 \(g\) 在 \(a\) 可导,则函数 \(\lambda f+\mu g\) 与 \(fg\) 在 \(a\) 可导,并且 \((\lambda f+\mu g)'(a)=\lambda f'(a)+\mu g'(a)\),\((fg)'(a)=f'(a)g(a)+g'(a)f(a)\)。
Proposition 1.5Inverse

Si \(f\) est une fonction dérivable en \(a\), et ne s’annulant pas(不取零值) sur \(I\), alors la fonction \(\dfrac{1}{f}\)(倒数函数) est dérivable en \(a\) et

\[\left(\frac{1}{f}\right)'(a) = -\frac{f'(a)}{f^2(a)}.\]
命题 1.5(倒数) 若 \(f\) 是在 \(a\) 可导、且在 \(I\) 上不取零值的函数,则函数 \(\dfrac1f\) 在 \(a\) 可导,且 \(\left(\dfrac1f\right)'(a)=-\dfrac{f'(a)}{f^2(a)}\)。
Corollaire 1.1Quotient

Soient \(f\) et \(g\) deux fonctions dérivables en \(a\). Si \(g\) ne s’annule pas sur \(I\), alors la fonction \(\dfrac{f}{g}\) est dérivable en \(a\) et

\[\left(\frac{f}{g}\right)'(a) = \frac{f'(a)g(a) - g'(a)f(a)}{g^2(a)}.\]
推论 1.1(商) 设 \(f\) 与 \(g\) 是在 \(a\) 可导的两个函数。若 \(g\) 在 \(I\) 上不取零值,则函数 \(\dfrac fg\) 在 \(a\) 可导,且 \(\left(\dfrac fg\right)'(a)=\dfrac{f'(a)g(a)-g'(a)f(a)}{g^2(a)}\)。
Proposition 1.6Dérivée d’une composée(复合函数) (règle de chaîne(链式法则))

Soient \(I, J\) deux intervalles, \(f\) une application de \(I\) dans \(J\) et \(g\) une application définie sur \(J\). Si \(f\) est dérivable en \(a \in I\), et \(g\) est dérivable en \(b = f(a)\), alors \(g \circ f\) est dérivable en \(a\) et

\[(g \circ f)'(a) = g'(b)\,f'(a) = g'\big(f(a)\big)\,f'(a).\]
命题 1.6(复合函数求导 / 链式法则) 设 \(I,J\) 为两个区间,\(f\) 为 \(I\) 到 \(J\) 的映射,\(g\) 为定义在 \(J\) 上的函数。若 \(f\) 在 \(a\in I\) 可导,且 \(g\) 在 \(b=f(a)\) 可导,则 \(g\circ f\) 在 \(a\) 可导,且 \((g\circ f)'(a)=g'(b)\,f'(a)=g'(f(a))\,f'(a)\)。

Preuve 证明. Soit \(\varepsilon\) la fonction définie sur \(J\) par \(\varepsilon(y) = \dfrac{g(y)-g(b)}{y-b} - g'(b)\) si \(y \neq b\), \(\varepsilon(b) = 0\). Ainsi pour tout \(y \in J\), on a \(g(y) = g(b) + (y-b)g'(b) + (y-b)\varepsilon(y)\). Si \(x \neq a\), on a

\[\frac{g(f(x))-g(b)}{x-a} = \frac{f(x)-f(a)}{x-a}\Big(g'(b) + \varepsilon(f(x))\Big) \quad (\ast).\]

La dérivabilité de \(g\) en \(b\) nous assure que \(\lim_{y\to b}\varepsilon(y) = 0\). \(f\) est dérivable en \(a\) donc continue ; par composition de limites, \(\lim_{x\to a}\varepsilon(f(x)) = 0\). Par passage à la limite quand \(x \to a\) dans (\(*\)), on obtient \(\lim\dfrac{g(f(x))-g(b)}{x-a} = g'(b)f'(a)\). D’où le résultat. ∎

证明(译文) 设 \(\varepsilon\) 是定义在 \(J\) 上的函数:\(y\ne b\) 时 \(\varepsilon(y)=\dfrac{g(y)-g(b)}{y-b}-g'(b)\);\(y=b\) 时 \(\varepsilon(b)=0\)。于是对一切 \(y\in J\) 有 \(g(y)=g(b)+(y-b)g'(b)+(y-b)\varepsilon(y)\)。若 \(x\ne a\),则 \(\dfrac{g(f(x))-g(b)}{x-a}=\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}\big(g'(b)+\varepsilon(f(x))\big)\quad(\ast)\)。\(g\) 在 \(b\) 的可导性保证 \(\lim_{y\to b}\varepsilon(y)=0\);\(f\) 在 \(a\) 可导故连续,由极限的复合得 \(\lim_{x\to a}\varepsilon(f(x))=0\)。在 \((\ast)\) 中令 \(x\to a\) 取极限,得 \(\lim\dfrac{g(f(x))-g(b)}{x-a}=g'(b)f'(a)\)。证毕。∎
Proposition 1.7Dérivée de la fonction réciproque(反函数)

Soit \(f\) une fonction continue et strictement monotone(严格单调) de l’intervalle \(I\), dérivable en \(a \in I\). La fonction \(f^{-1}\) est dérivable en \(b = f(a)\) ssi \(f'(a) \neq 0\), et alors

\[(f^{-1})'(b) = \frac{1}{f'(a)} = \frac{1}{(f' \circ f^{-1})(b)}.\]
命题 1.7(反函数求导) 设 \(f\) 是区间 \(I\) 上连续且严格单调的函数,在 \(a\in I\) 可导。则 \(f^{-1}\) 在 \(b=f(a)\) 可导的充要条件是 \(f'(a)\ne0\);且此时 \((f^{-1})'(b)=\dfrac{1}{f'(a)}=\dfrac{1}{(f'\circ f^{-1})(b)}\)。
SynthèseRègles des dérivations(求导法则总结)

1. \(f,g\) dérivables de \(I\) dans \(\mathbb{R}\), \(\lambda,\mu\in\mathbb{R}\) :

\[(\lambda f + \mu g)' = \lambda f' + \mu g', \qquad (fg)' = f'g + g'f.\]

2. Si de plus \(g\) ne s’annule pas sur \(I\) :

\[\left(\frac{1}{g}\right)' = -\frac{g'}{g^2}, \qquad \left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f'g - g'f}{g^2}.\]

3. \(I, J\) deux intervalles, \(f\) dérivable de \(I\) dans \(J\), \(g\) dérivable sur \(J\) : \((g\circ f)' = (g'\circ f)\cdot f'\).

4. Réciproque : en \(f \circ f^{-1} = \mathrm{Id}\), on obtient \((f^{-1})' = \dfrac{1}{f' \circ f^{-1}}\).

求导法则总结(译文) 1. 设 \(f,g\) 为 \(I\) 到 \(\mathbb{R}\) 的可导函数,\(\lambda,\mu\in\mathbb{R}\),则 \(\lambda f+\mu g\) 与 \(fg\) 可导,且 \((\lambda f+\mu g)'=\lambda f'+\mu g'\),\((fg)'=f'g+g'f\)。2. 设 \(f,g\) 为 \(I\) 到 \(\mathbb{R}\) 的可导函数且 \(g\) 在 \(I\) 上不取零值,则 \(1/g\) 可导且 \((1/g)'=-g'/g^2\);\(f/g\) 可导且 \((f/g)'=(f'g-g'f)/g^2\)。3. 设 \(I,J\) 为两区间,\(f\) 为 \(I\) 到 \(J\) 的可导函数,\(g\) 为 \(J\) 上的可导函数,则 \(g\circ f\) 可导且 \((g\circ f)'=(g'\circ f)\cdot f'\)。4. 反函数:由 \(f\circ f^{-1}=\mathrm{Id}\) 得 \((f^{-1})'=\dfrac{1}{f'\circ f^{-1}}\)。
Exemple 1.11\((x^n)' = n x^{n-1}\) 与多项式的导数

\(f_n : x \mapsto x^n\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et \(\forall x \in \mathbb{R},\ f_n'(x) = n x^{n-1}\).

Preuve 证明(récurrence 数学归纳法). \(n=1\) : \(f_1(x)=x\), \(f_1'(x)=1\). Supposons pour tout \(k < n\), \(f_k'(x) = k x^{k-1}\). Alors pour \(k = n\) : \(f_n(x) = x \cdot x^{n-1}\), d’après la proposition précédente \((fg)'=f'g+g'f\) : \(f_n'(x) = 1\cdot x^{n-1} + (n-1)x^{n-2}\cdot x = n x^{n-1}\). ∎

On en déduit que toute fonction polynôme(多项式函数) \(f : x \mapsto \sum_{k=0}^{n} a_k x^k\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et a pour dérivée \(f'(x) = \sum_{k=1}^{n} k a_k x^{k-1}\). Si \(\mathcal{P}\) désigne l’ensemble des fonctions polynômes sur \(\mathbb{R}\), alors \(\mathcal{P} \subset \mathcal{D}(\mathbb{R})\).

Par ailleurs, si \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), pour tout entier \(n \geqslant 1\), la fonction \(f^n\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\) et \((f^n)' = n f^{n-1} f'\).

例 1.11(译文) \(f_n:x\mapsto x^n\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可导,且 \(\forall x\in\mathbb{R},\ f_n'(x)=nx^{n-1}\)。证明(数学归纳法):\(n=1\) 时 \(f_1(x)=x\),\(f_1'(x)=1\)。设对一切 \(k<n\) 有 \(f_k'(x)=kx^{k-1}\)。则 \(k=n\) 时 \(f_n(x)=x\cdot x^{n-1}\),由前面的命题(乘积法则)得 \(f_n'(x)=1\cdot x^{n-1}+(n-1)x^{n-2}\cdot x=nx^{n-1}\)。∎ 由此推出:任何多项式函数 \(f:x\mapsto\sum_{k=0}^n a_kx^k\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可导,其导数为 \(f'(x)=\sum_{k=1}^n ka_kx^{k-1}\)。若 \(\mathcal{P}\) 表示 \(\mathbb{R}\) 上多项式函数的全体,则 \(\mathcal{P}\subset\mathcal{D}(\mathbb{R})\)。此外,若 \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可导,则对一切整数 \(n\ge1\),\(f^n\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可导且 \((f^n)'=nf^{n-1}f'\)。
Exemple 1.12\((\sin x)' = \cos x\)

Le taux d’accroissement(改变率) :

\[\frac{f(x+h)-f(x)}{h} = \frac{\sin(x+h)-\sin x}{h} = \frac{2\sin\frac{h}{2}\cos\!\left(x+\frac{h}{2}\right)}{h}.\]

Par passage à la limite : \(\displaystyle\lim_{h\to 0}\frac{\sin\frac{h}{2}}{\frac{h}{2}} = 1\), donc

\[\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} = \lim_{h\to 0}\cos\!\left(x+\frac{h}{2}\right)\cdot\frac{\sin\frac{h}{2}}{\frac{h}{2}} = \cos x.\]

即 \(\displaystyle\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h}=\cos\!\big(x+\frac h2\big)\cdot\frac{\sin(h/2)}{h/2}\to\cos x\)。

例 1.12(译文) 计算函数 \(f(x)=\sin x\) 的导数。解:改变率 \(\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}=\dfrac{\sin(x+h)-\sin x}{h}=\dfrac{2\sin\frac h2\cos(x+\frac h2)}{h}\)。取极限:\(\lim_{h\to0}\dfrac{\sin(h/2)}{h/2}=1\),故 \(\lim_{h\to0}\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to0}\cos\!\big(x+\frac h2\big)\cdot\dfrac{\sin(h/2)}{h/2}=\cos x\)。(关键:和差化积+基本极限 \(\lim_{u\to0}\frac{\sin u}{u}=1\)。)
Exemple 1.13\((\cos x)' = -\sin x\)

\[\frac{\cos(x+h)-\cos x}{h} = \frac{-2\sin\!\left(x+\frac{h}{2}\right)\sin\frac{h}{2}}{h} \xrightarrow[h\to 0]{} -\sin x \cdot 1 = -\sin x.\]

例 1.13(译文) 计算函数 \(f(x)=\cos x\) 的导数。解:改变率 \(\dfrac{\cos(x+h)-\cos x}{h}=\dfrac{-2\sin(x+\frac h2)\sin\frac h2}{h}\);取极限得 \(-\sin(x+\frac h2)\cdot\dfrac{\sin(h/2)}{h/2}\to-\sin x\)。
Exemple 1.14\((\arcsin x)' = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)

\(f(x) = \arcsin x\), \(x \in ]-1;1[\). \(g : x \mapsto \sin x\) définit une bijection de \(\left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[\) sur \(]-1;1[\), strictement croissante et dont la dérivée ne s’annule pas. D’après la proposition précédente, sa fonction réciproque « Arcsinus » est dérivable sur \(]-1;1[\) ; on a alors

\[(\arcsin y)' = \frac{1}{\cos(\arcsin y)} = \frac{1}{\sqrt{1-\sin^2(\arcsin y)}} = \frac{1}{\sqrt{1-y^2}}.\]
例 1.14(译文) \(f(x)=\arcsin x\),\(x\in]-1;1[\)。\(g:x\mapsto\sin x\) 给出从 \(\big]-\frac\pi2;\frac\pi2\big[\) 到 \(]-1;1[\) 的双射(bijection,双射),严格递增且其导数不取零。由上一条命题,其反函数「Arcsinus(反正弦)」在 \(]-1;1[\) 上可导;于是 \((\arcsin y)'=\dfrac{1}{\cos(\arcsin y)}=\dfrac{1}{\sqrt{1-\sin^2(\arcsin y)}}=\dfrac{1}{\sqrt{1-y^2}}\)。
Exemple 1.15\((\log_a x)' = \dfrac{1}{x\ln a}\)

\(f(x) = \log_a x\ (a > 0)\). \(\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h} = \log_a\!\left(1+\dfrac{h}{x}\right)\dfrac{1}{h} = \dfrac{1}{x}\log_a\!\left(1+\dfrac{h}{x}\right)^{\frac{x}{h}}\). Par passage à la limite :

\[\lim_{h\to 0}\frac{1}{h}\log_a\!\left(1+\frac{h}{x}\right) = \log_a e.\]

En particulier, si \(a = e\) : \((\ln x)' = \dfrac{1}{x}\).(一般地 \((\log_a x)' = \dfrac{\log_a e}{x} = \dfrac{1}{x\ln a}\))

例 1.15(译文) \(f(x)=\log_a x\ (a>0)\)。\(\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}=\log_a\!\big(1+\frac hx\big)\cdot\dfrac1h=\dfrac1x\log_a\!\big(1+\frac hx\big)^{\frac xh}\)。取极限得 \(\lim_{h\to0}\dfrac1h\log_a\big(1+\frac hx\big)=\log_a e\)。(用到重要极限 \((1+t)^{1/t}\to e\)。)特别地,\(a=e\) 时 \((\ln x)'=\dfrac1x\);一般地 \((\log_a x)'=\dfrac{\log_a e}{x}=\dfrac{1}{x\ln a}\)。
Exemple 1.16\((\tan x)' = \dfrac{1}{\cos^2 x}\)

\(f(x) = \tan x\), \(x \in \left]-\frac{\pi}{2};\frac{\pi}{2}\right[\). Par le quotient :

\[f'(x) = \left(\frac{\sin x}{\cos x}\right)' = \frac{(\sin x)'\cos x - \sin x(\cos x)'}{\cos^2 x} = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x} = \sec^2 x.\]
例 1.16(译文) \(f(x)=\tan x\),\(x\in\big]-\frac\pi2;\frac\pi2\big[\)。由商法则:\(f'(x)=\Big(\dfrac{\sin x}{\cos x}\Big)'=\dfrac{(\sin x)'\cos x-\sin x(\cos x)'}{\cos^2 x}=\dfrac{\cos^2 x+\sin^2 x}{\cos^2 x}=\dfrac{1}{\cos^2 x}=\sec^2 x\)。
Exemple 1.17\((a^x)' = a^x \ln a\)

\(f(x) = a^x\ (a > 0)\). Pour la fonction \(y = a^x\), on a sa réciproque \(x = \log_a y\), dont la dérivée est \(\dfrac{1}{y \ln a}\). D’après la proposition de la dérivée de la fonction réciproque, on a

\[(a^x)' = \frac{1}{(\log_a)' \circ f} = \frac{1}{\frac{1}{a^x \ln a}} = a^x \ln a.\]

En particulier : \((e^x)' = e^x\).

例 1.17(译文) \(f(x)=a^x\ (a>0)\)。对函数 \(y=a^x\),其反函数为 \(x=\log_a y\),导数是 \(\dfrac{1}{y\ln a}\)。由反函数求导命题得 \((a^x)'=\dfrac{1}{(\log_a)'\circ f}=\dfrac{1}{\frac{1}{a^x\ln a}}=a^x\ln a\)。特别地:\((e^x)'=e^x\)。
Exemple 1.18\((u^v)'\) 与 \((x^\alpha)'\)

Ici \(f(x) = u(x)^{v(x)}\) avec \(u(x) > 0\) : on écrit \(f(x) = e^{v(x)\ln u(x)}\), donc

\[f'(x) = e^{v(x)\ln u(x)}\left(v'(x)\ln u(x) + v(x)\frac{u'(x)}{u(x)}\right).\]

En particulier, \(f(x) = x^{\alpha}\), \(\alpha \in \mathbb{R}\) constante, \(x \in \mathbb{R}_+^*\) : \(f'(x) = \alpha x^{\alpha-1}\).

例 1.18(译文) 这里 \(f(x)=u(x)^{v(x)}\),其中 \(u(x)>0\):写成 \(f(x)=e^{v(x)\ln u(x)}\),于是 \(f'(x)=e^{v(x)\ln u(x)}\Big(v'(x)\ln u(x)+v(x)\dfrac{u'(x)}{u(x)}\Big)\)。特别地,\(f(x)=x^{\alpha}\)(\(\alpha\in\mathbb{R}\) 为常数,\(x\in\mathbb{R}_+^*\)):\(f'(x)=\alpha x^{\alpha-1}\)。
TableTable des dérivées usuelles(常用导数表)
\(f(x)\)\(f'(x)\)Domaine \(D_{f'}\)Conditions
\(k\)(constante)\(0\)\(\mathbb{R}\)\(k\in\mathbb{R}\)
\(kx\)\(k\)\(\mathbb{R}\)\(k\in\mathbb{R}\)
\(x^n\)\(n x^{n-1}\)\(\mathbb{R}\)\(n\) entier naturel
\(\dfrac{1}{x^n}\)\(-\dfrac{n}{x^{n+1}}\)\(\mathbb{R}^*\)\(n\) entier naturel
\(\sqrt[n]{x}\)\(\dfrac{1}{n}x^{\frac{1}{n}-1} = \dfrac{1}{n\sqrt[n]{x^{\,n-1}}}\)\(\mathbb{R}_+^*\)\(n\) entier naturel
\(x^{\alpha}\)\(\alpha x^{\alpha-1}\)\(\mathbb{R}_+^*\)\(\alpha\) constante réelle
\(\ln|x|\)\(\dfrac{1}{x}\)\(\mathbb{R}^*\)cas \(a=e\) de \(\log_a|x|\)
\(\log_a|x|\)\(\dfrac{1}{x\ln a}\)\(\mathbb{R}^*\)\(a>0,\ a\ne1\)
\(e^x\)\(e^x\)\(\mathbb{R}\)cas \(a=e\) de \(a^x\)
\(a^x\)\(a^x\ln a\)\(\mathbb{R}\)\(a>0\)
\(\sin x\)\(\cos x\)\(\mathbb{R}\)
\(\cos x\)\(-\sin x\)\(\mathbb{R}\)
\(\tan x\)\(\dfrac{1}{\cos^2 x} = 1+\tan^2 x\)\(\mathbb{R}\setminus\left\{\frac{\pi}{2}+k\pi,\ k\in\mathbb{Z}\right\}\)
\(\cot x\)\(-\dfrac{1}{\sin^2 x} = -(1+\cot^2 x)\)\(\mathbb{R}\setminus\{k\pi,\ k\in\mathbb{Z}\}\)
\(\arcsin x\)\(\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)\(]-1;1[\)
\(\arccos x\)\(-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)\(]-1;1[\)
\(\arctan x\)\(\dfrac{1}{1+x^2}\)\(\mathbb{R}\)
\(\sinh x\)\(\cosh x\)\(\mathbb{R}\)
\(\cosh x\)\(\sinh x\)\(\mathbb{R}\)
\(\tanh x\)\(\dfrac{1}{\cosh^2 x} = 1-\tanh^2 x\)\(\mathbb{R}\)
\(\coth x\)\(-\dfrac{1}{\sinh^2 x} = 1-\coth^2 x\)\(\mathbb{R}^*\)
\(\operatorname{arsinh} x\)\(\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}\)\(\mathbb{R}\)
\(\operatorname{arcosh} x\)\(\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}\)\(]1;+\infty[\)
\(\operatorname{artanh} x\)\(\dfrac{1}{1-x^2}\)\(]-1;1[\)
常用导数表:常数、幂、对数、指数、三角、反三角、双曲与反双曲函数各条如上。注意区分 \((\tanh)'=1-\tanh^2\) 与 \((\coth)'=1-\coth^2\)(两者右端符号同为「\(1-\) 自身平方」),而 \((\tan)'=1+\tan^2\)、\((\cot)'=-(1+\cot^2)\)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-5)

Terme中文备注
combinaison linéaire线性组合
règle de Leibniz / dérivation d’un produit乘积求导法则\((fg)'=f'g+g'f\)
fonction inverse (\(1/f\)) / fonction quotient倒数函数 / 商函数注意与 « fonction réciproque » 区分
fonction composée / règle de chaîne复合函数 / 链式法则\((g\circ f)'=(g'\circ f)f'\)
fonction réciproque反函数\((f^{-1})'=1/(f'\circ f^{-1})\)
récurrence (finie)(数学)归纳法例 1.11 的证明方法
fonction polynôme \(\mathcal{P}\)多项式函数\(\mathcal P\subset\mathcal D(\mathbb R)\)
fonction exponentielle / logarithme指数函数 / 对数函数
dérivées usuelles常用(基本初等函数的)导数
幂指函数 \(u^v = e^{v\ln u}\)power-exponential function

I-6Exemples approfondis进阶例题:可导但不 \(C^1\)、分段函数、处处连续处处不可导

Exemple 1.19\(f(x)=x^2\sin\frac1x\) : dérivable mais \(f'\) discontinue

\(f(x) = \begin{cases} x^2 \sin\dfrac{1}{x}, & \text{si } x \neq 0,\\ 0, & \text{si } x = 0.\end{cases}\)

Pour \(a \neq 0\), \(f\) est dérivable en \(a\) — c’est le produit d’une fonction polynôme et de la composée de la fonction Sinus avec une fonction rationnelle — donc dérivable en \(a\), et

\[f'(x) = 2x\sin\frac{1}{x} + x^2\cos\frac{1}{x}\cdot\left(-\frac{1}{x^2}\right) = 2x\sin\frac{1}{x} - \cos\frac{1}{x}.\]

Si \(a = 0\), considérons le taux d’accroissement :

\[\tau_{f,0}(x) = \frac{f(x)-f(0)}{x-0} = x\sin\frac{1}{x}.\]

\(\sin\frac{1}{x}\) est une fonction bornée(有界函数) et \(x \to 0\) ; donc \(\lim_{x\to 0}\tau_{f,0}(x) = 0\). La fonction \(f\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), mais \(f'\) n’est pas continue en \(0\).

例 1.19(译文) \(f(x)=x^2\sin\dfrac1x\)(当 \(x\ne0\)),\(f(x)=0\)(当 \(x=0\))。当 \(a\ne0\) 时,\(f\) 在 \(a\) 可导——它是多项式函数与「正弦函数同一有理函数的复合」的乘积——故在 \(a\) 可导,且 \(f'(x)=2x\sin\dfrac1x+x^2\cos\dfrac1x\cdot\Big(-\dfrac{1}{x^2}\Big)=2x\sin\dfrac1x-\cos\dfrac1x\)。若 \(a=0\),考察改变率:\(\tau_{f,0}(x)=\dfrac{f(x)-f(0)}{x-0}=x\sin\dfrac1x\)。\(\sin\frac1x\) 是有界函数而 \(x\to0\),故 \(\lim_{x\to0}\tau_{f,0}(x)=0\)。函数 \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上可导,但 \(f'\) 在 \(0\) 不连续。(「可导 ⇏ \(C^1\)」的典型例子。)
Exemple 1.20Fonction définie par morceaux

\(f(x) = \begin{cases} x^2 (x-1)^2, & \text{si } x \in [0;1],\\ 0, & \text{si } x \in [-1;0[\ \cup\ ]1;+\infty[.\end{cases}\)

En \(a \in [-1;0[\,\cup\,]0;1[\,\cup\,]1;+\infty[\), la fonction \(f\) est dérivable et on a \(f'(x) = \begin{cases} 2x(x-1)(2x-1), & x \in ]0;1[,\\ 0, & \text{sinon.}\end{cases}\)

La restriction(限制) de \(f\) à \(]-1;0]\) coïncide avec la fonction nulle(零函数), donc \(f\) est dérivable à gauche en \(0\) et \(f'_g(0) = 0\). La restriction de \(f\) à \([0;1[\) coïncide avec la fonction polynômiale \(g(x) = x^2(x-1)^2\) ; \(f\) est donc dérivable à droite en \(0\) et \(f'_d(0) = g'(0) = 0 = f'_g(0)\). On a alors \(f\) dérivable en \(0\). De même \(f\) est dérivable en \(1\).

例 1.20(译文) 分段函数:\(x\in[0;1]\) 时 \(f(x)=x^2(x-1)^2\);\(x\in[-1;0[\,\cup\,]1;+\infty[\) 时 \(f(x)=0\)。在 \([-1;0[\,\cup\,]0;1[\,\cup\,]1;+\infty[\) 内的点 \(a\) 处,\(f\) 可导,且 \(f'(x)=2x(x-1)(2x-1)\)(当 \(x\in]0;1[\)),否则为 \(0\)。\(f\) 在 \(]-1;0]\) 上的限制与零函数重合,故 \(f\) 在 \(0\) 左可导且 \(f'_g(0)=0\)。\(f\) 在 \([0;1[\) 上的限制与多项式函数 \(g(x)=x^2(x-1)^2\) 重合,故 \(f\) 在 \(0\) 右可导且 \(f'_d(0)=g'(0)=0=f'_g(0)\)。于是 \(f\) 在 \(0\) 可导。同理 \(f\) 在 \(1\) 可导。
Remarque finaleUne fonction continue partout mais dérivable nulle part

Il existe des fonctions continues sur \(\mathbb{R}\) mais dérivables en aucun point(如 Weierstrass 函数).

最后提示:存在「处处连续、处处不可导」的函数(原讲义此页为标题页配图,未给出具体构造)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-6)

Terme中文备注
produit d’une fonction polynôme et d’une composée多项式与复合函数之积运算封闭性判可导
fonction bornée有界函数有界 × 无穷小 = 无穷小
restriction \(f|_J\)限制分段函数逐段处理
fonction nulle常零函数
continue partout mais dérivable nulle part处处连续但处处不可导Weierstrass 型反例

I-7Extremum, théorèmes de Rolle et des accroissements finis极值、Rolle 定理、(Lagrange / Cauchy)中值定理与单调性

Proposition 2.1Théorème de Fermat(费马引理)

Soient \(f\) une fonction définie sur un intervalle \(I\) et \(a\) un point de \(I\) qui n’en est pas une borne(端点). Si la fonction présente un extremum(极值)local en \(a\) et si elle est dérivable en \(a\), alors

\[f'(a) = 0.\]

Preuve. Comme \(a\) n’est pas une extrémité de l’intervalle \(I\), on peut trouver \(h_1 > 0\) tel que \(]a-h_1; a+h_1[ \subset I\). Supposons que \(f\) présente un maximum local en \(a\), i.e. il existe \(h_2 > 0\) tel que \(\forall x \in I,\ |x-a| \leqslant h_2 \Rightarrow f(x) \leqslant f(a)\). Posons \(h = \min(h_1, h_2)\). Pour \(0 < x-a \leqslant h\), on a \(\tau_{f,a}(x) = \dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} \leqslant 0\) ; par passage à la limite, \(f'_d(a) \leqslant 0\). De même pour \(-h \leqslant x-a < 0\), on a \(\tau_{f,a}(x) \geqslant 0\), donc \(f'_g(a) \geqslant 0\). Comme \(f\) est dérivable en \(a\), on en déduit \(f'(a) = f'_g(a) = f'_d(a) = 0\). ∎

命题 2.1(费马引理)译文 设 \(f\) 是定义在区间 \(I\) 上的函数,\(a\) 是 \(I\) 中不是其端点的一点。若函数在 \(a\) 呈现局部极值(极值),且 \(f\) 在 \(a\) 可导,则 \(f'(a)=0\)。证明:由于 \(a\) 不是区间 \(I\) 的端点,可找到 \(h_1>0\) 使得 \(]a-h_1;a+h_1[\subset I\)。设 \(f\) 在 \(a\) 呈现局部最大值,即存在 \(h_2>0\) 使得 \(\forall x\in I,\ |x-a|\leqslant h_2\Rightarrow f(x)\leqslant f(a)\)。令 \(h=\min(h_1,h_2)\)。当 \(0\lt x-a\leqslant h\) 时,\(\tau_{f,a}(x)=\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}\leqslant0\);对不等式取极限,得 \(f'_d(a)\leqslant0\)。类似地,当 \(-h\leqslant x-a<0\) 时 \(\tau_{f,a}(x)\geqslant0\),故 \(f'_g(a)\geqslant0\)。由于设 \(f\) 在 \(a\) 可导,得 \(f'(a)=f'_g(a)=f'_d(a)=0\)。∎
Remarques
  1. Une fonction peut avoir un extremum local en \(a\) et ne pas être dérivable en \(a\)(极值点处未必可导) : \(f : x \mapsto |x|\) en \(0\).
  2. Si \(a\) est une extrémité de l’intervalle, une fonction peut présenter un extremum local en \(a\) et être dérivable en \(a\) sans que sa dérivée y soit nulle(函数可在端点处取得极值,但导数不为零): \(f : x \mapsto x,\ x \in [0;1]\), en \(1\).
  3. L’annulation de la dérivée de \(f\) en \(a\) n’est qu’une condition nécessaire pour que \(f\) possède un extremum local en \(a\)(\(f'(a)=0\) 并不是函数 \(f\) 在 \(a\) 点取得极值的充分条件): \(f(x) = x^3\), la dérivée s’annule en \(0\), mais \(f\) ne possède pas d’extremum en \(0\).
注(译文) 1. 函数可以在 \(a\) 有局部极值而不在 \(a\) 可导(极值点处未必可导):\(f:x\mapsto|x|\) 在 \(0\)。2. 若 \(a\) 是区间的端点,函数可以在 \(a\) 呈现局部极值、在 \(a\) 可导,而其导数在该点不为零(函数可在端点处取得极值,但导数不为零):\(f:x\mapsto x\),\(x\in[0;1]\),在 \(1\)。3. \(f\) 在 \(a\) 的导数为零,只是 \(f\) 在 \(a\) 有局部极值的必要条件(\(f'(a)=0\) 并不是函数 \(f\) 在 \(a\) 点取得极值的充分条件):\(f(x)=x^3\) 的导数在 \(0\) 为零,但 \(f\) 在 \(0\) 没有极值。
Théorème 2.1Théorème de Rolle(罗尔定理)

\(a, b \in \mathbb{R},\ a < b\) ; \(f\) est continue sur \([a;b]\) et dérivable sur \(]a;b[\) ; et \(f(a) = f(b)\). Alors il existe \(c \in ]a;b[\) tel que \(f'(c) = 0\).

Preuve. \(f \in C([a;b])\), l’image de \(f\) est un segment \([m;M]\) avec \(m \leqslant M\). Si \(m = M\), la fonction \(f\) est constante sur \([a;b]\), donc de dérivée nulle. Si \(m < M\), l’un des réels \(m\) ou \(M\) est différente de la valeur commune prise par \(f\) en \(a\) et \(b\). Supposons \(m \neq f(a)\) ; la fonction \(f\) atteint la valeur \(m\) en un point \(c\) différent de \(a\) et de \(b\) (théorème de la borne atteinte) ; elle admet donc un minimum en \(c\), ce qui, par le théorème de Fermat, implique \(f'(c) = 0\). ∎

定理 2.1(罗尔定理)译文 \(a,b\in\mathbb{R}\),\(a\lt b\);\(f\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导,且满足 \(f(a)=f(b)\)。则存在 \(c\in]a;b[\) 使得 \(f'(c)=0\)。证明:\(f\in C([a;b])\),\(f\) 的像是一个区间段 \([m;M]\),其中 \(m\leqslant M\)。若 \(m=M\),则 \(f\) 在 \([a;b]\) 上为常值,从而导数为零。若 \(m<M\),则实数 \(m\) 与 \(M\) 中至少有一个不同于 \(f\) 在 \(a\)、\(b\) 处的共同取值。设 \(m\ne f(a)\):函数 \(f\) 在异于 \(a\) 与 \(b\) 的某点 \(c\) 取到值 \(m\)(最值定理,théorème de la borne atteinte);于是 \(f\) 在 \(c\) 取得极小值,由费马定理即得 \(f'(c)=0\)。∎
Théorème 2.2Égalité des accroissements finis(Lagrange 中值定理)

\(a, b \in \mathbb{R},\ a < b\) ; \(f\) est continue sur \([a;b]\) et dérivable sur \(]a;b[\). Alors il existe \(c \in ]a;b[\) tel que

\[f(b) - f(a) = f'(c)(b-a).\]

Preuve. Considérons la fonction \(\varphi\) dont le graphe est la droite reliant les points \((a;f(a))\) et \((b;f(b))\), définie sur \([a;b]\) par

\[\varphi(x) = f(a) + \frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a).\]

La fonction \(\varphi\) est continue sur \([a;b]\), dérivable sur \(]a;b[\) et vérifie \(\varphi(a) = f(a),\ \varphi(b) = f(b)\). En appliquant le théorème de Rolle à la fonction \(\varphi(x) - f(x)\), on a \(\exists\, c \in ]a;b[\) tel que \(\varphi'(c) = f'(c)\). Ce qui équivaut à \(f'(c) = \dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}\). ∎

定理 2.2(有限增量等式,Lagrange 中值定理)译文 \(a,b\in\mathbb{R}\),\(a\lt b\);\(f\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导,则存在 \(c\in]a;b[\) 使得 \(f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)\)。证明:考虑图像为连接点 \((a;f(a))\) 与 \((b;f(b))\) 的直线的函数 \(\varphi\),\(\varphi\) 在 \([a;b]\) 上定义为 \(\varphi(x)=f(a)+\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a)\)。函数 \(\varphi\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导,且满足 \(\varphi(a)=f(a)\)、\(\varphi(b)=f(b)\)。对函数 \(\varphi(x)-f(x)\) 应用罗尔定理,得存在 \(c\in]a;b[\) 使 \(\varphi'(c)=f'(c)\)。这等价于 \(f'(c)=\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}\)。∎

Interprétation géométrique(几何解释):Soit \(f\) dérivable sur \(]a;b[\) ; la courbe passe par \(a\) et \(b\). Comme la tangente change de direction de point en point, il existe un point où la tangente est parallèle à la corde joignant \((a,f(a))\) et \((b,f(b))\).

几何解释(译文):设 \(f\) 在 \(]a;b[\) 可导;曲线经过 \(a\) 与 \(b\)。由于切线方向逐点变化,必存在一点,该点处的切线平行于连接 \((a,f(a))\) 与 \((b,f(b))\) 的弦。
Remarques
  1. Le théorème de Rolle ne s’étend pas aux fonctions d’une variable réelle à valeurs vectorielles. Ainsi, la fonction dérivable de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{C}\) définie par \(f(x) = e^{ix}\) satisfait \(f(0) = f(2\pi)\) alors que sa dérivée, \(f'(x) = i e^{ix}\), ne s’annule pas.
  2. Si on passe d’un segment ouvert \(]a;b[\) à un segment fermé \([a;b]\) dans la condition (2) (dérivabilité), le théorème reste vrai. Exemple : \(f(x) = \arcsin x,\ x \in [-1;1]\) n’est pas dérivable en \(1\) et \(-1\), mais on peut utiliser le théorème de Rolle sur \(]-1;1[\) : le champ d’application devient plus grand quand on ne demande la dérivabilité qu’à l’intérieur.
  3. Si on réduit la condition (1) à « \(f\) est continue sur \(]a;b[\) » seulement, le théorème ne tient plus : \(f(x) = \begin{cases} 0, & x \in [0;1[,\\ 1, & x = 1 \end{cases}\) a une dérivée nulle sur \(]0;1[\) (elle est dérivable donc continue sur \(]0;1[\)), mais \(f(1) - f(0) = 1 \neq 0 = f'(c)(1-0)\).
注(译文) 1. 罗尔定理不能推广到实变量向量值函数。例如从 \(\mathbb{R}\) 到 \(\mathbb{C}\) 的可导函数 \(f(x)=e^{ix}\) 满足 \(f(0)=f(2\pi)\),但其导数 \(f'(x)=ie^{ix}\) 从不为零。2. 若把条件 (2)(可导性)中的开区间 \(]a;b[\) 换成闭区间 \([a;b]\),罗尔定理仍然成立——但只在内部要求可导时,定理的适用范围反而更大。例:\(f(x)=\arcsin x\),\(x\in[-1;1]\) 在 \(\pm1\) 不可导,但仍可在 \(]-1;1[\) 上使用罗尔定理。3. 若把条件 (1) 削弱为「\(f\) 仅在 \(]a;b[\) 连续」,定理不再成立:函数 \(f\) 在 \([0;1[\) 取 \(0\)、在 \(x=1\) 取 \(1\);\(f'\) 在 \(]0;1[\) 上恒为零(\(f\) 在 \(]0;1[\) 可导故连续),但 \(f(1)-f(0)=1\neq0=f'(c)(1-0)\)。
RemarqueImage usuelle

La fonction est dérivable sur l’intervalle, c’est-à-dire que sa représentation graphique n’a pas de discontinuités, ni même de points anguleux.

直观上:在区间上可导的函数,其图像既无断裂、也无「尖角」。
Proposition 2.2Forme « \(\theta\) » de l’accroissement fini

Soit \(f\) une fonction dérivable sur l’intervalle \(I\). Étant donnés deux réels \(x\) et \(h\) tels que \(x, x+h \in I\), alors il existe \(\theta \in [0;1]\) tel que

\[f(x+h) = f(x) + h f'(x + \theta h).\]

Preuve. Lorsque \(h = 0\), \(\theta\) peut être choisi arbitrairement. En appliquant le théorème des accroissements finis sur le segment \([x; x+h] \subset I\) sur lequel \(f\) est dérivable donc continue, on sait qu’il existe \(c \in [x; x+h]\) tel que \(h f'(c) = f(x+h) - f(x)\), soit \(f(x+h) = f(x) + h f'(c)\), où \(c\) est de la forme \(x + \theta h\), \(\theta \in [0;1]\). ∎

命题 2.2(译文) 设 \(f\) 在区间 \(I\) 上可导。给定两个实数 \(x\) 与 \(h\) 满足 \(x,\ x+h\in I\),则存在 \(\theta\in[0;1]\) 使得 \(f(x+h)=f(x)+hf'(x+\theta h)\)。证明:当 \(h=0\) 时 \(\theta\) 可任取。对线段 \([x;x+h]\subset I\)(\(f\) 在其上可导故连续)应用有限增量定理,存在 \(c\in[x;x+h]\) 使 \(hf'(c)=f(x+h)-f(x)\),即 \(f(x+h)=f(x)+hf'(c)\),其中 \(c\) 可写成 \(x+\theta h\),\(\theta\in[0;1]\)。∎
Exemple 2.1Dans l’application du TAF à \(f(x) = x^2 + x\), préciser \(c\)

Dans l’application du théorème des accroissements finis à la fonction \(f(x) = x^2 + x\) sur l’intervalle \([a;b]\), préciser le nombre \(c \in ]a;b[\) et donner une interprétation géométrique.

Réponse. \(f\) est continue et dérivable sur \(\mathbb{R}\), donc en particulier sur \([a;b]\) : le TAF assure l’existence d’un \(c\) tel que \(f(b)-f(a) = f'(c)(b-a)\). Mais ici on peut expliciter \(c\) : \(f(b)-f(a) = (b^2 - a^2) + (b-a) = (2c+1)(b-a)\) implique \((b+a) + 1 = 2c+1\), donc

\[c = \frac{a+b}{2}.\]

Interprétation géométrique. Le graphe \(\mathcal{P}\) de \(f\) est une parabole. Si l’on prend deux points \(A = (a;f(a))\) et \(B = (b;f(b))\) appartenant à cette parabole, alors la droite \((AB)\) est parallèle à la tangente au point \(M = \left(\frac{a+b}{2}; f\!\left(\frac{a+b}{2}\right)\right)\) : l’abscisse de \(M\) est le milieu des abscisses de \(A\) et \(B\).

例 2.1(译文) 在把有限增量定理应用于函数 \(f(x)=x^2+x\) 于区间 \([a;b]\) 时,指明 \(]a;b[\) 中的数 \(c\),并给出几何解释。解:\(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上连续且可导,故特别地在 \([a;b]\) 上如此;有限增量定理保证存在 \(c\in]a;b[\) 使 \(f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)\)。但对本题的特定函数可以把 \(c\) 显式求出:\(f(b)-f(a)=(b^2-a^2)+(b-a)=(2c+1)(b-a)\) 蕴含 \((b+a)+1=2c+1\),故 \(c=\dfrac{a+b}{2}\)。几何解释:\(f\) 的图形 \(\mathcal{P}\) 是一条抛物线(parabole)。取抛物线上两点 \(A=(a;f(a))\)、\(B=(b;f(b))\),则直线 \((AB)\) 平行于点 \(M=\Big(\dfrac{a+b}{2},\ f\big(\dfrac{a+b}{2}\big)\Big)\) 处的切线:\(M\) 的横坐标是 \(A\)、\(B\) 横坐标的中点。
Corollaire 2.1

Soit \(f\) continue sur \([a;b]\) et dérivable sur \(]a;b[\). Alors \(f\) est constante ssi \(f'(x) = 0,\ \forall x \in [a;b]\).

Preuve. « ⟸ » évident. Réciproquement, si \(\forall x \in ]a;b[,\ f'(x) = 0\) : prenons deux points \(x_1, x_2 \in [a;b],\ x_1 < x_2\). D’après le TAF, il existe \(c \in ]x_1;x_2[\) tel que \(f(x_1) - f(x_2) = f'(c)(x_1 - x_2) = 0\), donc \(f(x_1) = f(x_2)\) : \(f\) est constante sur \([a;b]\). ∎

推论 2.1(译文) 设 \(f\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导。则 \(f\) 为常值函数 ⟺ \(\forall x\in[a;b]\),\(f'(x)=0\)。证明:「⟸」显然。反之,设 \(\forall x\in]a;b[\),\(f'(x)=0\):任取两点 \(x_1,x_2\in[a;b]\),\(x_1<x_2\)。由有限增量定理,存在 \(c\in]x_1;x_2[\) 使 \(f(x_1)-f(x_2)=f'(c)(x_1-x_2)=0\),故 \(f(x_1)=f(x_2)\):\(f\) 在 \([a;b]\) 上为常值。∎
Proposition 2.3Inégalité des accroissements finis (IAF)

Soient \(a, b \in \mathbb{R},\ a < b\) ; \(f\) continue sur \([a;b]\) et dérivable sur \(]a;b[\). S’il existe \(M \in \mathbb{R}_+\) tel que \(\forall x \in\, ]a;b[,\ |f'(x)| \leqslant M\), alors

\[|f(b) - f(a)| \leqslant M (b - a).\]

Preuve. D’après l’égalité des accroissements finis appliquée à \(f\) sur \([a;b]\), il existe \(c \in ]a;b[\) tel que \(f(b) - f(a) = f'(c)(b-a)\) ; en prenant la valeur absolue, \(|f(b)-f(a)| = |f'(c)|(b-a) \leqslant M(b-a)\). ∎

命题 2.3(有限增量不等式 IAF)译文 设 \(a,b\in\mathbb{R}\),\(a<b\);\(f\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导。若存在 \(M\in\mathbb{R}_+\) 使得 \(\forall x\in\,]a;b[\),\(|f'(x)|\leqslant M\),则 \(|f(b)-f(a)|\leqslant M(b-a)\)。证明:由应用于 \([a;b]\) 上 \(f\) 的有限增量等式,存在 \(c\in]a;b[\) 使 \(f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)\);取绝对值得 \(|f(b)-f(a)|=|f'(c)|(b-a)\leqslant M(b-a)\)。∎
Corollaires 2.2 & 2.3

Corollaire 2.2. Si \(f'(x) \geqslant m,\ \forall x \in ]a;b[\), alors \(f(b) - f(a) \geqslant m(b-a)\).

Corollaire 2.3. Si \(f\) est dérivable sur \(I\) et s’il existe \(M \geqslant 0\) tel que \(|f'(x)| \leqslant M\), alors \(\forall (x_1, x_2) \in I^2,\ |f(x_1) - f(x_2)| \leqslant M |x_1 - x_2|\)(\(f\) est lipschitzienne sur \(I\)).

推论 2.2 & 2.3(译文) 推论 2.2:设 \(a,b\in\mathbb{R}\),\(a<b\),\(f\) 在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导。若存在 \(m\in\mathbb{R}\) 使 \(\forall x\in\,]a;b[\),\(f'(x)\geqslant m\),则 \(f(b)-f(a)\geqslant m(b-a)\)。推论 2.3:若 \(f\) 在 \(I\) 上可导,且存在正实数 \(M\) 使 \(|f'(x)|\leqslant M\),则 \(\forall(x_1,x_2)\in I^2\),\(|f(x_1)-f(x_2)|\leqslant M|x_1-x_2|\)(即 \(f\) 在 \(I\) 上 Lipschitz)。
Théorème 2.3Égalité des accroissements finis (Cauchy)(Cauchy 中值定理)

Soient \(f, g\) deux fonctions continues sur \([a;b]\) et dérivables sur \(]a;b[\), vérifiant \(g'(x) \neq 0\) sur \(]a;b[\). Alors il existe \(c \in ]a;b[\) tel que

\[\frac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \frac{f'(c)}{g'(c)}.\]

Preuve. Si \(g(a) = g(b)\), d’après le théorème de Rolle, il existe \(c \in ]a;b[\) tel que \(g'(c) = 0\) — contradiction avec \(g' \neq 0\). Donc \(g(a) \neq g(b)\). Considérons la fonction

\[h(x) = f(x) - g(x)\,\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}.\]

\(h\) est dérivable sur \(]a;b[\) et continue sur \([a;b]\), et \(h(a) = h(b) = \dfrac{f(a)g(b) - f(b)g(a)}{g(b)-g(a)}\). En appliquant Rolle, il existe \(c\) tel que \(h'(c) = 0\), ce qui équivaut à \(f'(c) = g'(c)\dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}\). ∎

定理 2.3(有限增量等式,Cauchy 中值定理)译文 设 \(f,g\) 是在 \([a;b]\) 连续、在 \(]a;b[\) 可导的两个函数,且 \(g'(x)\) 在 \(]a;b[\) 上不为零。则存在 \(c\in]a;b[\) 使得 \(\dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\dfrac{f'(c)}{g'(c)}\)。证明:若 \(g(a)=g(b)\),由罗尔定理,存在 \(c\in]a;b[\) 使 \(g'(c)=0\)——与 \(g'\ne0\) 矛盾。故 \(g(a)\ne g(b)\)。考虑函数 \(h(x)=f(x)-g(x)\cdot\dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}\)。\(h\) 在 \(]a;b[\) 可导、在 \([a;b]\) 连续,且 \(h(a)=h(b)=\dfrac{f(a)g(b)-f(b)g(a)}{g(b)-g(a)}\)。应用罗尔定理,存在 \(c\) 使 \(h'(c)=0\),这等价于 \(f'(c)=g'(c)\cdot\dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}\)。∎
Proposition 2.4Monotonie et signe de la dérivée

Soient \(I\) un intervalle et \(f\) une fonction dérivable de \(I\) dans \(\mathbb{R}\). La fonction \(f\) est croissante(递增) (resp. décroissante(递减)) sur \(I\) ssi

\[\forall x \in I,\quad f'(x) \geqslant 0 \qquad (\text{resp. } f'(x) \leqslant 0).\]

Preuve. (⟹) Si \(f\) est croissante, \(\forall x_0 \in I\), le taux d’accroissement de \(f\) en \(x_0\) est une fonction positive et sa limite \(f'(x_0)\) est donc positive. (⟸) Réciproquement, supposons \(\forall x \in I,\ f'(x) \geqslant 0\). Soient \(x_1, x_2 \in I,\ x_1 < x_2\). Par l’inégalité des accroissements finis sur \([x_1;x_2]\) : \(f(x_2) - f(x_1) = f'(c)(x_2 - x_1) \geqslant 0\), par suite \(f(x_2) \geqslant f(x_1)\) : \(f\) est croissante. ∎

命题 2.4(译文) 设 \(I\) 为区间,\(f\) 为 \(I\) 到 \(\mathbb{R}\) 的可导函数。\(f\) 在 \(I\) 上递增(resp. 递减)⟺ \(\forall x\in I,\ f'(x)\geqslant0\)(resp. \(f'(x)\leqslant0\))。证明:(⟹) 若 \(f\) 递增,则 \(\forall x_0\in I\),\(f\) 在 \(x_0\) 的改变率是正函数,其极限 \(f'(x_0)\) 也非负。(⟸) 反之,设 \(\forall x\in I,\ f'(x)\geqslant0\)。取 \(x_1,x_2\in I\),\(x_1<x_2\)。由假设 \(f\) 在 \([x_1;x_2]\) 连续、在 \(]x_1;x_2[\) 可导,在 \([x_1;x_2]\) 上用有限增量(等式/不等式):\(f(x_2)-f(x_1)=f'(c)(x_2-x_1)\geqslant0\),故 \(f(x_2)\geqslant f(x_1)\):\(f\) 递增。∎
Proposition 2.5 & 2.6 & 2.7Monotonie strictes

Proposition 2.5. \(f\) dérivable sur \(I\). \(f\) est strictement croissante (resp. strictement décroissante) sur \(I\) si \(\forall x \in I,\ f'(x) > 0\) (resp. \(f'(x) < 0\)). Remarque : la réciproque est évidemment fausse en général : \(f(x) = x^3\) est strictement croissante sur \(\mathbb{R}\) mais \(f'(0) = 0\).

Proposition 2.6. Une fonction \(f\) dérivable sur un intervalle \(I\) est strictement monotone sur \(I\) ssi on a les deux conditions suivantes : 1° sa dérivée est de signe constant ; 2° il n’existe pas d’intervalle inclus dans \(I\) et contenant au moins deux points sur lequel \(f'\) soit identiquement nulle.(即:不存在包含于 \(I\) 的、且至少包含二个不同点的区间,使得 \(f'\) 在此区间恒为零)

Preuve (2.6). La condition (1) étant équivalente à la monotonie de \(f\), il suffit de montrer que pour une fonction monotone dérivable, la stricte monotonie est équivalente à la condition (2). Or \(f\) n’est pas strictement monotone ssi on peut trouver deux points distincts \(a\) et \(b\) tels que \(f(a) = f(b)\), i.e. ssi \(f\) est constante sur un intervalle contenant au moins deux points ; enfin, ssi \(f' = 0\) sur un tel intervalle. ∎

Proposition 2.7. Si \(f'\) est de signe constant et ne s’annule qu’en un nombre fini de points, alors \(f\) est strictement monotone.(即 \(f'\) 在有限个点处为零不会影响 \(f\) 的单调性;非必要条件)〔图 : \(f'\) s’annule en des points dénombrables〕

Remarque. Si \(I\) n’est pas un intervalle, alors \(f'\) peut être nul sans pour autant que la fonction soit constante(\(I\) 必须为区间,否则 \(f'=0 \nRightarrow f\) 为常数).

Exemple 2.2. Montrer que la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}^*\) par \(x \mapsto \arctan x + \arctan \dfrac{1}{x}\) n’est pas constante :

\[f'(x) = \frac{1}{1+x^2} + \frac{1}{1+\frac{1}{x^2}}\cdot\left(-\frac{1}{x^2}\right) = 0 \quad \forall x \in \mathbb{R}^*.\]

\(f'\) est nulle sur \(\mathbb{R}^*\) qui n’est pas un intervalle. Or \(f(1) = \arctan 1 + \arctan 1 = \frac{\pi}{2}\) : \(f\) est constante égale à \(\frac{\pi}{2}\) sur \(\mathbb{R}_+^*\) ; \(f(-1) = -\frac{\pi}{2}\) : \(f\) est constante égale à \(-\frac{\pi}{2}\) sur \(\mathbb{R}_-^*\). Donc \(f\) n’est pas constante sur \(\mathbb{R}^*\).

命题 2.5 / 2.6 / 2.7 与例 2.2(译文) 命题 2.5:\(f\) 在 \(I\) 上可导。若 \(\forall x\in I,\ f'(x)>0\)(\(f'(x)<0\)),则 \(f\) 在 \(I\) 上严格递增(严格递减)。注:逆命题一般不真:\(f(x)=x^3\) 在 \(\mathbb{R}\) 上严格递增,但 \(f'(0)=0\)。命题 2.6:定义在区间 \(I\) 上的可导函数 \(f\) 在 \(I\) 上严格单调 ⟺ 同时满足两条:1° 其导数定号(signe constant,符号不变);2° 不存在包含于 \(I\) 且至少含两个不同点的区间,使 \(f'\) 在其上恒为零。证明(2.6):条件 (1) 等价于 \(f\) 的单调性,故只需证:对单调可导函数,严格单调等价于条件 (2)。而 \(f\) 不严格单调 ⟺ 存在两个不同点 \(a,b\) 使 \(f(a)=f(b)\) ⟺ \(f\) 在某个至少含两点的区间上为常值 ⟺ \(f'\) 在该区间上恒为零。∎ 命题 2.7:若 \(f'\) 定号且只在有限个点为零,则 \(f\) 严格单调。(即 \(f'\) 在有限个点处为零不影响 \(f\) 的单调性;非必要条件)注:若 \(I\) 不是区间,则 \(f'\) 可以为零而函数不为常值。例 2.2:证明 \(\mathbb{R}^*\) 上定义的函数 \(x\mapsto\arctan x+\arctan\frac1x\) 不是常值:\(f'(x)=\frac{1}{1+x^2}+\frac{1}{1+\frac{1}{x^2}}\cdot\big(-\frac{1}{x^2}\big)=0\),\(\forall x\in\mathbb{R}^*\)。\(f'\) 在 \(\mathbb{R}^*\) 上为零,而 \(\mathbb{R}^*\) 不是区间。但 \(f(1)=\arctan1+\arctan1=\frac\pi2\):\(f\) 在 \(\mathbb{R}_+^*\) 上恒等于 \(\frac\pi2\);\(f(-1)=-\frac\pi2\):\(f\) 在 \(\mathbb{R}_-^*\) 上恒等于 \(-\frac\pi2\)。故 \(f\) 在 \(\mathbb{R}^*\) 上不是常值。
ApplicationObtention d’inégalités classiques(经典不等式)
InégalitéPour tout
\(|\sin x| \leqslant |x|\)\(\forall x \in \mathbb{R}\)
\(\ln(1+x) \leqslant x\)\(\forall x \in ]-1;+\infty[\)
\(e^x \geqslant 1 + x\)\(\forall x \in \mathbb{R}\)
\(\tan x \geqslant x\)\(\forall x \in [0;\frac{\pi}{2}[\)
\(\sinh x \geqslant x\)\(\forall x \geqslant 0\)
\(\tanh x \leqslant x\)\(\forall x \geqslant 0\)

Preuves (par TAF / IAF). 1. \(\forall t,\ |(\sin t)'| = |\cos t| \leqslant 1\) ; appliquer l’IAF à Sinus sur \([0;x]\) (resp. \([x;0]\)) : \(|\sin x| \leqslant |x|\). 2. \(f(x) = \ln(1+x) - x\) : \(f'(x) = \frac{1}{1+x} - 1 = \frac{-x}{1+x}\), négative sur \([0;+\infty[\), positive sur \(]-1;0]\) ; donc \(f\) croît sur \(]-1;0]\) et décroît sur \([0;+\infty[\) ; comme \(f(0) = 0\), \(f(x) \leqslant 0\) sur \(]-1;+\infty[\), i.e. \(\ln(1+x) \leqslant x\). 3. Appliquer le TAF à \(e^x\) sur \([0;x]\) : \(e^x - e^0 = x e^c \geqslant x\) (si \(x \geqslant 0\), car \(e^c \geqslant 1\) ; l’autre cas est analogue). 4. \((\tan)' = \frac{1}{\cos^2} \geqslant 1\) sur \([0;\frac\pi2[\) ⟹ \(\tan x \geqslant x\). 5–6. \((\sinh)' = \cosh \geqslant 1\) et \((\tanh)' = 1 - \tanh^2 \leqslant 1\), TAF sur \([0;x]\). ∎

经典不等式(译文) 六条不等式如上表,全部由有限增量定理/不等式或单调性推出:1. \(\forall t\in\mathbb{R}\),\(|(\sin t)'|=|\cos t|\leqslant1\);对正弦函数在 \([0;x]\)(\(x\geqslant0\) 时;\(x\leqslant0\) 时在 \([x;0]\))应用 IAF,得 \(|\sin x|\leqslant|x|\)。2. 考虑 \(f(x)=\ln(1+x)-x\):\(f'(x)=\frac{1}{1+x}-1=\frac{-x}{1+x}\),在 \([0;+\infty[\) 上为负、在 \(]-1;0]\) 上为正;故 \(f\) 在 \(]-1;0]\) 递增、在 \([0;+\infty[\) 递减;又 \(f(0)=0\),所以 \(\forall x\in]-1;+\infty[\),\(f(x)\leqslant0\),即 \(\ln(1+x)\leqslant x\)。3. 对 \(e^x\) 在 \([0;x]\) 应用 TAF:\(e^x-e^0=xe^c\geqslant x\)(\(x\geqslant0\) 时,因 \(e^c\geqslant1\);\(x\leqslant0\) 情形类似)。4. \((\tan)'=\frac{1}{\cos^2}\geqslant1\) 于 \([0;\frac\pi2[\) ⟹ \(\tan x\geqslant x\)。5–6. \((\sinh)'=\cosh\geqslant1\)、\((\tanh)'=1-\tanh^2\leqslant1\),对 \([0;x]\) 用 TAF。∎

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-7)

Terme中文备注
extremum (local) / minimum / maximum local(局部)极值 / 极小 / 极大
théorème de Fermat (lemme de Fermat)费马引理内点极值+可导 ⟹ 导数为零
théorème de Rolle罗尔定理
égalité des accroissements finis (TAF, Lagrange)有限增量公式 / Lagrange 中值定理
inégalité des accroissements finis (IAF)有限增量不等式
théorème de Cauchy (accroissements finis)柯西中值定理
croissant / décroissant / strictement monotone递增 / 递减 / 严格单调
signe constant定号(符号不变)
fonction lipschitzienne利普希茨函数推论 2.3
borne atteinte (théorème des bornes atteintes)最值定理(有界闭区间上连续函数取到最值)Rolle 证明所依赖
parabole / tangente parallèle à la corde抛物线 / 平行于弦的切线例 2.1 几何解释

I-8Fonctions hyperboliques ; règle de L’Hôpital ; série harmonique双曲函数、洛必达法则与调和级数

Définition 2.1Les fonctions hyperboliques

Les fonctions hyperboliques sont analogues aux fonctions trigonométriques. Ce sont les fonctions suivantes :〔图 (a)–(d) : sinh, cosh, tanh, coth〕

Sinus hyperbolique(双曲正弦) : \(\displaystyle \sinh(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2}\). sinh est une bijection(双射) de classe \(C^1\) de \(\mathbb{R}\) dans \(\mathbb{R}\), strictement croissante et impaire(奇函数).

Cosinus hyperbolique : \(\displaystyle \cosh(x) = \frac{e^x + e^{-x}}{2}\). cosh est une application de classe \(C^1\) de \(\mathbb{R}\) dans \([1;+\infty[\), strictement croissante sur \(\mathbb{R}_+\) et paire.

Tangente hyperbolique : \(\displaystyle \tanh(x) = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} = \frac{e^{2x} - 1}{e^{2x} + 1}\). tanh est une bijection de classe \(C^1\) de \(\mathbb{R}\) dans \(]-1;1[\), strictement croissante et impaire.

Cotangente hyperbolique : \(\displaystyle \coth(x) = \frac{\cosh x}{\sinh x} = \frac{e^x + e^{-x}}{e^x - e^{-x}} = \frac{e^{2x} + 1}{e^{2x} - 1}\). coth est une bijection de classe \(C^1\) de \(\mathbb{R}^*\) dans \(]-\infty;-1[\,\cup\,]1;+\infty[\).

定义 2.1(双曲函数)译文 双曲函数是三角函数的类比。它们是如下函数:双曲正弦 \(\sinh(x)=\dfrac{e^x-e^{-x}}{2}\):sinh 是从 \(\mathbb{R}\) 到 \(\mathbb{R}\) 的 \(C^1\) 类双射,严格递增且为奇函数。双曲余弦 \(\cosh(x)=\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}\):cosh 是从 \(\mathbb{R}\) 到 \([1;+\infty[\) 的 \(C^1\) 类映射,在 \(\mathbb{R}_+\) 上严格递增且为偶函数(paire)。双曲正切 \(\tanh(x)=\dfrac{\sinh x}{\cosh x}=\dfrac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}=\dfrac{e^{2x}-1}{e^{2x}+1}\):tanh 是从 \(\mathbb{R}\) 到 \(]-1;1[\) 的 \(C^1\) 类双射,严格递增且为奇函数。双曲余切 \(\coth(x)=\dfrac{\cosh x}{\sinh x}=\dfrac{e^x+e^{-x}}{e^x-e^{-x}}=\dfrac{e^{2x}+1}{e^{2x}-1}\):coth 是从 \(\mathbb{R}^*\) 到 \(]-\infty;-1[\,\cup\,]1;+\infty[\) 的 \(C^1\) 类双射。
Les dérivées双曲函数的导数
\[(\sinh x)' = \cosh x, \qquad (\cosh x)' = \sinh x,\] \[(\tanh x)' = \frac{1}{\cosh^2 x} = 1 - \tanh^2 x, \qquad (\coth x)' = -\frac{1}{\sinh^2 x} = 1 - \coth^2 x.\]

注意 \(\cosh\) 的导数不带负号(与三角的 \(\cos'=-\sin\) 对照)。

DéfinitionSécante et cosécante hyperboliques

Sécante hyperbolique : \(\forall x \in \mathbb{R},\ \operatorname{sech} x = \dfrac{1}{\cosh x}\). Cosécante hyperbolique : \(\forall x \in \mathbb{R}^*,\ \operatorname{csch} x = \dfrac{1}{\sinh x}\).

Par construction, \(e^x = \cosh x + \sinh x\) et \(e^{-x} = \cosh x - \sinh x\). On en déduit la formule suivante :

\[\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1.\]

De même que les points \((\cos x; \sin x)\) décrivent un cercle lorsque \(x\) parcourt \(\mathbb{R}\), les points \((\cosh x; \sinh x)\) décrivent une branche d’hyperbole(双曲线的一支).

(译文) 双曲正割:定义为 \(\forall x\in\mathbb{R},\ \operatorname{sech}x=\dfrac{1}{\cosh x}\)。双曲余割:定义为 \(\forall x\in\mathbb{R}^*,\ \operatorname{csch}x=\dfrac{1}{\sinh x}\)。由构造,\(e^x=\cosh x+\sinh x\) 且 \(e^{-x}=\cosh x-\sinh x\)。由此推出公式 \(\cosh^2x-\sinh^2x=1\)。正如点 \((\cos x;\sin x)\) 当 \(x\) 遍历 \(\mathbb{R}\) 时描绘出一个圆,点 \((\cosh x;\sinh x)\) 描绘出双曲线的一支(「双曲」之名的由来)。
原讲义把 csch 的取值范围写作 « \(\forall x\in\mathbb{R}\) »;因 \(\sinh 0 = 0\),\(\operatorname{csch}\) 只能定义在 \(\mathbb{R}^*\) 上,已更正。
Proposition 2.8La règle de l’Hôpital(洛必达法则)

Soient \(f, g\) deux fonctions dérivables sur \(]a;b[\), et \(g'\) ne s’annulant pas. Si

\[\lim_{x\to a^+} f(x) = 0, \quad \lim_{x\to a^+} g(x) = 0, \quad \lim_{x\to a^+}\frac{f'(x)}{g'(x)} = l,\]

alors \(\displaystyle\lim_{x\to a^+}\frac{f(x)}{g(x)} = l\).

Et (forme \(\frac{\cdot}{\infty}\)) si \(\displaystyle\lim_{x\to a^+} g(x) = +\infty\) et \(\displaystyle\lim_{x\to a^+}\frac{f'(x)}{g'(x)} = l\), alors \(\displaystyle\lim_{x\to a^+}\frac{f(x)}{g(x)} = l\).

Preuve. On construit le prolongement par continuité de \(f\) et de \(g\) en \(a\) : \(\tilde f(x) = f(x)\) si \(x \neq a\), \(\tilde f(a) = 0\) ; de même \(\tilde g\). En utilisant le TAF (de Cauchy) sur le segment \([a;x]\), on a alors il existe \(c \in ]a;x[\) tel que

\[\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\tilde f(x) - \tilde f(a)}{\tilde g(x) - \tilde g(a)} = \frac{\tilde f'(c)}{\tilde g'(c)} = \frac{f'(c)}{g'(c)},\]

et \(c \to a^+\) lorsque \(x \to a^+\) : on a donc \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f(x)}{g(x)} = \lim_{c\to a^+}\dfrac{f'(c)}{g'(c)} = l\). ∎

命题 2.8(洛必达法则)译文 设 \(f,g\) 是 \(]a;b[\) 上两个可导函数,且 \(g'\) 不取零。若 \(\lim_{x\to a^+}f(x)=0\)、\(\lim_{x\to a^+}g(x)=0\),且 \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f'(x)}{g'(x)}=l\),则 \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f(x)}{g(x)}=l\)。又(\(\frac{\cdot}{\infty}\) 型)若 \(\lim_{x\to a^+}g(x)=+\infty\) 且 \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f'(x)}{g'(x)}=l\),则 \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f(x)}{g(x)}=l\)。证明:构造 \(f\) 与 \(g\) 在 \(a\) 的连续延拓:\(x\ne a\) 时 \(\tilde f(x)=f(x)\)、\(\tilde f(a)=0\);\(\tilde g\) 同理。在线段 \([a;x]\) 上使用(柯西)有限增量定理,则存在 \(c\in]a;x[\) 使 \(\dfrac{f(x)}{g(x)}=\dfrac{\tilde f(x)-\tilde f(a)}{\tilde g(x)-\tilde g(a)}=\dfrac{\tilde f'(c)}{\tilde g'(c)}=\dfrac{f'(c)}{g'(c)}\),且当 \(x\to a^+\) 时 \(c\to a^+\):于是 \(\lim_{x\to a^+}\dfrac{f(x)}{g(x)}=\lim_{c\to a^+}\dfrac{f'(c)}{g'(c)}=l\)。∎
Remarques条件只是充分的

1. On remarquera que les formes ne donnent que des conditions suffisantes d’existence de la limite. Il existe donc des cas où la limite du quotient des dérivées n’existe pas et pourtant la limite du quotient des fonctions existe.(导数比极限存在只是充分条件)

Exemple : \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x^2 \sin\frac1x}{x} = \lim_{x\to0} x\sin\frac1x = 0\), mais \(\displaystyle\frac{(x^2\sin\frac1x)'}{(x)'} = 2x\sin\frac1x - \cos\frac1x\) n’admet pas de limite en \(0\).

2. On prendra soin de vérifier que \(g'(x)\) est bien non nul au voisinage de \(a\) ; sinon la règle n’est pas applicable.(\(g'\) 在 \(a\) 邻域不为 \(0\),否则洛必达法则不适用)Exemple : \(f(x) = x + \cos x \sin x\), \(g(x) = e^{\sin x}\big(x + \cos x \sin x\big)\) ; alors

\[f'(x) = 2\cos^2 x, \qquad g'(x) = e^{\sin x}\cos x\big(x + \sin x \cos x + 2\cos x\big),\]

donc \(\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)} = \lim_{x\to+\infty}\frac{2\cos x}{e^{\sin x}\big(x+\sin x\cos x + 2\cos x\big)} = 0\), mais \(\displaystyle\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{1}{e^{\sin x}}\) n’admet pas de limite en \(+\infty\) car \(\dfrac{1}{e^{\sin x}}\) oscille entre \(\dfrac1e\) et \(e\).

注(译文) 1. 应注意这些形式只给出极限存在的充分条件(condition suffisante)。因此存在这样的情形:导数之比的极限不存在,但函数之比的极限却存在。例:\(\lim_{x\to0}\dfrac{x^2\sin\frac1x}{x}=\lim_{x\to0}x\sin\frac1x=0\),但 \(\dfrac{(x^2\sin\frac1x)'}{(x)'}=2x\sin\frac1x-\cos\frac1x\) 在 \(0\) 没有极限。2. 务必验证 \(g'(x)\) 在 \(a\) 的邻域内确实不为零,否则法则不适用。例:\(f(x)=x+\cos x\sin x\),\(g(x)=e^{\sin x}(x+\cos x\sin x)\);此时 \(f'(x)=2\cos^2x\),\(g'(x)=e^{\sin x}\cos x\,(x+\sin x\cos x+2\cos x)\),于是 \(\lim_{x\to+\infty}\dfrac{f'(x)}{g'(x)}=\lim_{x\to+\infty}\dfrac{2\cos x}{e^{\sin x}(x+\sin x\cos x+2\cos x)}=0\),但 \(\dfrac{f(x)}{g(x)}=\dfrac{1}{e^{\sin x}}\) 在 \(+\infty\) 没有极限,因为 \(\dfrac{1}{e^{\sin x}}\) 在 \(\dfrac1e\) 与 \(e\) 之间振荡。
Exemple 2.3La série harmonique(调和级数)

Soit \(x > 0\) ; \(f(x) = \ln x\). En appliquant le TAF à la fonction ln sur \([x; x+1]\) :

\[\frac{1}{x+1} \leqslant \ln(x+1) - \ln x \leqslant \frac{1}{x}.\]

On a alors, pour \(p \geqslant 2\)

\[\ln(p+1) - \ln p \leqslant \frac{1}{p} \leqslant \ln p - \ln(p-1),\]

en sommant terme à terme :

\[\ln(n+1) - \ln 2 \leqslant \sum_{p=2}^{n}\frac{1}{p} \leqslant \ln n,\]

et donc \(\displaystyle\lim_{n\to+\infty}\frac{1}{\ln n}\sum_{p=1}^{n}\frac{1}{p} = 1\). Nous venons de montrer que la série appelée série harmonique(调和级数)\(\displaystyle\sum_{n\ge1}\frac1n\) diverge, et que cette divergence a lieu à la vitesse \(\ln n\).

例 2.3(调和级数)译文 设 \(x>0\),\(f(x)=\ln x\)。对 ln 函数在 \([x;x+1]\) 上应用有限增量定理:\(\dfrac{1}{x+1}\leqslant\ln(x+1)-\ln x\leqslant\dfrac1x\)。于是对 \(p\geqslant2\) 有 \(\ln(p+1)-\ln p\leqslant\dfrac1p\leqslant\ln p-\ln(p-1)\)。逐项求和(sommer terme à terme):\(\ln(n+1)-\ln2\leqslant\sum_{p=2}^{n}\dfrac1p\leqslant\ln n\)。从而 \(\lim_{n\to+\infty}\dfrac{1}{\ln n}\sum_{p=1}^{n}\dfrac1p=1\)。我们刚刚证明了称为调和级数(série harmonique)的级数 \(\sum_{n\ge1}\dfrac1n\) 发散,且这一发散的速度(vitesse)为 \(\ln n\)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-8)

Terme中文备注
fonctions hyperboliques : sinh, cosh, tanh, coth双曲正弦/余弦/正切/余切
sectante / cosectante hyperbolique (sech, csch)双曲正割 / 双曲余割
branche d’hyperbole双曲线的一支\((\cosh,\sinh)\) 的轨迹
règle de L’Hôpital洛必达法则\(\frac00,\ \frac{\cdot}{\infty}\) 型
forme indéterminée不定式
condition suffisante充分条件洛必达只给充分性
série harmonique调和级数发散,速度 \(\ln n\)
sommer terme à terme逐项求和(叠代求和)
vitesse (de divergence / convergence)(发散/收敛的)速度

I-9Prolongement \(C^1\) ; suites récurrentes et points fixes\(C^1\) 延拓、递推数列与不动点

Position du problèmeProlongement \(C^1\) de fonctions

Soit une fonction \(f\) définie sur un intervalle \(I\) de \(\mathbb{R}\) et dérivable sur \(I\). Soit \(a \in \mathbb{R}\) une borne de \(I\) telle que \(a \notin I\). Si \(\displaystyle\lim_{x\to a^+} f(x) = l \in \mathbb{R}\), alors on peut prolonger \(f\) par continuité(连续延拓) en \(a\). Est-ce que ce prolongement est dérivable en \(a\) ? Est-il de classe \(C^1\) en \(a\) ?

1. On construit le prolongement par continuité \(\tilde f : I \cup \{a\} \to \mathbb{R},\ x \mapsto \begin{cases} f(x), & x \neq a,\\ l, & \text{sinon.}\end{cases}\) Ce prolongement est continu sur \(I \cup \{a\}\).

2. Si la limite \(\displaystyle\lim_{x\to a}\frac{\tilde f(x) - \tilde f(a)}{x-a}\) existe, \(\tilde f\) est dérivable en \(a\).

3. Si \(\tilde f\) est bien dérivable en \(a\) et si \(\displaystyle\lim_{x\to a^+} f'(x) = \tilde f'(a)\), alors \(\tilde f\) est continûment dérivable en \(a\).

问题设置(译文) 设函数 \(f\) 定义在 \(\mathbb{R}\) 的区间 \(I\) 上且在 \(I\) 上可导。设 \(a\in\mathbb{R}\) 是 \(I\) 的一个端点且 \(a\notin I\)。若 \(\lim_{x\to a^+}f(x)=l\in\mathbb{R}\),则可以把 \(f\) 在 \(a\) 处连续延拓。问:这个延拓在 \(a\) 可导吗?在 \(a\) 是 \(C^1\) 类的吗? 1. 构造 \(f\) 在 \(a\) 的连续延拓 \(\tilde f:I\cup\{a\}\to\mathbb{R}\):\(x\ne a\) 时取 \(f(x)\),否则取 \(l\)。此延拓在 \(I\cup\{a\}\) 上连续。2. 若极限 \(\lim_{x\to a}\dfrac{\tilde f(x)-\tilde f(a)}{x-a}\) 存在,则 \(\tilde f\) 在 \(a\) 可导。3. 若 \(\tilde f\) 确在 \(a\) 可导,且 \(\lim_{x\to a^+}f'(x)=\tilde f'(a)\),则 \(\tilde f\) 在 \(a\) 连续可导。
Théorème 2.4

Soit \(a \in I\), \(f \in C(I)\) et dérivable sur \(I \setminus \{a\}\). Si \(f'|_{I\setminus\{a\}}\) a une limite finie \(l\) en \(a\), alors \(f\) est dérivable en \(a\) et \(f'(a) = l\), et donc \(f'\) est continue en \(a\).

Preuve. Soit \(x \in I\setminus\{a\}\) ; le TAF nous donne un point \(c_x\) strictement compris entre \(a\) et \(x\) tel que \(\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} = f'(c_x)\). Comme \(c_x \to a\) lorsque \(x \to a\), on en déduit \(\displaystyle\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a} = \lim_{x\to a} f'(c_x) = l = f'(a)\). Ce qui donne le résultat cherché. ∎

Remarque. C’est une condition suffisante. Il se peut que \(f'(a)\) existe sans que \(f'|_{I\setminus\{a\}}\) ait une limite en \(f'(a)\).

Exemple 2.4. \(f(x) = x^2\sin\frac1x\). Le prolongement de cette fonction en \(0\) est \(f(x) = \begin{cases} x^2 \sin\frac1x, & x \neq 0,\\ 0, & \text{sinon.}\end{cases}\) On calcule sa dérivée en \(0\) par le taux d’accroissement : \(f'(0) = \lim_{x\to 0} x \sin \frac1x = 0\). Mais \(f'(x) = 2x\sin\frac1x - \cos\frac1x\) n’a pas de limite en \(0\).

定理 2.4(导数极限定理)译文 设 \(a\in I\),\(f\in C(I)\) 且在 \(I\setminus\{a\}\) 上可导。若 \(f'\) 限制在 \(I\setminus\{a\}\) 上在 \(a\) 有有限极限 \(l\),则 \(f\) 在 \(a\) 可导且 \(f'(a)=l\);从而 \(f'\) 在 \(a\) 连续。证明:设 \(x\in I\setminus\{a\}\);有限增量定理给出严格介于 \(a\) 与 \(x\) 之间的一点 \(c_x\),使 \(\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=f'(c_x)\)。当 \(x\to a\) 时 \(c_x\to a\),于是得 \(\lim_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=\lim_{x\to a}f'(c_x)=l=f'(a)\)。此即所求。∎ 注:这是充分条件。可能出现 \(f'(a)\) 存在、但 \(f'\) 在 \(I\setminus\{a\}\) 上于 \(a\) 处没有极限的情形。例 2.4:\(f(x)=x^2\sin\frac1x\) 在 \(0\) 的延拓为 \(x\ne0\) 时 \(x^2\sin\frac1x\)、否则为 \(0\)。用改变率计算其在 \(0\) 的导数:\(f'(0)=\lim_{x\to0}x\sin\frac1x=0\)。但 \(f'(x)=2x\sin\frac1x-\cos\frac1x\) 在 \(0\) 没有极限。
Méthode / Exemple 2.5

Le prolongement de la fonction \(f\)(判据). 1. 类似地构造延拓 \(\tilde f\);2. 若 \(\displaystyle\lim_{x\to a} f'(x) = l\) 存在,则 \(\tilde f\) 在 \(I\) 上可导且为 \(C^1\) 类。

Exemple 2.5. \(f(x) = \begin{cases} e^{-\frac{1}{x}}, & \text{si } x > 0,\\ 0, & \text{si } x \leqslant 0.\end{cases}\)

\(f\) est continue sur \(\mathbb{R}\) et de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}^*\) en tant que composée de fonctions de classe \(C^1\). En \(0\), \(\displaystyle\lim_{x\to 0^+} f'(x) = \lim_{x\to 0^+}\frac{e^{-1/x}}{x^2} = 0\). Donc \(f\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\).

方法与例 2.5(译文) 函数 \(f\) 的延拓(判据):1. 类似地构造延拓 \(\tilde f\);2. 若 \(\lim_{x\to a}f'(x)=l\) 存在,则 \(\tilde f\) 在 \(I\) 上可导且为 \(C^1\) 类。例 2.5:\(x>0\) 时 \(f(x)=e^{-\frac1x}\);\(x\leqslant0\) 时 \(f(x)=0\)。\(f\) 作为 \(C^1\) 类函数的复合,在 \(\mathbb{R}\) 上连续、在 \(\mathbb{R}^*\) 上为 \(C^1\) 类。在 \(0\) 处,\(\lim_{x\to0^+}f'(x)=\lim_{x\to0^+}\dfrac{e^{-1/x}}{x^2}=0\)。故 \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上是 \(C^1\) 类。
Définition 2.2Ensemble stable ; suites récurrentes(递推数列)

On dit qu’un sous-ensemble \(X \subset D\) est stable(稳定的) pour \(f\) ssi \(f(X) \subset X\).

Les suites récurrentes(递推数列). 1. Considérons une fonction \(f : X \to \mathbb{R}\). Si \(u_0 \in X\) où \(X\) est une sous-partie stable, alors on définit la suite récurrente

\[\begin{cases} u_0 \in X \subset D,\\ u_{n+1} = f(u_n) \quad \forall n \in \mathbb{N}.\end{cases}\]
定义 2.2(稳定集与递推数列) 若 \(f(X)\subset X\) 则称 \(X\) 对 \(f\) 稳定。取初值 \(u_0\in X\),由 \(u_{n+1}=f(u_n)\) 定义递推数列。
Suites récurrentes — 2. Monotonie

Si \(f\) est croissante sur \(X\), alors \(\begin{cases} u_0 \leqslant u_1 \Rightarrow (u_n) \text{ croissante},\\ u_0 \geqslant u_1 \Rightarrow (u_n) \text{ décroissante}.\end{cases}\)

Si \(f\) est décroissante sur \(X\), alors \(f \circ f\) est croissante sur \(X\), et

\[\begin{cases} u_0 \leqslant u_2 \Rightarrow (u_{2n}) \text{ croissante}, & u_0 \geqslant u_2 \Rightarrow (u_{2n}) \text{ décroissante},\\ u_1 \leqslant u_3 \Rightarrow (u_{2n+1}) \text{ croissante}, & u_1 \geqslant u_3 \Rightarrow (u_{2n+1}) \text{ décroissante}.\end{cases}\]
单调性判别:\(f\) 递增时,比较 \(u_0,u_1\) 定整列单调;\(f\) 递减时 \(f\circ f\) 递增,分别比较偶、奇子列的初两项,得两个子列各自单调。
Suites récurrentes — 3. Convergence ; point fixe(不动点)

Si \(f\) est continue sur un sous-ensemble \(X\) qui est stable et si \(u_n \to l \in X\), alors

\[l = f(l),\]

\(l\) est dite le point fixe(不动点). Toutes les fonctions n’ont pas nécessairement de point fixe.

Exemple 2.6. \(f(x) = x + 1\) n’en possède pas, car il n’existe aucun nombre réel \(x\) égal à \(x + 1\).

Définition 2.3. Un point fixe attractif(吸引不动点)d’une application \(f\) est un point fixe \(x_0\) de \(f\) tel qu’il existe un voisinage de \(x_0\) sur lequel la suite de nombres réels \(x,\ f(x),\ (f\circ f)(x),\ (f\circ f\circ f)(x), \dots\) converge vers \(x_0\). Tous les points fixes d’une fonction ne sont pas nécessairement attractifs : ainsi, la fonction réelle \(x \mapsto -x\) possède un unique point fixe en \(0\), qui n’est pas attractif.

收敛性:连续+稳定集+收敛 ⟹ 极限是不动点 \(l=f(l)\)。例 2.6:\(x+1\) 无不动点。定义 2.3:吸引不动点=存在邻域使迭代轨道收敛于它;不都吸引:\(x\mapsto-x\) 只有不动点 \(0\),但迭代在 \(\pm u_0\) 间振荡。
Point fixe — les trois cas

1. Si \(|f'(l)| < 1\), alors \(l\) est un point fixe attractif. De plus, si \(u_n \to l\), alors \(u_n\) converge à vitesse exponentielle vers \(l\) : i.e.

\[\exists\, 0 < k < 1,\ \exists\, C > 0 \text{ tels que } |u_n - l| \leqslant C k^n\]

à partir d’un certain rang.

En effet. \(|u_n - l| = |f(u_{n-1}) - f(l)| = |f'(c_n)|\,|u_{n-1} - l|\), où \(c_n\) est compris entre \(u_{n-1}\) et \(l\). On sait que \(|f'(l)| < 1\) et \(f \in C^1\) : prenons \(\varepsilon = \dfrac{1 - |f'(l)|}{2} > 0\) ; \(\exists \delta > 0,\ \forall x \in\, ]l-\delta, l+\delta[,\ |f'(x)| \leqslant |f'(l)| + \varepsilon\). Notons \(k = \dfrac{1 + |f'(l)|}{2} < 1\). En sachant que \(u_n \to l\), pour tel \(\delta\), \(\exists N \in \mathbb{N},\ \forall n > N,\ u_n \in\, ]l-\delta, l+\delta[\), donc pour tout \(n > N\), \(|f'(c_n)| \leqslant k\). On a alors

\[|u_n - l| \leqslant k|u_{n-1}-l| \leqslant k^2 |u_{n-2}-l| \leqslant \dots \leqslant k^{n-N}|u_N - l| = \frac{|u_N - l|}{k^N}\,k^n = C k^n,\]

avec \(C = \dfrac{|u_N-l|}{k^N}\) une constante. ∎

2. Si \(|f'(l)| > 1\), alors \(l\) est un point fixe répulsif(相斥不动点) : de même, \(|u_n - l| \geqslant k |u_{n-1}-l| \geqslant \dots \geqslant k^{n-N}|u_N - l|\) avec \(k = \dfrac{1 + |f'(l)|}{2} > 1\), donc \(|u_n - l| \to +\infty\) quand \(n \to +\infty\) (sauf si \(u_n = l\) à partir d’un rang).

3. Si \(|f'(l)| = 1\), c’est un cas d’indétermination. Exemple : \(f(x) = \dfrac1x\), de classe \(C^1(\mathbb{R}^*)\). \(f(1) = 1\) : \(x = 1\) est un point fixe de \(f\) ; \(f'(1) = -1\), alors \(|f'(1)| = 1\). Si \(u_0 = 2\), on a \(u_1 = \frac12, u_2 = 2, u_3 = \frac12, u_4 = 2, \dots\), i.e. \(u_{2n} = 2,\ u_{2n+1} = \frac12\) : ce qui implique que \((u_n)\) diverge. Si \(u_0 = 1\), alors \(u_n \equiv 1\) : suite constante, convergente.

不动点三分类(译文) 1. 若 \(|f'(l)|<1\),则 \(l\) 是吸引不动点。而且若 \(u_n\to l\),则 \(u_n\) 以指数速度(vitesse exponentielle)收敛于 \(l\):即存在 \(0<k<1\) 与 \(C>0\) 使 \(|u_n-l|\leqslant Ck^n\) 从某一项起成立。证明:\(|u_n-l|=|f(u_{n-1})-f(l)|=|f'(c_n)|\,|u_{n-1}-l|\),其中 \(c_n\) 介于 \(u_{n-1}\) 与 \(l\) 之间。已知 \(|f'(l)|<1\) 且 \(f\in C^1\):取 \(\varepsilon=\dfrac{1-|f'(l)|}{2}>0\);存在 \(\delta>0\) 使 \(\forall x\in\,]l-\delta,l+\delta[,\ |f'(x)|\leqslant|f'(l)|+\varepsilon\)。记 \(k=\dfrac{1+|f'(l)|}{2}<1\)。由 \(u_n\to l\),对此 \(\delta\) 存在 \(N\in\mathbb{N}\) 使 \(\forall n>N,\ u_n\in\,]l-\delta,l+\delta[\),故对一切 \(n>N\) 有 \(|f'(c_n)|\leqslant k\)。于是 \(|u_n-l|\leqslant k|u_{n-1}-l|\leqslant k^2|u_{n-2}-l|\leqslant\dots\leqslant k^{n-N}|u_N-l|=\dfrac{|u_N-l|}{k^N}k^n=Ck^n\),其中 \(C=\dfrac{|u_N-l|}{k^N}\) 为常数。∎ 2. 若 \(|f'(l)|>1\),则 \(l\) 是排斥不动点(répulsif):同理 \(|u_n-l|\geqslant k|u_{n-1}-l|\geqslant\dots\geqslant k^{n-N}|u_N-l|\),其中 \(k=\dfrac{1+|f'(l)|}{2}>1\),故 \(n\to+\infty\) 时 \(|u_n-l|\to+\infty\)(除非从某项起 \(u_n=l\))。 3. 若 \(|f'(l)|=1\),这是不定情形。例:\(f(x)=\dfrac1x\),属于 \(C^1(\mathbb{R}^*)\)。\(f(1)=1\):\(x=1\) 是 \(f\) 的不动点;\(f'(1)=-1\),故 \(|f'(1)|=1\)。若 \(u_0=2\),则 \(u_1=\frac12,u_2=2,u_3=\frac12,u_4=2,\dots\),即 \(u_{2n}=2,\ u_{2n+1}=\frac12\):从而 \((u_n)\) 发散。若 \(u_0=1\),则 \(u_n\equiv1\):常数列,收敛。
Exemple 2.7Étude complète de \(f : x \mapsto x^2 - 1\)(分类讨论)

\(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R},\ x \mapsto x^2 - 1\). (1) La suite \(u_{n+1} = f(u_n)\) est bien définie et \(\mathbb{R}\) est stable pour \(f\). (2) \(f\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\) ; si \(u_n \to l \in \mathbb{R}\), alors

\[l = l^2 - 1 \iff l_1 = \frac{1+\sqrt5}{2}, \qquad l_2 = \frac{1-\sqrt5}{2}.\]

(3) Monotonie. (a) Supposons \(u_0 \in \,]l_1;+\infty[\). Tout d’abord, \(]l_1;+\infty[\) est stable et \(f\) y est croissante ; ensuite \((u_n)\) est monotone sur cet intervalle : \(f(x) - x > 0\) sur \(]l_1;+\infty[\) ⟹ \((u_n)\) croissante. Enfin, si elle convergeait, elle convergerait vers un point fixe de \(f\), donc \(l_1\) ; mais la suite est croissante et \(u_0 > l_1\) : cela ne converge pas vers \(l_1\) ; nécessairement \(u_n \to +\infty\). En effet, \(f'(l_1) = \dfrac{1+\sqrt5}{2} > 1\) et \(f'(x) = 2x\) est croissante sur \(]l_1;+\infty[\) : pour tout \(x > l_1\), \(|f'(x)| \geqslant k_1 = 1 + \frac{\sqrt5 - 1}{2}\cdot 2 \Rightarrow\) en appliquant le TAF sur \([l_1; u_n]\),

\[|u_n - l_1| = |f(u_{n-1}) - f(l_1)| \geqslant k_1 |u_{n-1}-l_1| \geqslant \dots \geqslant k_1^{\,n}|u_0 - l_1|,\]

d’où \(u_n \geqslant l_1 + k_1^n (u_0 - l_1) \to +\infty\) à vitesse exponentielle. (On peut prendre \(k_1 = 1+\sqrt5 > 1\).)

(b) \(u_0 = l_1\) : la suite est constante.

(c) \(u_0 \in\, ]1; l_1[\) : alors \(u_1 \in\, ]0; l_1[\) et l’intervalle \(]1;l_1[\) n’est pas stable. Supposons cependant que \(\forall n,\ u_n \in\, ]1;l_1[\) : sur cet intervalle on a \(f(x) \leqslant x\), donc \((u_n)\) décroissante ; comme elle est minorée par \(1\), elle converge ; mais alors elle convergerait nécessairement vers \(l_1\), ce qui est impossible pour une suite décroissante issue de \(u_0 < l_1\)… nécessairement il existe \(n_0\) tel que \(u_{n_0} \notin\, ]1;l_1[\), ainsi \(u_{n_0} \in\, ]0;1]\) et nous sommes ramenés au cas (d).

(d) \(u_0 \in\, ]0;1]\) : alors \(u_1 \in\, ]-1;0]\), aux cas suivants.

(e) \(u_0 = -1\) ou \(0\) : la suite vaut \(-1, 0, -1, 0, \dots\). Cette suite périodique de période \(2\) n’a évidemment pas de limite.

(f) \(u_0 = l_2\) : la suite est clairement constante.

(g) \(u_0 \in\, ]-1;0[\,\setminus\{l_2\}\) : l’intervalle \(]-1;0[\) étant stable, on a \(u_n \in\, ]-1;0[\,\setminus\{l_2\},\ \forall n\). Si la suite converge, elle converge nécessairement vers \(l_2\) ; or \(|f'(l_2)| = |2l_2| = \sqrt5 - 1 > 1\) : ce point fixe est répulsif, ainsi \((u_n)\) ne converge pas. Pour obtenir une information qualitative sur le comportement asymptotique, nous étudions les deux sous-suites \((u_{2n})\) et \((u_{2n+1})\) : \(f\) étant décroissante sur \(]-1;0[\), ces deux sous-suites sont monotones. Si \(u_0 \in\, ]l_2;0[\) : comme \(f(]l_2;0[) = ]-1;l_2[\) et \(f(]-1;l_2[) = ]l_2;0[\), on déduit que \((u_{2n})\) est une suite de \(]l_2;0[\) et que \((u_{2n+1})\) est une suite de \(]-1;l_2[\). Et comme \(f(x) \geqslant x\) sur \(]-1;l_2[\) (i.e. \(f\circ f(x) \leqslant x\)) et \(f(x) \leqslant x\) sur \(]l_2;0[\) (i.e. \(f\circ f(x) \geqslant x\)), on obtient que \((u_{2n})\) croît et \((u_{2n+1})\) décroît ; la suite \((u_n)\) diverge. D’ailleurs, on étudie les points fixes de \(f\circ f\) : (\(f\) décroît, \(f\circ f\) croît sur \(]l_2;0[\)) ⟹ \((u_{2n}) \to 0\) et \((u_{2n+1}) \to -1\).

Détail de (g). On va démontrer que \(f\circ f \geqslant x\) pour \(x \in\, ]l_2;0[\) et \(f\circ f \leqslant x\) pour \(x \in\, ]-1;l_2[\). Considérons la fonction

\[g(x) = f\circ f(x) - x = (x^2-1)^2 - 1 - x = x^4 - 2x^2 - x = x(x^3 - 2x - 1) = x(x+1)(x^2 - x - 1).\]

Comme \(x < 0\) et \(x + 1 > 0\) pour \(x \in\, ]-1;0[\), et \(x^2 - x - 1 = f(x) - x < 0\) pour \(x \in\, ]l_2;l_1[\) (ses racines sont \(l_2, l_1\)) : \(g(x) \geqslant 0\) sur \(]l_2;0[\), et \(x^2 - x - 1 > 0\) pour \(x \in\, ]-1;l_2[\) ⟹ \(g(x) \leqslant 0\) sur \(]-1;l_2[\). ∎

(h) Il reste le cas \(u_0 \in\, ]-\infty;-1[\) : on observe alors que \(u_1 \in\, ]0;+\infty[\), ce qui nous ramène aux cas précédents.

例 2.7(迭代 \(u_{n+1}=u_n^2-1\) 的全景分类)译文 \(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R},\ x\mapsto x^2-1\)。(1) 数列 \(u_{n+1}=f(u_n)\) 定义良好,且 \(\mathbb{R}\) 对 \(f\) 稳定。(2) \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上为 \(C^1\) 类;若 \(u_n\to l\in\mathbb{R}\),则 \(l=l^2-1\),即 \(l_1=\dfrac{1+\sqrt5}{2},\ l_2=\dfrac{1-\sqrt5}{2}\)。(3) 单调性。(a) 设 \(u_0\in\,]l_1;+\infty[\):首先 \(]l_1;+\infty[\) 稳定且 \(f\) 在其上递增;其次 \((u_n)\) 在此区间上单调——在 \(]l_1;+\infty[\) 上 \(f(x)-x>0\),故 \((u_n)\) 递增。最后,若它收敛,则必收敛于 \(f\) 的不动点即 \(l_1\);但数列递增且 \(u_0>l_1\):不可能收敛于 \(l_1\);必然 \(u_n\to+\infty\)。事实上 \(f'(l_1)=\dfrac{1+\sqrt5}{2}>1\),且 \(f'(x)=2x\) 在 \(]l_1;+\infty[\) 上递增:对一切 \(x>l_1\),\(|f'(x)|\geqslant k_1=1+\sqrt5>1\);在 \([l_1;u_n]\) 上应用有限增量定理,\(|u_n-l_1|=|f(u_{n-1})-f(l_1)|\geqslant k_1|u_{n-1}-l_1|\geqslant\dots\geqslant k_1^{\,n}|u_0-l_1|\),故 \(u_n\geqslant l_1+k_1^n(u_0-l_1)\),数列以指数速度趋于 \(+\infty\)。(b) \(u_0=l_1\):常数列。(c) \(u_0\in\,]1;l_1[\):则 \(u_1\in\,]0;l_1[\),区间 \(]1;l_1[\) 不稳定。然而假设对一切 \(n\in\mathbb{N}\) 都有 \(u_n\in\,]1;l_1[\):在此区间上 \(f(x)\leqslant x\),故 \((u_n)\) 递减;它被 \(1\) 有下界(minorée),故收敛;但那样它必收敛于 \(l_1\),这对从 \(u_0<l_1\) 出发的递减数列不可能。故必然存在 \(n_0\) 使 \(u_{n_0}\notin\,]1;l_1[\),此时 \(u_{n_0}\in\,]0;1]\),化归到下一情形。(d) \(u_0\in\,]0;1]\):则 \(u_1\in\,]-1;0]\),化归到以下情形。(e) \(u_0=-1\) 或 \(0\):数列为 \(-1,0,-1,0,\dots\)。此周期(périodique)为 \(2\) 的周期数列显然没有极限。(f) \(u_0=l_2\):数列显然为常数列。(g) \(u_0\in\,]-1;0[\setminus\{l_2\}\):区间 \(]-1;0[\) 稳定,故对一切 \(n\in\mathbb{N}\),\(u_n\in\,]-1;0[\setminus\{l_2\}\)。若数列收敛,必收敛于 \(l_2\);但 \(|f'(l_2)|=|2l_2|=\sqrt5-1>1\):该不动点是排斥的,故 \((u_n)\) 不收敛。为获得渐近行为的定性信息,研究两个子列(sous-suites)\((u_{2n})\) 与 \((u_{2n+1})\):由于 \(f\) 在 \(]-1;0[\) 上递减,这两个子列单调。若 \(u_0\in\,]l_2;0[\):由 \(f(]l_2;0[)=]-1;l_2[\) 且 \(f(]-1;l_2[)=]l_2;0[\),得 \((u_{2n})\) 取值于 \(]l_2;0[\)、\((u_{2n+1})\) 取值于 \(]-1;l_2[\)。又在 \(]-1;l_2[\) 上 \(f(x)\geqslant x\)(即 \(f\circ f(x)\leqslant x\))、在 \(]l_2;0[\) 上 \(f(x)\leqslant x\)(即 \(f\circ f(x)\geqslant x\)),故 \((u_{2n})\) 递增、\((u_{2n+1})\) 递减;\((u_n)\) 发散。此外研究 \(f\circ f\) 的不动点:(\(f\) 递减 ⟹ \(f\circ f\) 递增于 \(]l_2;0[\))⟹ \((u_{2n})\to0\) 且 \((u_{2n+1})\to-1\)。(g) 的细节:证明在 \(]l_2;0[\) 上 \(f\circ f\geqslant x\)、在 \(]-1;l_2[\) 上 \(f\circ f\leqslant x\)。考虑 \(g(x)=f\circ f(x)-x=(x^2-1)^2-1-x=x^4-2x^2-x=x(x^3-2x-1)=x(x+1)(x^2-x-1)\)。对 \(x\in\,]-1;0[\) 有 \(x<0\)、\(x+1>0\);而在 \(]l_2;l_1[\) 上 \(x^2-x-1=f(x)-x<0\)(其根为 \(l_2,l_1\)):故在 \(]l_2;0[\) 上 \(g(x)\geqslant0\);而在 \(]-1;l_2[\) 上 \(x^2-x-1>0\) ⟹ 在 \(]-1;l_2[\) 上 \(g(x)\leqslant0\)。∎ (h) 剩下 \(u_0\in\,]-\infty;-1[\):此时 \(u_1\in\,]0;+\infty[\),化归到前面的情形。
Exemples 2.8 & 2.9Itérations pour \(2x^3 - x - 1 = 0\)

On va trouver la racine de cette équation en utilisant la suite récurrente.

1. Prenons \(x = 2x^3 - 1\) en posant \(u_0 = 0\) : \(u_1 = -1,\ u_2 = -3,\ u_3 = -55,\dots\) Donc la suite \((u_n)\) diverge.

2. Prenons \(x = \sqrt[3]{\dfrac{x+1}{2}}\) en posant \(u_0 = 0\) : \(u_1 = 0{,}7937,\ u_2 = 0{,}9644,\ u_3 = 0{,}9944,\ u_4 = 0{,}9990,\ u_5 = 1{,}000,\ u_6 = 1{,}000\). Elle converge vers \(1\).

Pour la même fonction, on peut avoir des résultats différents avec les itérations différentes.

例 2.8 / 2.9 求方程 \(2x^3-x-1=0\) 的根,改写为两种迭代格式:\(x=2x^3-1\) 从 \(0\) 出发得 \(-1,-3,-55,\dots\) 发散;而 \(x=\sqrt[3]{(x+1)/2}\) 从 \(0\) 出发得 \(0.7937, 0.9644, 0.9944,\dots\) 收敛到 \(1\)。同一方程、不同迭代格式,结果可以完全不同——这正是「吸引/排斥」的直观体现。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-9)

Terme中文备注
prolongement par continuité连续延拓
suite récurrente递推数列\(u_{n+1}=f(u_n)\)
ensemble stable稳定子集\(f(X)\subset X\)
point fixe / attractif / répulsif不动点 / 吸引的 / 排斥的\(|f'(l)|\lessgtr 1\)
vitesse exponentielle指数(收敛)速度\(|u_n-l|\le Ck^n\)
sous-suite子列\((u_{2n}), (u_{2n+1})\)
suite périodique de période 2周期为 2 的周期数列
schéma / itération迭代格式例 2.8/2.9
minorée / majorée / monotope有下界 / 有上界 / 单调

I-10Dérivées d’ordre supérieur ; fonctions de classe \(C^n\)高阶导数、\(C^n\) 类函数及其运算

Définitions 2.4 & 2.5

Soit \(f\) une fonction définie sur l’intervalle \(I\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\). Si \(n \in \mathbb{N}\), on dit que \(f\) est \(n\) fois dérivable(n 次可导) sur \(I\) si 1° \(f\) est dérivable sur \(I\) ; 2° \(f'\) est dérivable sur \(I\) ; … ; 3° \(f^{(n-1)}\) est dérivable sur \(I\). Dans ce cas, on note cette dernière dérivée \(f^{(n)}\). En particulier, \(f^{(0)} = f\).

Si \(n \in \mathbb{N}\), on dit que \(f\) est de classe \(C^n\) sur \(I\) si \(f\) est \(n\) fois dérivable sur \(I\) et si \(f^{(n)}\) est continue sur \(I\). \(f\) est de classe \(C^\infty\) (lisse,光滑的), si \(f\) est de classe \(C^n\) pour tout entier \(n\). Notons \(C^n(I;\mathbb{R})\) l’ensemble des fonctions de classe \(C^n\) sur \(I\), \(C^\infty(I;\mathbb{R})\) celui des fonctions lisses, et

\[C^\infty \subset C^{n+1} \subset C^n \subset C^1 \subset C^0.\]
定义 2.4 / 2.5(译文) 设 \(f\) 是定义在区间 \(I\) 上、取值于 \(\mathbb{R}\) 的函数。若 \(n\in\mathbb{N}\),称 \(f\) 在 \(I\) 上 \(n\) 次可导,如果:1° \(f\) 在 \(I\) 上可导;2° \(f'\) 在 \(I\) 上可导;……;3° \(f^{(n-1)}\) 在 \(I\) 上可导。此时把最后这个导数记为 \(f^{(n)}\)。特别地 \(f^{(0)}=f\)。定义 2.5:若 \(n\in\mathbb{N}\),称 \(f\) 在 \(I\) 上为 \(C^n\) 类,如果 \(f\) 在 \(I\) 上 \(n\) 次可导且 \(f^{(n)}\) 在 \(I\) 上连续。若 \(f\) 对一切整数 \(n\) 都是 \(C^n\) 类,则称 \(f\) 为 \(C^\infty\) 类(光滑,lisse)。记 \(C^n(I;\mathbb{R})\) 为 \(I\) 上 \(C^n\) 类函数的全体,\(C^\infty(I;\mathbb{R})\) 为 \(I\) 上光滑函数的全体。且有包含关系 \(C^\infty\subset C^{n+1}\subset C^n\subset C^1\subset C^0\)。
Propositions 2.9 & 2.10Linéarité ; formule de Leibniz (produit)

Prop 2.9. \(f, g\) deux fonctions \(n\) fois dérivables ; \(\lambda, \mu \in \mathbb{R}\) : \(\lambda f + \mu g\) est \(n\) fois dérivable et \((\lambda f + \mu g)^{(n)} = \lambda f^{(n)} + \mu g^{(n)}\).

Prop 2.10 (formule de Leibniz). \(f, g\) deux fonctions \(n\) fois dérivables sur \(I\) : \(fg\) est \(n\) fois dérivable et

\[(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n-k)}.\]

Preuve(par récurrence / 归纳法). Notons \(\mathcal{P}_n\) la propriété énoncée. (1) \(n = 0\) : c’est vrai. (2) Supposons \(\mathcal{P}_n\) et \(f, g\) supposées \(n+1\) fois dérivables sur \(I\) : donc \(fg\) est \(n\) fois dérivable et \(\mathcal{P}_n\) permet d’écrire \((fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom nk f^{(k)}g^{(n-k)}\), combinaison linéaire de produits de fonctions dérivables ; elle est donc dérivable, et par suite \(fg\) est \(n+1\) fois dérivable. On a

\[(fg)^{(n+1)} = \sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}\big(f^{(k)}g^{(n-k+1)} + f^{(k+1)}g^{(n-k)}\big) = fg^{(n+1)} + \sum_{k=1}^{n}\left[\binom{n}{k} + \binom{n}{k-1}\right] f^{(k)} g^{(n+1-k)} + f^{(n+1)}g,\]

et la relation de Pascal(Pascal 恒等式/二项式系数关系) \(\binom{n}{k} + \binom{n}{k-1} = \binom{n+1}{k}\) donne \((fg)^{(n+1)} = \sum_{k=0}^{n+1}\binom{n+1}{k} f^{(k)} g^{(n+1-k)}\), ce qui prouve \(\mathcal{P}_{n+1}\). ∎

命题 2.9 & 2.10(译文) Prop 2.9:设 \(f,g\) 为两个 \(n\) 次可导函数,\(\lambda,\mu\in\mathbb{R}\):\(\lambda f+\mu g\) 为 \(n\) 次可导,且 \((\lambda f+\mu g)^{(n)}=\lambda f^{(n)}+\mu g^{(n)}\)。Prop 2.10(Leibniz 公式,莱布尼茨公式):设 \(f,g\) 为 \(I\) 上两个 \(n\) 次可导函数:\(fg\) 为 \(n\) 次可导,且 \((fg)^{(n)}=\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}f^{(k)}g^{(n-k)}\)。证明(归纳法):记 \(\mathcal{P}_n\) 为所陈述命题。(1) \(n=0\):成立。(2) 设 \(\mathcal{P}_n\) 成立且 \(f,g\) 为 \(n+1\) 次可导:于是 \(fg\) 为 \(n\) 次可导,\(\mathcal{P}_n\) 允许写成 \((fg)^{(n)}=\sum_{k=0}^n\binom nk f^{(k)}g^{(n-k)}\),这是可导函数乘积的线性组合,故它可导,从而 \(fg\) 为 \(n+1\) 次可导。我们有 \((fg)^{(n+1)}=\sum_{k=0}^n\binom nk\big(f^{(k)}g^{(n-k+1)}+f^{(k+1)}g^{(n-k)}\big)=fg^{(n+1)}+\sum_{k=1}^n\Big[\binom nk+\binom n{k-1}\Big]f^{(k)}g^{(n+1-k)}+f^{(n+1)}g\),由 Pascal 关系 \(\binom nk+\binom n{k-1}=\binom{n+1}k\) 得 \((fg)^{(n+1)}=\sum_{k=0}^{n+1}\binom{n+1}k f^{(k)}g^{(n+1-k)}\),此即 \(\mathcal{P}_{n+1}\)。∎ 乘积的 \(n\) 阶导数与 \((a+b)^n\) 的二项式系数完全平行。
Propositions 2.11 & 2.12Composition et réciproque en classe \(C^n\)

Prop 2.11. Soit \(f : I \to \mathbb{R}\), \(g : J \to \mathbb{R}\) où \(J\) est un intervalle de \(\mathbb{R}\), \(f(I) \subset J\), les deux fonctions étant \(n\) fois dérivables [resp. de classe \(C^n\)]. Alors \(g \circ f\) est \(n\) fois dérivable [resp. de classe \(C^n\)].

Preuve(récurrence sur \(n\)). (1) \(n = 0\), c’est vrai. (2) Supposons \(\mathcal{P}_n\) et \(f : I \to J\), \(g : J \to \mathbb{R}\) supposées \(n+1\) fois dérivables avec \(f(I) \subset J\). Le résultat sur la dérivée d’une composée permet d’écrire que \(g\circ f\) est dérivable et \((g\circ f)' = f' \cdot (g' \circ f)\). Or \(g'\) et \(f'\) sont \(n\) fois dérivables ; par l’hypothèse de récurrence, la composée \(g' \circ f\) est \(n\) fois dérivable ; comme \(f'\) est \(n\) fois dérivable, la propriété précédente sur la dérivée \(n\)-ième d’un produit montre que \((g\circ f)'\) est \(n\) fois dérivable, donc \(g\circ f\) est \(n+1\) fois dérivable. Ce qui est \(\mathcal{P}_{n+1}\). ∎

Prop 2.12. Soit \(f : I \to J\) une bijection \(n\) fois dérivable [resp. de classe \(C^n\)] pour \(n \geqslant 1\), telle que sa dérivée ne s’annule pas. Alors sa fonction réciproque \(f^{-1}\) est \(n\) fois dérivable [resp. de classe \(C^n\)].

Preuve(récurrence sur \(n\)). Le cas \(n = 1\) vient du théorème de dérivation de la fonction réciproque (Prop 1.7). Supposons \(\mathcal{P}_n\) et considérons une bijection \(f : I \to J\) \(n+1\) fois dérivable telle que \(f'\) ne s’annule pas. Alors \(f^{-1}\) est \(n\) fois dérivable et

\[(f^{-1})' = \frac{1}{f' \circ f^{-1}}.\]

D’après le résultat qui précède, \(f' \circ f^{-1}\) est \(n\) fois dérivable, et la composée avec la fonction inverse \(h \mapsto 1/h\) l’est aussi ; ainsi \((f^{-1})'\) est \(n\) fois dérivable, ce qui montre que \(f^{-1}\) est \(n+1\) fois dérivable. Ce qui prouve \(\mathcal{P}_{n+1}\). ∎

命题 2.11 & 2.12(译文) Prop 2.11:设 \(f:I\to\mathbb{R}\)、\(g:J\to\mathbb{R}\),其中 \(J\) 为 \(\mathbb{R}\) 的区间,\(f(I)\subset J\),两函数均为 \(n\) 次可导[resp. \(C^n\) 类]。则 \(g\circ f\) 为 \(n\) 次可导[resp. \(C^n\) 类]。证明(对 \(n\) 归纳):(1) \(n=0\) 成立。(2) 设 \(\mathcal{P}_n\) 成立,\(f:I\to J\)、\(g:J\to\mathbb{R}\) 为 \(n+1\) 次可导且 \(f(I)\subset J\)。由复合函数求导结果知 \(g\circ f\) 可导且 \((g\circ f)'=f'\cdot(g'\circ f)\)。而 \(g'\) 与 \(f'\) 均为 \(n\) 次可导;由归纳假设,复合 \(g'\circ f\) 为 \(n\) 次可导;又 \(f'\) 为 \(n\) 次可导,故前面关于乘积 \(n\) 阶导数的命题表明 \((g\circ f)'\) 为 \(n\) 次可导,从而 \(g\circ f\) 为 \(n+1\) 次可导。此即 \(\mathcal{P}_{n+1}\)。∎ Prop 2.12:设 \(f:I\to J\) 是 \(n\ge1\) 次可导[resp. \(C^n\) 类]的双射,且其导数不取零。则反函数 \(f^{-1}\) 为 \(n\) 次可导[resp. \(C^n\) 类]。证明(对 \(n\) 归纳):\(n=1\) 的情形来自反函数可导定理(Prop 1.7)。设 \(\mathcal{P}_n\) 成立,考虑 \(n+1\) 次可导、\(f'\) 不取零的双射 \(f:I\to J\)。则 \(f^{-1}\) 为 \(n\) 次可导且 \((f^{-1})'=\dfrac{1}{f'\circ f^{-1}}\)。由前面的结果,\(f'\circ f^{-1}\) 为 \(n\) 次可导,与倒数函数 \(h\mapsto1/h\) 复合后仍为 \(n\) 次可导;于是 \((f^{-1})'\) 为 \(n\) 次可导,即 \(f^{-1}\) 为 \(n+1\) 次可导。此即 \(\mathcal{P}_{n+1}\)。∎
Proposition 2.13Prolongement en classe \(C^n\)

Soit \(f : [a;b] \to \mathbb{R}\) continue. Si \(f\) est de classe \(C^n\) sur \(]a;b[\) (pour \(n \in \mathbb{N}\)) et si

\[\forall k \in [\![1;n]\!], \quad \lim_{x\to a^+} f^{(k)}(x) \text{ existe et vaut } l_k,\]

alors \(f\) est de classe \(C^n\) sur \([a;b]\) et \(\forall k = 1,\dots,n,\ f^{(k)}(a) = l_k\).

Preuve(récurrence sur \(n\)). Pour \(n = 1\), il s’agit d’appliquer le théorème 2.4 en l’appliquant à \(f\) : on obtient ainsi que \(f\) est \(C^1\) sur \([a;b]\) et \(f'(a) = l_1\). Supposons le résultat vrai au rang \(n-1\) : si l’on applique l’hypothèse de récurrence à \(f'\) (classe \(C^{n-1}\) sur \(]a;b[\)), alors \(f'^{(k)}(a)\) existent pour \(k\) variant entre \(1\) et \(n\), d’où \((\ast)\) \(f^{(k)}\) est de classe \(C^{n}\)… \(\mathcal{P}_{n}\). ∎

命题 2.13(\(C^n\) 类延拓)译文 设 \(f:[a;b]\to\mathbb{R}\) 连续。若 \(f\) 在 \(]a;b[\) 上为 \(C^n\) 类(\(n\in\mathbb{N}\)),且对一切 \(k\in[\![1;n]\!]\),\(\lim_{x\to a^+}f^{(k)}(x)\) 存在且等于 \(l_k\),则 \(f\) 在 \([a;b]\) 上为 \(C^n\) 类,且对一切 \(k=1,\dots,n\),\(f^{(k)}(a)=l_k\)。证明(对 \(n\) 归纳):\(n=1\) 时,将定理 2.4 应用于 \(f\),即得 \(f\) 在 \([a;b]\) 上为 \(C^1\) 且 \(f'(a)=l_1\)。设结论在 \(n-1\) 阶成立:把归纳假设应用于 \(f'\)(在 \(]a;b[\) 上为 \(C^{n-1}\) 类),则 \(f'^{(k)}(a)\)(\(k=1,\dots,n\))都存在,从而 \(f\) 在 \([a;b]\) 上为 \(C^n\) 类,且各阶导数在 \(a\) 的值等于对应的 \(l_k\)。∎
命题 2.13 各阶导数在端点 \(a^+\) 都有极限,则可逐阶「连续延拓」到闭区间,整体为 \(C^n[a;b]\)。归纳证明:\(n=1\) 用定理 2.4;把归纳假设用于 \(f'\)。
Exemple 2.10La fonction plate \(f(x) = e^{-1/x}\)

\(f : \mathbb{R} \to \mathbb{R},\ x \mapsto \begin{cases} 0, & \text{si } x \leqslant 0,\\ e^{-\frac{1}{x}}, & \text{si } x > 0.\end{cases}\) Montrer que \(f\) est de classe \(C^1\) sur \(\mathbb{R}\)(en fait, \(C^\infty\)).

Preuve. Comme pour tout \(n \in \mathbb{N}\), nous avons \(\lim_{x\to -\infty\ (\text{i.e. } x\to 0^-)} f^{(n)}(x) = 0\), nous devons montrer que \(\forall n \in \mathbb{N},\ \lim_{x\to 0^+} f^{(n)}(x) = 0\). À cette fin, montrons d’abord que pour tout entier \(n \in \mathbb{N}\), il existe une fonction polynomiale \(P_n\) telle que

\[\forall x > 0, \quad f^{(n)}(x) = P_n\!\left(\frac1x\right) e^{-\frac1x}.\]

Récurrence sur \(n\) : pour \(n = 0\), la fonction \(P_0\) constante égale à \(1\) convient. Supposons le résultat vrai au rang \(n\) ; mais alors par dérivation, on obtient

\[\forall x > 0, \quad f^{(n+1)}(x) = -\frac{1}{x^2}\Big(P_n'\!\left(\frac1x\right) - P_n\!\left(\frac1x\right)\Big) e^{-\frac1x},\]

et en définissant le polynôme \(P_{n+1}(X) = -X^2\big(P_n'(X) - P_n(X)\big)\), on obtient bien le résultat au rang \(n+1\). Il reste à calculer la limite en \(0^+\) :

\[\lim_{x\to 0^+} f^{(n)}(x) = \lim_{x\to 0^+} P_n\!\left(\frac1x\right) e^{-\frac1x} = \lim_{y\to +\infty} P_n(y)\, e^{-y} = 0,\]

par croissance comparée(增长比较) des fonctions puissances et de l’exponentielle en \(+\infty\) ; donc toutes les dérivées se prolongent continûment en \(0\) par \(0\). ∎

例 2.10(译文) 「平台函数」:\(f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}\),\(x\leqslant0\) 时 \(f(x)=0\),\(x>0\) 时 \(f(x)=e^{-\frac1x}\)。证明 \(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上为 \(C^1\) 类(实际上证明给出的是 \(C^\infty\))。证明:由于对一切 \(n\in\mathbb{N}\) 有 \(\lim_{x\to0^-}f^{(n)}(x)=0\)(在 \(x<0\) 处各阶导数恒为零),我们只需证明:\(\forall n\in\mathbb{N},\ \lim_{x\to0^+}f^{(n)}(x)=0\)。为此,先证:对每个整数 \(n\in\mathbb{N}\),存在多项式函数 \(P_n\) 使得 \(\forall x>0,\ f^{(n)}(x)=P_n\big(\dfrac1x\big)\,e^{-\frac1x}\)。对 \(n\) 归纳:\(n=0\) 时取常值多项式 \(P_0=1\) 即可;设结论在 \(n\) 阶成立,即存在多项式 \(P_n\) 使 \(\forall x>0,\ f^{(n)}(x)=P_n(\frac1x)e^{-\frac1x}\)。两边求导得 \(\forall x>0,\ f^{(n+1)}(x)=-\dfrac{1}{x^2}\Big(P_n'(\frac1x)-P_n(\frac1x)\Big)e^{-\frac1x}\)。于是定义多项式 \(P_{n+1}(X)=-X^2\big(P_n'(X)-P_n(X)\big)\),即得 \(n+1\) 阶结论。剩下计算 \(0^+\) 处的极限:\(\lim_{x\to0^+}f^{(n)}(x)=\lim_{x\to0^+}P_n(\frac1x)e^{-\frac1x}=\lim_{y\to+\infty}P_n(y)e^{-y}=0\),这是由幂函数与指数函数在 \(+\infty\) 的增长比较(croissance comparée)。因此各阶导数都以 \(0\) 连续延拓到 \(0\),由命题 2.13,\(f\) 在 \(\mathbb{R}\) 上是 \(C^\infty\) 类。∎

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(I-10)

Terme中文备注
dérivée d’ordre \(n\) ; \(n\) fois dérivable\(n\) 阶导数;\(n\) 次可导\(f^{(n)}\)
classe \(C^n\) / \(C^\infty\) / fonction lisse\(C^n\) 类 / 光滑(无穷次连续可导)
formule de Leibniz (dérivée \(n\)-ième d’un produit)莱布尼茨公式(乘积高阶导数)\((fg)^{(n)}=\sum\binom nk f^{(k)}g^{(n-k)}\)
\(\binom{n}{k}\) (coefficients binomiaux ; relation de Pascal)二项式系数(Pascal 关系)
croissance comparée增长比较\(P(y)e^{-y}\to0\ (y\to+\infty)\)
fonction plate (« plateau »)平坦函数例 2.10
prolongement de classe \(C^n\)\(C^n\) 类延拓命题 2.13

II-1Propriété de la fonction polynôme ; idée de Taylor多项式函数的性质与泰勒思想

FiguresFonction Polynôme 1 / 2 / 3 ; Changement de la fonction polynôme avec les coefficients différents

〔图〕Le fichier original présente une série de figures : l’allure des fonctions polynômes de divers degrés, et l’effet de la variation des coefficients sur la courbe. Vient ensuite la planche :

« Approximation de la fonction \(e^x\) au voisinage de \(0\) par les fonctions polynômes. » 〔图〕« Représentation de la fonction exponentielle (en rouge) et du polynôme de Taylor d’ordre \(4\) au point \(0\) (en bleu). »

本节在原讲义中是一组图形页:多项式函数图像族、系数变化对曲线的影响,以及核心动机图——「用多项式函数在 \(0\) 附近逼近 \(e^x\)」:红色为指数函数,蓝色为其 \(0\) 点 \(4\) 阶泰勒多项式,可见阶数越高、贴合邻域越大。
HistoriqueFormules de Taylor

En analyse, le théorème de Taylor (ou formule de Taylor), du nom du mathématicien anglais Brook Taylor qui l’établit en 1715, montre qu’une fonction plusieurs fois dérivable au voisinage d’un point peut être approchée par une fonction polynôme dont les coefficients dépendent uniquement des dérivées de la fonction en ce point. Cette fonction polynôme est parfois appelée polynôme de Taylor(泰勒展式).

泰勒公式:由英国数学家 Brook Taylor(1715 年)建立。它说明:在一点附近多次可导的函数可以用多项式逼近,其系数只依赖于函数在该点的各阶导数;该多项式称为泰勒多项式(展开式即「泰勒展式」)。
RappelLe premier ordre

Une fonction \(f\) dérivable en \(a \in I\) : alors \(\displaystyle\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\) existe, noté \(f'(a)\). On a \(\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a} - f'(a) = o(1)\), i.e.

\[f(x) = f(a) + f'(a)(x-a) + o(x-a).\]
回顾一阶情形:可导即给出带 Peano 余项 \(o(x-a)\) 的一阶展开——泰勒公式就是把这一思想推到 \(n\) 阶。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-1)

Terme中文备注
polynôme de Taylor泰勒多项式系数由该点各阶导数决定
développement /展式展开式
approximation au voisinage de \(0\)在 \(0\) 邻域内的逼近
petit o : \(o(x-a)\)高阶无穷小记号\(\frac{o(x-a)}{x-a}\to0\)

II-2Formule de Taylor-Young泰勒–杨(带 Peano 余项)公式及两种证明

CadreNotations

\(I\) : un intervalle réel ; \(a\) : un élément de \(I\) ; \(E\) : un espace vectoriel normé(赋范向量空间) ; \(n\) : un entier naturel ; \(f\) : une fonction de \(I\) dans \(E\), \(n\) fois dérivable en \(a\).

记号设定(译文) \(I\):一个实区间;\(a\):\(I\) 的一个元素;\(E\):一个赋范向量空间;\(n\):一个自然数;\(f\):从 \(I\) 到 \(E\) 的函数,在 \(a\) 处 \(n\) 次可导。(本讲义主要取 \(E=\mathbb{R}\)。)
ThéorèmeFormule de Taylor-Young (version standard)

Si \(f\) est une fonction de classe \(C^n\) sur \(I\), il existe une fonction \(\varepsilon\) définie sur \(I\) telle que :

\[\forall x \in I, \qquad f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + (x-a)^n \varepsilon(x), \qquad \lim_{x\to a}\varepsilon(x) = 0.\]

Ce qui s’écrit aussi, avec la notation « petit o » :

\[f(x) = \sum_{k=0}^{n} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + o\big((x-a)^n\big).\]
定理(Taylor–Young 公式,标准版)译文 若 \(f\) 是 \(I\) 上的 \(C^n\) 类函数,则存在定义在 \(I\) 上的函数 \(\varepsilon\),使得 \(\forall x\in I,\ f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+(x-a)^n\varepsilon(x)\),且 \(\lim_{x\to a}\varepsilon(x)=0\)。用小 o 记号也可写成 \(f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+o\big((x-a)^n\big)\)。
Méthode 1Preuve par récurrence et règle de L’Hôpital

Définisons \(T_n(f;a;x) = \displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\). Soit \(\mathcal{P}_n\) : « \(f\) de classe \(C^n\) sur \(I \Rightarrow f(x) = T_n(f;a;x) + (x-a)^n\varepsilon(x)\), \(\lim_{x\to a}\varepsilon = 0\) ».

1° Pour \(n = 1\), c’est vrai (définition de la dérivée). 2° Supposons \(\mathcal{P}_n\). Comme \(T_{n+1}'(f;a;x) = T_n(f';a;x)\) et \(f'\) est de classe \(C^n\), d’après la règle de L’Hôpital :

\[\lim_{x\to a}\frac{f(x) - T_{n+1}(f;a;x)}{(x-a)^{n+1}} = \lim_{x\to a}\frac{f'(x) - T_n(f';a;x)}{(n+1)(x-a)^{n}} = 0,\]

d’où le résultat. Ce qui est \(R_n(x) = (x-a)^n \varepsilon(x)\) avec \(\lim_{x\to a}\varepsilon(x) = 0\). On l’appelle le reste de \(f\)(余项).

证法 1(归纳+洛必达法则)译文 定义 \(T_n(f;a;x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\)。记 \(\mathcal{P}_n\) 为命题「\(f\) 在 \(I\) 上为 \(C^n\) 类 ⟹ \(f(x)=T_n(f;a;x)+(x-a)^n\varepsilon(x)\),\(\lim_{x\to a}\varepsilon=0\)」。1° \(n=1\) 时成立(导数定义)。2° 设 \(\mathcal{P}_n\) 成立。由于 \(T_{n+1}'(f;a;x)=T_n(f';a;x)\) 且 \(f'\) 为 \(C^n\) 类,由洛必达法则 \(\lim_{x\to a}\dfrac{f(x)-T_{n+1}(f;a;x)}{(x-a)^{n+1}}=\lim_{x\to a}\dfrac{f'(x)-T_n(f';a;x)}{(n+1)(x-a)^n}=0\),即得结论。亦即 \(R_n(x)=(x-a)^n\varepsilon(x)\) 且 \(\lim_{x\to a}\varepsilon(x)=0\)。称 \(R_n\) 为 \(f\) 的余项(reste)。
Méthode 2Preuve utilisant l’IAF (inégalité des accroissements finis)

Raisonnons par récurrence sur \(n\). Le cas \(n = 1\) signifie que \(\displaystyle\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a} = f'(a)\), i.e. \(f\) est dérivable en \(a\) et sa dérivée vaut \(f'(a)\). Supposons la formule vraie au rang \(n\) et prenons \(f\) vérifiant l’hypothèse au rang \(n+1\). Notons

\[R(x) = f(x) - \sum_{k=0}^{n+1}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k .\]

Comme \(f\) est de classe \(C^{n+1}\), d’après l’hypothèse appliquée à \(f'\) : \(R'(x) = o\big((x-a)^n\big)\). Ainsi pour tout \(\varepsilon > 0\), il existe \(\delta > 0\) tel que

\[\forall x \in\, ]a-\delta, a+\delta[ \cap I, \qquad |R'(x)| \leqslant \varepsilon |x-a|^n .\]

Prenons \(t \in\, ]a-\delta; a+\delta[\cap I\) ; on a ainsi \(\forall t \in [a; x],\ |R'(t)| \leqslant \varepsilon|x-a|^n\). Si \(x \geqslant a\) (ou \(x \leqslant a\)), par application de l’IAF, on obtient

\[|R(x) - R(a)| \leqslant \varepsilon\,|x-a|^{n+1},\]

et comme \(R(a) = 0\), on vient de montrer que \(R(x) = o\big((x-a)^{n+1}\big)\). D’où le résultat. ∎

证法 2(利用 IAF 有限增量不等式)译文 对 \(n\) 作归纳。\(n=1\) 的情形即 \(\lim_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}=f'(a)\),亦即 \(f\) 在 \(a\) 可导且导数为 \(f'(a)\)。设公式在 \(n\) 阶成立,取 \(f\) 满足 \(n+1\) 阶假设。记 \(R(x)=f(x)-\sum_{k=0}^{n+1}\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\)。由于 \(f\) 为 \(C^{n+1}\) 类,把归纳假设应用于 \(f'\):\(R'(x)=o\big((x-a)^n\big)\)。于是对任意 \(\varepsilon>0\),存在 \(\delta>0\) 使得 \(\forall x\in\,]a-\delta,a+\delta[\cap I,\ |R'(x)|\leqslant\varepsilon|x-a|^n\)。取 \(t\in[a;x]\),则 \(|R'(t)|\leqslant\varepsilon|x-a|^n\)。若 \(x\geqslant a\)(或 \(x\leqslant a\)),应用 IAF 得 \(|R(x)-R(a)|\leqslant\varepsilon|x-a|^{n+1}\);又 \(R(a)=0\),故刚证明了 \(R(x)=o\big((x-a)^{n+1}\big)\)。即得结论。∎
ThéorèmeFormule de Taylor-Young (version forte)

Supposons que \(n \geqslant 1\). Si \(f\) est une fonction de classe \(C^{n-1}\) sur \(I\) et qui possède une dérivée \(n\)-ième en \(a\), alors il existe une fonction \(\varepsilon\) définie sur \(I\) telle que

\[\forall x \in I, \qquad f(x) = \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + (x-a)^n\varepsilon(x), \qquad \lim_{x\to a}\varepsilon(x) = 0.\]
定理(Taylor–Young 公式,强版本)译文 设 \(n\geqslant1\)。若 \(f\) 是 \(I\) 上的 \(C^{n-1}\) 类函数、且在 \(a\) 处存在 \(n\) 阶导数,则存在定义在 \(I\) 上的函数 \(\varepsilon\) 使得 \(\forall x\in I,\ f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+(x-a)^n\varepsilon(x)\),\(\lim_{x\to a}\varepsilon(x)=0\)。(与标准版相比,不要求 \(f^{(n)}\) 在整体上连续,只需在 \(a\) 点存在。)
Formes équivalentes
\[f(x) = \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + o\big((x-a)^n\big) \qquad\Longleftrightarrow\qquad f(a+h) = \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}h^k + o(h^n).\]
等价形式(译文) \(f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+o((x-a)^n)\) 当且仅当 \(f(a+h)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}h^k+o(h^n)\):即以 \(h=x-a\) 代换的「在 \(a+h\) 处展开」形式。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-2)

Terme中文备注
formule de Taylor-Young泰勒–杨公式(带 Peano 余项)局部展开、用于计算
polynôme (développement) de Taylor-Young, \(T_n\)泰勒–杨多项式\(\sum f^{(k)}(a)(x-a)^k/k!\)
reste (de Taylor), terme négligeable余项 / 可忽略项\(R_n = o((x-a)^n)\)
version standard / version forte标准版 / 强版本强版只要求 \(a\) 处存在 \(n\) 阶导数
IAF (inégalité des accroissements finis)有限增量不等式证法 2 的工具
espace vectoriel normé \(E\)赋范向量空间

II-3Formule et inégalité de Taylor-Lagrange泰勒–拉格朗日公式(精确余项)与不等式;Maclaurin 展开表

ThéorèmeFormule de Taylor-Lagrange

Soit \(f\) une fonction de classe \(C^{n+1}\) sur \(I\) ; on a, pour tout \(x \in I\) :

\[f(x) = \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k + \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}, \qquad \text{où } c \in\, ]a;x[ \ (\text{ou } ]x;a[).\]

La formule de Taylor-Lagrange est une conséquence directe du théorème de Rolle.

定理(Taylor–Lagrange 公式)译文 设 \(f\) 是 \(I\) 上的 \(C^{n+1}\) 类函数;则对一切 \(x\in I\),有 \(f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k+\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}\),其中 \(c\in\,]a;x[\)(或 \(]x;a[\),即 \(c\) 严格介于 \(a\) 与 \(x\) 之间——未知但存在)。Taylor–Lagrange 公式是罗尔定理的直接推论。
原讲义此定理标题写作 « avec reste intégrale »(积分余项),但给出的公式与证明(Rolle 构造辅助函数)都是 Lagrange 型余项;「积分余项」是另一种形式 \(\int_a^x\frac{f^{(n+1)}(t)}{n!}(x-t)^ndt\)。此处按内容更名为 « Formule de Taylor-Lagrange »。
Preuve (par Rolle)

Pour tout \(x\) dans \(I\), on introduit la fonction \(g\) définie (en la variable \(y\)) par

\[g(y) = f(x) - \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(y)}{k!}(x-y)^k - C(x-y)^{n+1},\]

où \(C\) est choisi de sorte que \(g(a) = 0\), c’est-à-dire

\[f(x) - \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k = C(x-a)^{n+1}.\]

La fonction \(g\) est dérivable sur \(I\) (somme de fonctions dérivables), et par construction \(g(a) = g(x) = 0\). Le théorème de Rolle affirme qu’il existe \(c\) entre \(a\) et \(x\) tel que \(g'(c) = 0\) ; or

\[g'(y) = -\frac{f^{(n+1)}(y)}{n!}(x-y)^n + C(n+1)(x-y)^n .\]

Il vient \(\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{n!}(x-c)^n = C(n+1)(x-c)^n\), soit \(C = \dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}\). Ce qui implique

\[f(x) - \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}. \qquad\blacksquare\]
证明(Rolle 法):把 \(x\) 固定、视 \(y\) 为变量构造 \(g(y)=f(x)-T_n(f;a;y)-C(x-y)^{n+1}\),选 \(C\) 使 \(g(a)=0\)(则 \(g(x)=0\) 自动成立);\(g\) 可导且两端为零,Rolle 给出 \(g'(c)=0\)。求导时前面的和式逐项「望远镜」相消,只剩 \(-\frac{f^{(n+1)}}{n!}(x-y)^n + C(n+1)(x-y)^n\),解出 \(C\) 即得。
Méthode 2 (reste par Cauchy itéré)Reste de la formule de Taylor-Lagrange

Sur l’intervalle \(]a;x[\ (x \leqslant b)\), posons \(\varphi(t) = (t-a)^{n+1}\) ; alors on a

\[\varphi(a) = \varphi'(a) = \dots = \varphi^{(n)}(a) = 0, \qquad \varphi^{(n+1)} = (n+1)!,\]

et pour le reste \(R_n(x) = f(x) - \displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\) :

\[R_n(a) = R_n'(a) = \dots = R_n^{(n)}(a) = 0, \qquad R_n^{(n+1)}(x) = f^{(n+1)}(x).\]

En appliquant le TAF (de Cauchy) sur le segment \([a;x]\) de proche en proche :

\[\frac{R_n(x)}{\varphi(x)} = \frac{R_n(x)-R_n(a)}{\varphi(x)-\varphi(a)} = \frac{R_n'(\theta_1)}{\varphi'(\theta_1)} = \dots = \frac{R_n^{(n+1)}(\theta)}{\varphi^{(n+1)}(\theta)} = \frac{f^{(n+1)}(\theta)}{(n+1)!},\]

où \(a < \theta_n < \dots < \theta_1 < \theta < \dots < x\) : on a le résultat (avec \(c = \theta\)).

证法 2(迭代 Cauchy 中值):取比较函数 \(\varphi(t)=(t-a)^{n+1}\),\(R_n\) 与 \(\varphi\) 在 \(a\) 点的前 \(n\) 阶导数都为零、\(n+1\) 阶导数分别为 \(f^{(n+1)}\) 与 \((n+1)!\)。对 \(\frac{R_n}{\varphi}\) 反复使用 Cauchy 中值定理(每次降一阶),最终得到 \(\frac{R_n(x)}{(x-a)^{n+1}} = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}\)。
ThéorèmeInégalité de Taylor-Lagrange

Soit \(f\) une fonction de classe \(C^{n+1}\) sur \(I\). Si \(M\) est un majorant de \(|f^{(n+1)}|\) sur le segment d’extrémités \(a\) et \(x\)(以 a、x 为端点的线段), alors

\[\left| f(x) - \sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k \right| \leqslant M\,\frac{|x-a|^{n+1}}{(n+1)!}.\]

D’après la formule de Taylor-Lagrange, on en a tout de suite.

定理(Taylor–Lagrange 不等式)译文 设 \(f\) 是 \(I\) 上的 \(C^{n+1}\) 类函数。若 \(M\) 是 \(|f^{(n+1)}|\) 在以 \(a\) 与 \(x\) 为端点的线段上的一个上界,则 \(\Big|f(x)-\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k\Big|\leqslant M\dfrac{|x-a|^{n+1}}{(n+1)!}\)。由 Taylor–Lagrange 公式立即得到。——这是误差估计与逼近计算的核心工具。
TableFormules de Maclaurin(\(a = 0\) 处的经典展开)

(Formule de Maclaurin)

\[\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dots + (-1)^{n-1}\frac{x^{2n-1}}{(2n-1)!} + o(x^{2n}),\] \[\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots + (-1)^{n}\frac{x^{2n}}{(2n)!} + o(x^{2n+1}),\] \[e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots + \frac{x^n}{n!} + o(x^n),\] \[\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots + (-1)^{n-1}\frac{x^n}{n} + o(x^n),\] \[(1+x)^{\alpha} = 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \dots + \frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}x^n + o(x^n).\]
Maclaurin(麦克劳林,即 \(0\) 点)展开表:正弦(奇次幂交替)、余弦(偶次幂交替)、指数(全正)、\(\ln(1+x)\)、以及广义二项式 \((1+x)^\alpha\)(系数为下降阶乘除 \(n!\))。这些是后续一切 DL 计算的「母公式」。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-3)

Terme中文备注
formule de Taylor-Lagrange泰勒–拉格朗日公式余项取某内点处的导数值
reste de Lagrange拉格朗日型余项\(\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}\)
inégalité de Taylor-Lagrange泰勒–拉格朗日不等式误差估计
formule de Maclaurin麦克劳林公式(\(a=0\))
segment d’extrémités \(a\) et \(x\)以 \(a,x\) 为端点的线段
majorant \(M\) de \(|f^{(n+1)}|\)上界
développement binomial \((1+x)^\alpha\)广义二项展开

II-4Premières applications des formules de Taylor初步应用:极限、高阶导数、误差估计、\(e^x\) 级数、极值

ExempleLimite avec sin et sh (Taylor-Young à l’ordre 5)

Écrire la formule de Taylor-Young à l’ordre \(5\) pour \(\sin\) et \(\operatorname{sh}\) en \(0\), et en déduire \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x + \operatorname{sh} x - 2x}{x^5}\).

Réponse. Les fonctions \(\sin\) et \(\operatorname{sh}\) étant de classe \(C^n\) sur \(\mathbb{R}\), on peut leur appliquer Taylor-Young à l’ordre \(5\) :

\[\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} + x^5\varepsilon_1(x), \qquad \operatorname{sh} x = x + \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} + x^5\varepsilon_2(x),\]

avec \(\lim_{x\to 0}\varepsilon_1(x) = \lim_{x\to 0}\varepsilon_2(x) = 0\). On a alors

\[\frac{\sin x + \operatorname{sh} x - 2x}{x^5} = \frac{2x^5}{5!} + \varepsilon_1(x) + \varepsilon_2(x) \xrightarrow[x\to 0]{} \frac{2}{120},\]

ce qui donne \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin x + \operatorname{sh} x - 2x}{x^5} = \frac{1}{60}\).

例(译文) 对 \(\sin\) 与 \(\operatorname{sh}\) 在 \(0\) 写出五阶 Taylor–Young 公式,并由此求 \(\lim_{x\to0}\dfrac{\sin x+\operatorname{sh}x-2x}{x^5}\)。解:函数 \(\sin\) 与 \(\operatorname{sh}\) 在 \(\mathbb{R}\) 上为 \(C^n\) 类,可对它们应用五阶 Taylor–Young 公式:\(\sin x=x-\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^5}{5!}+x^5\varepsilon_1(x)\),\(\operatorname{sh}x=x+\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^5}{5!}+x^5\varepsilon_2(x)\),其中 \(\lim_{x\to0}\varepsilon_1=\lim_{x\to0}\varepsilon_2=0\)。于是 \(\dfrac{\sin x+\operatorname{sh}x-2x}{x^5}=\dfrac{2x^5}{5!\,x^5}+\varepsilon_1(x)+\varepsilon_2(x)\to\dfrac{2}{120}\),即极限为 \(\dfrac{1}{60}\)。(注:\(\operatorname{sh}=\sinh\);两式相加时三次项恰好抵消。)
Exemple\(f(x) = \arctan x\) : dérivées \(n\)-ièmes en \(0\) (formule de Leibniz)

\(f \in C^n\) sur \(]-1;1[\) ; d’après la formule de Taylor-Young à l’ordre \(n\), on a

\[f(x) = \operatorname{Arctan} x = \sum_{k=0}^{n+1}\frac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k + o(x^{n+1}), \qquad f(0) = 0, \quad f'(x) = \frac{1}{1+x^2}, \quad f'(0) = 1.\]

Pour obtenir la dérivée \(n\)-ième de \(f\), considérons l’égalité \((1+x^2)f'(x) = 1\). En appliquant la formule de Leibniz, on a

\[(1+x^2)f^{(n+2)}(x) + 2n x f^{(n+1)}(x) + n(n-1) f^{(n)}(x) = 0,\]

puisque, en \(0\) : \(\;f^{(n+2)}(0) = -n(n-1) f^{(n)}(0),\ n \in \mathbb{N}\). On a alors

\[f^{(n)}(0) = \begin{cases} 0, & \text{si } n = 2k,\\ (-1)^k (2k)!, & \text{si } n = 2k+1;\end{cases}\]

on en déduit que

\[\arctan x = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{2k+1}x^{2k+1} + o(x^{2n+2}), \qquad \text{i.e. } \ \arctan x = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \dots + (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} + o(x^{2n+1}).\]
例(arctan,译文) \(f\in C^n\) 于 \(]-1;1[\);由 \(n\) 阶 Taylor–Young 公式,\(f(x)=\operatorname{Arctan}x=\sum_{k=0}^{n+1}\dfrac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k+o(x^{n+1})\),且 \(f(0)=0\),\(f'(x)=\dfrac{1}{1+x^2}\),\(f'(0)=1\)。为求 \(f\) 的 \(n\) 阶导数,考虑等式 \((1+x^2)f'(x)=1\)。对其应用 Leibniz 公式得 \((1+x^2)f^{(n+2)}(x)+2nx f^{(n+1)}(x)+n(n-1)f^{(n)}(x)=0\);于是在 \(0\) 处有递推 \(f^{(n+2)}(0)=-n(n-1)f^{(n)}(0)\),\(n\in\mathbb{N}\)。从而 \(f^{(n)}(0)=0\)(当 \(n=2k\))、\(f^{(2k+1)}(0)=(-1)^k(2k)!\)(当 \(n=2k+1\));由此推出 \(\arctan x=\sum_{k=0}^n\dfrac{(-1)^k}{2k+1}x^{2k+1}+o(x^{2n+1})\),即 \(\arctan x=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^5}{5}-\dots+(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}+o(x^{2n+1})\)。
ExempleLe reste de \(\sin x\) à l’ordre 3 (Taylor-Lagrange)

Par la formule de Taylor-Lagrange à l’ordre \(3\) en \(0\) : \(\forall x \in \mathbb{R},\ \sin x = x - \dfrac{x^3}{3!} + \dfrac{\sin(c)}{4!}\,x^4\), où \(c\) est entre \(0\) et \(x\) (car \(f^{(4)} = \sin\)).

Or \(|R_3| = \left|\dfrac{\sin(c)}{4!}x^4\right| \leqslant \dfrac{|x|^4}{24}\) ; on obtient

\[\forall x \in \mathbb{R}, \qquad \left|\sin x - x + \frac{x^3}{3!}\right| \leqslant \frac{x^4}{4!}.\]
例(\(\sin x\) 的三阶余项,译文) 由在 \(0\) 处的三阶 Taylor–Lagrange 公式:\(\forall x\in\mathbb{R},\ \sin x=x-\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{\sin(c)}{4!}x^4\),其中 \(c\) 介于 \(0\) 与 \(x\) 之间(因为 \(f^{(4)}=\sin\))。而 \(|R_3|=\Big|\dfrac{\sin(c)}{4!}x^4\Big|\leqslant\dfrac{|x|^4}{24}\);于是得到 \(\forall x\in\mathbb{R},\ \Big|\sin x-x+\dfrac{x^3}{3!}\Big|\leqslant\dfrac{x^4}{4!}\)。
ExempleSérie exponentielle : \(\displaystyle e^x = \lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n \frac{x^k}{k!}\)

Soit \(x\) un réel donné. 1° Montrer que la fonction \(\exp\) est bornée sur le segment d’extrémités \(0\) et \(x\). 2° En déduire qu’il existe \(M_x \in \mathbb{R}\) tel que

\[\forall n \in \mathbb{N}, \qquad \left|e^x - \sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!}\right| \leqslant M_x\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}.\]

Montrer que \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!} = 0\) et en déduire \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!} = e^x\).

Réponse. 1. La fonction \(\exp\) est continue sur le segment d’extrémités \(0\) et \(x\) ; elle y est donc bornée, majorée par \(M_x = \sup(e^x, 1)\). 2. \(\exp\) étant de classe \(C^\infty\) sur \(\mathbb{R}\), on lui applique l’inégalité de Taylor-Lagrange à l’ordre \(n\) entre \(0\) et \(x\) ; comme \(\exp^{(n+1)} = \exp\),

\[\left|e^x - \sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!}\right| \leqslant M_x\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}.\]

Pour \(x \in \mathbb{R}_+\), la suite \(S_n = \displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!}\) est croissante ; montrons par récurrence qu’elle est majorée par \(e^x\) : posons \(g(x) = e^x - \displaystyle\sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!}\), avec \(g(0) = 1 > 0\) et \(g'(x) = e^x - \sum_{k=0}^{n-1}\frac{x^k}{k!} \geqslant 0\) (au rang \(n-1\)) ; donc \(g(x) \geqslant 0\), i.e. \(S_n \leqslant e^x\). La suite \((S_n)\) converge. Sa convergence donne

\[\lim_{n\to\infty} e^x\,\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!} = \lim_{n\to\infty} (S_{n+1}-S_n)\,e^x = 0, \qquad \text{c.-à-d. } \lim_{n\to\infty}\frac{|x|^{n+1}}{(n+1)!} = 0;\]

l’inégalité ci-dessus entraîne alors \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}\left(e^x - \sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!}\right) = 0\).

例(指数函数的级数表示,译文) 设 \(x\) 为给定的实数。1° 证明 \(\exp\) 在以 \(0\) 与 \(x\) 为端点的线段上有界。2° 由此推出存在 \(M_x\in\mathbb{R}\) 使 \(\forall n\in\mathbb{N},\ \Big|e^x-\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\Big|\leqslant M_x\dfrac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}\)。再证 \(\lim_{n\to\infty}\dfrac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}=0\),并推出 \(\lim_{n\to\infty}\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}=e^x\)。解:1. \(\exp\) 在该线段上连续,故在其上有界,可取上界 \(M_x=\sup(e^x,1)\)。2. \(\exp\) 在 \(\mathbb{R}\) 上为 \(C^\infty\) 类,把 \(n\) 阶 Taylor–Lagrange 不等式用于 \(0\) 与 \(x\) 之间;由于 \(\exp^{(n+1)}=\exp\),即得上述误差估计。对 \(x\in\mathbb{R}_+\),级数的部分和 \(S_n=\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\) 递增;归纳证明它以 \(e^x\) 为上界:令 \(g(x)=e^x-\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\),\(g(0)=1>0\) 且 \(g'(x)=e^x-\sum_{k=0}^{n-1}\dfrac{x^k}{k!}\geqslant0\)(由 \(n-1\) 阶结论);故 \(g(x)\geqslant0\),即 \(S_n\leqslant e^x\)。于是 \((S_n)\) 收敛。其收敛性给出 \(\lim_{n\to\infty}e^x\dfrac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}=\lim_{n\to\infty}(S_{n+1}-S_n)e^x=0\),即 \(\lim_{n\to\infty}\dfrac{|x|^{n+1}}{(n+1)!}=0\);上面的不等式随即推出 \(\lim_{n\to\infty}\Big(e^x-\sum_{k=0}^n\dfrac{x^k}{k!}\Big)=0\)。
ExempleExtremum et Taylor-Young à l’ordre 2

Soit \(f\) une fonction de classe \(C^2\) sur \(I\) et \(a \in I\) tel que \(f'(a) = 0,\ f''(a) > 0\). En utilisant une formule de Taylor-Young à l’ordre \(2\) en \(a\), montrer que \(f(x) - f(a)\) est positive au voisinage de \(a\). Comment peut-on exprimer cela en terme d’extremum ?

Réponse. \(f(x) = f(a) + f'(a)\dfrac{(x-a)^2}{2!} + o\big((x-a)^2\big)\), ce qui donne

\[f(x) - f(a) = (x-a)^2\left[\frac{f''(a)}{2} + o(1)\right].\]

Comme \(\displaystyle\lim_{x\to a}\frac{f''(a)}{2} + o(1) = \frac{f''(a)}{2} > 0\), la fonction \(x \mapsto \frac{f(x)-f(a)}{(x-a)^2}\) est positive au voisinage de \(a\), ce qui implique que \(f(x) - f(a)\) est positive au voisinage de \(a\). Par suite, la fonction \(f\) possède un minimum local en \(a\).

Conclusion. \(\;f''(a) > 0 \Rightarrow f\) possède un minimum local en \(a\) ; \(f''(a) < 0 \Rightarrow f\) possède un maximum local en \(a\).

例(二阶极值判别,译文) 设 \(f\) 在 \(I\) 上为 \(C^2\) 类,\(a\in I\) 满足 \(f'(a)=0\)、\(f''(a)>0\)。用在 \(a\) 处的二阶 Taylor–Young 公式证明:\(f(x)-f(a)\) 在 \(a\) 的邻域内为正。这用极值语言该如何表述?解:对 \(f\) 应用二阶 TY 公式:\(f(x)=f(a)+f'(a)\dfrac{(x-a)^2}{2!}+o\big((x-a)^2\big)\),于是 \(f(x)-f(a)=(x-a)^2\Big[\dfrac{f''(a)}{2}+o(1)\Big]\)。由于 \(\lim_{x\to a}\Big[\dfrac{f''(a)}{2}+o(1)\Big]=\dfrac{f''(a)}{2}>0\),函数 \(x\mapsto\dfrac{f(x)-f(a)}{(x-a)^2}\) 在 \(a\) 的邻域内为正,从而 \(f(x)-f(a)\) 在 \(a\) 的邻域内为正。因此,函数 \(f\) 在 \(a\) 取得局部极小值。结论:\(f''(a)>0\Rightarrow f\) 在 \(a\) 有局部极小;\(f''(a)<0\Rightarrow f\) 在 \(a\) 有局部极大。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-4)

Terme中文备注
forme \(\frac00\) résolue par un DL用展开解决的未定式
relation de récurrence sur les dérivées \(n\)-ièmes高阶导数的递推关系arctan 例
série exponentielle / somme partielle \(S_n\)指数级数 / 部分和
majorée / croissante / converge有上界 / 递增 / 收敛单调有界原理
minimum (maximum) local局部极小(极大)二阶充分判别
factorielle \(n!\)阶乘

II-5Développements limités : définitions, unicité, généralités渐近展开:定义、唯一性、奇偶、\(x_0\) 处、左右、无穷远

DéfinitionDéveloppement limité à l’ordre \(n\) en \(0\)(\(DL_n(0)\))

Une fonction \(f : D \to \mathbb{R}\) définie au voisinage de \(0\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) (noté \(DL_n(0)\)) s’il existe des réels \((a_0, a_1, \dots, a_n)\) tels que

\[\forall x \in D, \qquad f(x) = \sum_{k=0}^{n} a_k x^k + o(x^n).\]

Le polynôme \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} a_k x^k\) s’appelle partie régulière du \(DL_n(0)\) de \(f\)(\(f\) 在 \(0\) 点 \(n\) 阶展开的正规项).

定义(\(DL_n(0)\))译文 设 \(f:D\to\mathbb{R}\) 是定义在 \(0\) 邻域内的函数。若存在实数 \((a_0,a_1,\dots,a_n)\) 使得 \(\forall x\in D,\ f(x)=\sum_{k=0}^n a_kx^k+o(x^n)\),则称 \(f\) 在 \(0\) 有 \(n\) 阶泰勒展开(渐近展开),记作 \(DL_n(0)\)。多项式 \(\sum_{k=0}^n a_kx^k\) 称为 \(f\) 的 \(DL_n(0)\) 的正则部分(partie régulière,即 \(f\) 在 \(0\) 点 \(n\) 阶展开的正规项)。
Exemple\(\dfrac{1}{1-x}\), \(\dfrac{1}{1+x^2}\)

\(g : \mathbb{R}\setminus\{1\} \to \mathbb{R},\ x \mapsto \dfrac{1}{1-x}\) admet un \(DL_n(0)\). Réponse. \(\forall x \in \mathbb{R}\setminus\{1\},\ \dfrac{1-x^{n+1}}{1-x} = \sum_{k=0}^{n} x^k\) permet d’écrire

\[\forall x \in \mathbb{R}\setminus\{1\}, \qquad \frac{1}{1-x} = \sum_{k=0}^{n} x^k + \frac{x^{n+1}}{1-x}, \qquad \text{car } \lim_{x\to 0}\frac{x^{n+1}}{(1-x)x^n} = 0,\]

i.e. \(\dfrac{1}{1-x} = \sum_{k=0}^{n}x^k + o(x^n)\).

En utilisant le résultat précédent, calculer un \(DL_{2n}(0)\) de la fonction \(h(x) = \dfrac{1}{1+x^2}\) : en remplaçant \(x\) par \(x^2\) — avec le signe adéquat — on obtient pour tout \(x\) réel

\[\frac{1}{1+x^2} = \sum_{k=0}^{n}(-1)^k x^k\cdot x^{k}\Big|_{x\to x^2} = \sum_{k=0}^{n} (-1)^k x^{2k} + o(x^{2n}).\]
例(译文) \(g:\mathbb{R}\setminus\{1\}\to\mathbb{R},\ x\mapsto\dfrac{1}{1-x}\) 有 \(DL_n(0)\)。解:恒等式 \(\forall x\ne1,\ \dfrac{1-x^{n+1}}{1-x}=\sum_{k=0}^n x^k\) 允许写成 \(\dfrac{1}{1-x}=\sum_{k=0}^n x^k+\dfrac{x^{n+1}}{1-x}\),且 \(\lim_{x\to0}\dfrac{x^{n+1}}{(1-x)x^n}=0\),即 \(\dfrac{1}{1-x}=\sum_{k=0}^nx^k+o(x^n)\)。利用前一结果,求 \(h(x)=\dfrac{1}{1+x^2}\) 的 \(DL_{2n}(0)\):把 \(x\) 换成 \(x^2\)(注意 \(1+x^2=1-(-x^2)\))得 \(\dfrac{1}{1+x^2}=\sum_{k=0}^n(-1)^kx^{2k}+o(x^{2n})\)。
PropositionUnicité du \(DL_n(0)\)(展开的唯一性)

Si \(f\) est une fonction définie au voisinage de \(0\) pour laquelle il existe \((a_0,\dots,a_n)\) et \((b_0,\dots,b_n)\) deux \((n+1)\)-listes de réels vérifiant(现在分词,表示同时满足)

\[f(x) = \sum_{k=0}^{n} a_k x^k + o(x^n) \qquad \text{et} \qquad f(x) = \sum_{k=0}^{n} b_k x^k + o(x^n),\]

alors on a \((a_0,\dots,a_n) = (b_0,\dots,b_n)\).

Preuve (par l’absurde 反证法). Par hypothèse, \(\forall x \in D,\ \sum a_k x^k + o(x^n) = \sum b_k x^k + o(x^n)\). Pour montrer \((a_0,\dots,a_n) = (b_0,\dots,b_n)\), supposons \(p = \min\{k \in [\![0;n]\!]\mid a_k \neq b_k\}\)(双方括号表示从 \(0\) 到 \(n\) 遍历取值). Pour \(x \in D\setminus\{0\}\) :

\[\underbrace{\sum_{k=p}^{n} a_k x^{k-p}}_{\to a_p} + \frac{o(x^n)}{x^p} = \underbrace{\sum_{k=p}^{n} b_k x^{k-p}}_{\to b_p} + \frac{o(x^n)}{x^p};\]

en divisant par \(x^p\), on a \(a_p + (a_{p+1}-b_{p+1})x + \dots + o(x) = b_p + \dots\). En faisant \(x\) tendre vers \(0\) dans l’égalité \((\ast)\), on a \(a_p = b_p\), ce qui est en contradiction avec la définition de l’entier \(p\). ∎

唯一性命题(译文) 若 \(f\) 是定义在 \(0\) 邻域内的函数,存在两组 \((n+1)\)-实数数组 \((a_0,\dots,a_n)\) 与 \((b_0,\dots,b_n)\) 同时满足(现在分词,表示同时满足)\(f(x)=\sum_{k=0}^na_kx^k+o(x^n)\) 和 \(f(x)=\sum_{k=0}^nb_kx^k+o(x^n)\),则 \((a_0,\dots,a_n)=(b_0,\dots,b_n)\)。证明(反证法):由假设 \(\forall x\in D,\ \sum a_kx^k+o(x^n)=\sum b_kx^k+o(x^n)\)。为证两组系数相等,设 \(p=\min\{k\in[\![0;n]\!]\mid a_k\ne b_k\}\)(双方括号表示从 \(0\) 到 \(n\) 遍历取值)。对 \(x\in D\setminus\{0\}\) 将等式两边除以 \(x^p\),得 \(\sum_{k=p}^na_kx^{k-p}+\dfrac{o(x^n)}{x^p}=\sum_{k=p}^nb_kx^{k-p}+\dfrac{o(x^n)}{x^p}\),即 \(a_p+(a_{p+1}-b_{p+1})x+\dots+o(x)=b_p+\dots\)(\(*\))。在 \((*)\) 中令 \(x\to0\),得 \(a_p=b_p\),与整数 \(p\) 的定义矛盾。∎ 唯一性保证「正则部分」良定义,也是后面「比较系数求各阶导数值」的依据。
CorollaireFonctions paires et impaires

Soit \(f\) une fonction admettant au voisinage de \(0\) un \(DL_n\) dont la partie régulière est \(P(x) = \displaystyle\sum_{k=0}^{n} a_k x^k\) :

  • si \(f\) est paire, alors \(P(x)\) ne contient que des puissances paires de \(x\) ;
  • si \(f\) est impaire, alors \(P(x)\) ne contient que des puissances impaires de \(x\).

Preuve. 1. Si \(f\) est paire, alors \(f(-x) = f(x)\) ; on a \(\forall x \in D,\ f(x) = f(-x) = \sum_{k=0}^n (-1)^k a_k x^k + o(x^n)\). D’après la proposition de l’unicité du \(DL_n\), \(\forall k \in [\![0;n]\!],\ a_k = (-1)^k a_k\), donc \(P\) ne contient que des puissances paires. 2. Si \(f\) est impaire, \(f(-x) = -f(x)\) de même : \(a_k = (-1)^{k+1} a_k\), donc \(P\) ne contient que des puissances impaires. ∎

推论(偶函数与奇函数的展开系数,译文) 设 \(f\) 在 \(0\) 邻域内有 \(DL_n\),其正则部分为 \(P(x)=\sum_{k=0}^na_kx^k\):若 \(f\) 为偶函数(paire),则 \(P(x)\) 只含 \(x\) 的偶次幂;若 \(f\) 为奇函数(impaire),则 \(P(x)\) 只含 \(x\) 的奇次幂。证明:1. 若 \(f\) 偶,则 \(f(-x)=f(x)\);\(\forall x\in D,\ f(x)=f(-x)=\sum_{k=0}^n(-1)^ka_kx^k+o(x^n)\)。由 \(DL_n\) 唯一性,\(\forall k\in[\![0;n]\!],\ a_k=(-1)^ka_k\),故 \(P\) 只含偶次幂。2. 若 \(f\) 奇,\(f(-x)=-f(x)\),同理 \(a_k=(-1)^{k+1}a_k\),故 \(P\) 只含奇次幂。∎ 实际算 DL 时可据此「跳过」一半的项。
Exemple\(DL_6(0)\) de \(f(x) = \ln(\cos x)\)

Réponse. Il suffit de prendre le polynôme à l’ordre \(3\) pour \(\ln(1+u)\) et l’ordre \(6\) pour \(\cos x\) (ordre \(4\) suffit en fait) :

\[\ln(1+u) = u - \frac{u^2}{2} + \frac{u^3}{3} + o(u^3) \quad (\ast), \qquad \cos x - 1 = -\frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + o(x^6).\]

En remplaçant \(u\) par \(\cos x - 1\) dans (\(*\)) (on a bien \(u \to 0\)) :

\[\ln(\cos x) = \left(-\frac{x^2}{2} + \frac{x^4}{24} - \frac{x^6}{720}\right) - \frac12\left(\frac{x^4}{4} - \frac{x^6}{24}\right) + \frac13\left(-\frac{x^6}{8}\right) + o(x^6),\]

soit finalement

\[\ln(\cos x) = -\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{12} - \frac{x^6}{45} + o(x^6).\]
例(\(\ln\cos x\) 的六阶展开,译文) 求 \(f(x)=\ln(\cos x)\) 的 \(DL_6(0)\)。解:只需取 \(\ln(1+u)\) 到三阶、\(\cos x\) 到六阶:\(\ln(1+u)=u-\dfrac{u^2}{2}+\dfrac{u^3}{3}+o(u^3)\)(\(*\)),\(\cos x-1=-\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^4}{4!}-\dfrac{x^6}{6!}+o(x^6)\)。在 \((*)\) 中把 \(u\) 换成 \(\cos x-1\)(确有 \(u\to0\)):\(\ln(\cos x)=\Big(-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^4}{24}-\dfrac{x^6}{720}\Big)-\dfrac12\Big(\dfrac{x^4}{4}-\dfrac{x^6}{24}\Big)+\dfrac13\Big(-\dfrac{x^6}{8}\Big)+o(x^6)\)(因 \(u=O(x^2)\),\(u^2\)、\(u^3\) 各保留到 \(x^6\))。合并同类项,最终得 \(\ln(\cos x)=-\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^4}{12}-\dfrac{x^6}{45}+o(x^6)\)。
ExempleLimite : \(\displaystyle\lim_{x\to \pi/2} (\sin x)^{\frac{1}{x-\pi/2}}\)

Si \(x \in \left]0;\frac{\pi}{2}\right[\), \(\sin x > 0\), de sorte que la fonction proposée est bien définie sur un voisinage pointé(去心邻域) de \(\frac{\pi}{2}\), et de plus

\[(\sin x)^{\frac{1}{x-\frac{\pi}{2}}} = e^{\frac{1}{x-\pi/2}\ln \sin x}.\]

Quand \(x \to \frac{\pi}{2}\), \(\sin x \to 1\), donc

\[\ln \sin x \sim \sin x - 1 = -\big(1 - \cos(\tfrac{\pi}{2} - x)\big) \sim -\frac{(\frac{\pi}{2}-x)^2}{2} = -\frac{(2x-\pi)^2}{8},\]

donc \(\dfrac{\ln\sin x}{x - \frac{\pi}{2}} \to 0\), et enfin \((\sin x)^{\frac{1}{x-\pi/2}} = e^{\frac{\ln \sin x}{x-\pi/2}} \to e^0 = 1\).

例(幂指极限,译文) 求 \((\sin x)^{\frac{1}{x-\pi/2}}\) 当 \(x\to\frac\pi2\) 的极限。当 \(x\in\big]0;\frac\pi2\big[\) 时 \(\sin x>0\),故所给函数在 \(\frac\pi2\) 的去心邻域内定义良好,且 \((\sin x)^{\frac{1}{x-\pi/2}}=e^{\frac{1}{x-\pi/2}\ln\sin x}\)。当 \(x\to\frac\pi2\) 时 \(\sin x\to1\),于是 \(\ln\sin x\sim\sin x-1=-\big(1-\cos(\frac\pi2-x)\big)\sim-\dfrac{(\frac\pi2-x)^2}{2}=-\dfrac{(2x-\pi)^2}{8}\),从而 \(\dfrac{\ln\sin x}{x-\pi/2}\to0\),最终 \((\sin x)^{\frac{1}{x-\pi/2}}=e^{\frac{\ln\sin x}{x-\pi/2}}\to e^0=1\)。
Exemple\(f(x) = \dfrac{x^3}{1+x^6}\) : calcul de \(f^{(n)}(0)\) pour tout \(n\)

Calcul du DL à un certain ordre(利用 \(\dfrac{1}{1-x}\) 的展开计算) :

\[\frac{x^3}{1+x^6} = x^3\cdot\frac{1}{1-(-x^6)} = x^3\big(1 - x^6 + x^{12} - x^{18} + \dots\big) = \sum_{l\geqslant 0} (-1)^l x^{3+6l}.\]

Il s’agit d’identifier ce développement avec la formule de Taylor :

\[f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2!}x^2 + \dots + \frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n + \dots\]

Par unicité des DL, en identifiant les coefficients devant \(x^n\), on trouve

\[\frac{f^{(n)}(0)}{n!} = \begin{cases} (-1)^l, & \text{si } n = 3 + 6l,\\ 0, & \text{sinon.}\end{cases}\]
例(译文) \(f(x)=\dfrac{x^3}{1+x^6}\):对一切 \(n\) 求 \(f^{(n)}(0)\)。某阶 DL 的计算(利用 \(\dfrac1{1-x}\) 的展开):\(\dfrac{x^3}{1+x^6}=x^3\cdot\dfrac{1}{1-(-x^6)}=x^3(1-x^6+x^{12}-x^{18}+\dots)=\sum_{l\geqslant0}(-1)^lx^{3+6l}\)。要把此展开与 Taylor 公式 \(f(x)=f(0)+f'(0)x+\dfrac{f''(0)}{2!}x^2+\dots+\dfrac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n+\dots\) 对照。由 DL 的唯一性,比较 \(x^n\) 前的系数得:\(\dfrac{f^{(n)}(0)}{n!}=(-1)^l\)(当 \(n=3+6l\)),否则为 \(0\)——「用展开求任意阶导数值」的标准套路。
DéfinitionDL en \(x_0\)(在一般点的展开)

Soit \(x_0 \in \mathbb{R}\) et \(f : D \to \mathbb{R}\) définie au voisinage de \(x_0\). Posons \(\Delta = \{x - x_0 \mid x \in D\}\) et \(g\) définie sur \(\Delta\) par \(\forall h \in \Delta,\ g(h) = f(x_0 + h)\). La fonction \(f\) admet un \(DL_n(x_0)\) si la fonction \(g\), définie au voisinage de \(0\), possède un \(DL_n(0)\) : c’est-à-dire s’il existe une \((n+1)\)-liste de réels \((a_0,\dots,a_n)\) telle que

\[\forall h \in \Delta, \qquad f(x_0 + h) = \sum_{k=0}^{n} a_k h^k + o(h^n).\]
定义(\(DL_n(x_0)\),译文) 设 \(x_0\in\mathbb{R}\),\(f:D\to\mathbb{R}\) 定义在 \(x_0\) 的邻域内。令 \(\Delta=\{x-x_0\mid x\in D\}\),并设 \(g\) 为 \(\Delta\) 上的函数:\(\forall h\in\Delta,\ g(h)=f(x_0+h)\)。若定义在 \(0\) 邻域内的函数 \(g\) 有 \(DL_n(0)\),则称 \(f\) 有 \(DL_n(x_0)\):即存在 \((n+1)\)-实数数组 \((a_0,\dots,a_n)\) 使得 \(\forall h\in\Delta,\ f(x_0+h)=\sum_{k=0}^na_kh^k+o(h^n)\)。——平移变量 \(h=x-x_0\),把「在 \(x_0\) 展开」归约为「在 \(0\) 展开」。
Exemple\(DL_3(2)\) de \(f(x) = \dfrac{1}{x}\)

En utilisant un \(DL_3(0)\) de \(\dfrac{1}{1+u}\), donner un \(DL_3(2)\) de \(f\) définie sur \(\mathbb{R}^*\) par \(f(x) = \dfrac1x\). On a vu que \(u \mapsto \dfrac{1}{1-u}\) a un \(DL_3(0)\) :

\[\frac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + u^3 + u^3\varepsilon(u), \qquad \lim_{u\to 0}\varepsilon(u) = 0.\]

Si pour \(x\) on pose \(x = 2 + h\), alors

\[f(2+h) = \frac{1}{2+h} = \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{1 + \frac{h}{2}} = \frac12\left(1 - \frac{h}{2} + \frac{h^2}{4} - \frac{h^3}{8} + o(h^3)\right),\]

soit

\[f(2+h) = \frac{1}{2} - \frac{h}{4} + \frac{h^2}{8} - \frac{h^3}{16} + o(h^3),\]

ce qui, en revenant à \(x\), donne

\[\frac1x = \frac12 - \frac{x-2}{4} + \frac{(x-2)^2}{8} - \frac{(x-2)^3}{16} + o\big((x-2)^3\big).\]

Notons que dans l’expression précédente, il ne faut surtout pas développer les termes \((x-2)\), \((x-2)^2\), \((x-2)^3\) !

例(译文) 利用 \(\dfrac{1}{1+u}\) 的 \(DL_3(0)\),给出 \(\mathbb{R}^*\) 上函数 \(f(x)=\dfrac1x\) 的 \(DL_3(2)\)。前面已见 \(u\mapsto\dfrac{1}{1-u}\) 有 \(DL_3(0)\):\(\dfrac{1}{1-u}=1+u+u^2+u^3+u^3\varepsilon(u)\),\(\lim_{u\to0}\varepsilon=0\)。对 \(x\) 令 \(x=2+h\),则 \(f(2+h)=\dfrac{1}{2+h}=\dfrac12\cdot\dfrac{1}{1+\frac h2}=\dfrac12\Big(1-\dfrac h2+\dfrac{h^2}{4}-\dfrac{h^3}{8}+o(h^3)\Big)\),即 \(f(2+h)=\dfrac12-\dfrac h4+\dfrac{h^2}{8}-\dfrac{h^3}{16}+o(h^3)\);换回 \(x\) 得 \(\dfrac1x=\dfrac12-\dfrac{x-2}{4}+\dfrac{(x-2)^2}{8}-\dfrac{(x-2)^3}{16}+o\big((x-2)^3\big)\)。注意:在上式中,千万不要把 \((x-2)\)、\((x-2)^2\)、\((x-2)^3\) 再乘开展开!(否则展开中心就丢了。)
Exemple\(f \in C^n\) au voisinage de \(x_0\) ⟹ \(DL_n(x_0)\)

Si \(f\) est une fonction de classe \(C^n\) au voisinage de \(x_0\), alors la formule de Taylor-Young prouve que cette fonction possède un \(DL_n(x_0)\) dont la partie régulière est

\[\sum_{k=0}^{n}\frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k.\]
例(译文) 若 \(f\) 是在 \(x_0\) 邻域内的 \(C^n\) 类函数,证明它在 \(x_0\) 有 \(n\) 阶泰勒展开。证明:\(f\) 在 \(x_0\) 邻域内为 \(C^n\) 类,则 Taylor–Young 公式表明该函数有 \(DL_n(x_0)\),其正则部分为 \(\sum_{k=0}^n\dfrac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k\)。
RemarqueDL et grand O(\(DL_n\) 与 \(O\) 记号)

Si \(f\) admet, au voisinage de \(x_0\), un développement limité à l’ordre \(n\) dont la partie régulière est \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n} a_k(x-x_0)^k\), alors

\[f(x) - \sum_{k=0}^{n-1} a_k (x-x_0)^k = O\big((x-x_0)^n\big);\]

inversement si, en \(x_0\), la fonction \(f\) vérifie une relation du type \(f(x) = \displaystyle\sum_{k=0}^{n-1} a_k (x-x_0)^k + O\big((x-x_0)^n\big)\), alors elle admet au voisinage de \(x_0\) un développement limité à l’ordre \(n-1\) dont la partie régulière est \(\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1} a_k (x-x_0)^k\).

注(\(DL_n\) 与大 O 记号,译文) 若 \(f\) 在 \(x_0\) 邻域内有 \(n\) 阶泰勒展开,其正则部分为 \(\sum_{k=0}^na_k(x-x_0)^k\),则 \(f(x)-\sum_{k=0}^{n-1}a_k(x-x_0)^k=O\big((x-x_0)^n\big)\)。反之,若在 \(x_0\) 处 \(f\) 满足形如 \(f(x)=\sum_{k=0}^{n-1}a_k(x-x_0)^k+O\big((x-x_0)^n\big)\) 的关系,则 \(f\) 在 \(x_0\) 邻域内有 \(n-1\) 阶泰勒展开,其正则部分为 \(\sum_{k=0}^{n-1}a_k(x-x_0)^k\)。
DéfinitionDéveloppement limité à droite et à gauche(左右展开)

Soit \(f : I \to \mathbb{R}\) une fonction définie au voisinage d’un point \(x_0\) de l’intervalle \(I\) que l’on suppose ne pas être une borne de \(I\). On dit que \(f\) admet un développement limité à droite (resp. à gauche) à l’ordre \(n\) au voisinage de \(x_0\) si la restriction de \(f\) à \(I \cap [x_0;+\infty[\) (resp. à \(I \cap\,]-\infty;x_0]\)) admet un développement limité à l’ordre \(n\) en \(x_0\).

Remarque (1). Si \(f\) admet un \(DL_n(x_0)\), alors en ce point elle admet un \(DL_n(x_0)\) à droite et à gauche, et les coefficients de ces derniers \(DL\) sont égaux à ceux du \(DL_n(x_0)\) de \(f\).(函数 \(f\) 在 \(x_0\) 点有 \(n\) 阶展开,则在 \(x_0\) 点一定有左、右展开)

Remarque (2). Réciproquement, si \(f\) possède un développement limité à droite et à gauche en \(x_0\) à l’ordre \(n\) et si les coefficients de ces derniers développements limités sont égaux, alors \(f\) possède un développement limité à l’ordre \(n\) en \(x_0\). En effet, on recolle \(\varepsilon(x) = \begin{cases} \varepsilon_1(x), & x \geqslant x_0,\\ \varepsilon_2(x), & x \leqslant x_0,\end{cases}\) qui tend vers \(0\) en \(x_0\). Donc si les parties régulières des \(DL\) gauche et droite sont différentes, on peut en déduire que \(f\) ne possède pas de \(DL_n(x_0)\).

定义(左右泰勒展开,译文) 设 \(f:I\to\mathbb{R}\) 定义在区间 \(I\) 的点 \(x_0\) 的邻域内,且设 \(x_0\) 不是 \(I\) 的端点。若 \(f\) 在 \(I\cap[x_0;+\infty[\) 上的限制(restriction)(resp. 在 \(I\cap]-\infty;x_0]\) 上的限制)在 \(x_0\) 有 \(n\) 阶泰勒展开,则称 \(f\) 在 \(x_0\) 邻域内有 右(resp. 左)\(n\) 阶泰勒展开。注 (1):若 \(f\) 有 \(DL_n(x_0)\),则它在这一点右、左都有 \(DL_n(x_0)\),且这两个展开的系数与 \(f\) 的 \(DL_n(x_0)\) 的系数相同。(函数在 \(x_0\) 有 \(n\) 阶展开,则一定有左、右展开。)注 (2):反之,若 \(f\) 在 \(x_0\) 右、左都有 \(n\) 阶泰勒展开,且这两个展开的系数相等,则 \(f\) 在 \(x_0\) 有 \(n\) 阶泰勒展开。事实上,把误差函数拼接 \(\varepsilon(x)=\varepsilon_1(x)\)(\(x\geqslant x_0\))、\(\varepsilon(x)=\varepsilon_2(x)\)(\(x\leqslant x_0\)),它在 \(x_0\) 趋于 \(0\)。因此,若左右展开的正则部分不同,即可断定 \(f\) 没有 \(DL_n(x_0)\)。
Exemple\(f(x) = \dfrac{1}{1+|x|^3}\) : pas de \(DL_3(0)\), mais un \(DL_2(0)\)

Montrer que la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = \dfrac{1}{1+|x|^3}\) n’admet pas de développement limité à l’ordre \(3\) en \(0\). Possède-t-elle un développement limité à l’ordre \(2\) en \(0\) ?

Réponse. \(f\) admet un \(DL_3(0)\) à droite puisque

\[f|_{\mathbb{R}_+}(x) = \frac{1}{1+x^3} = 1 - x^3 + o(x^3),\]

et à gauche puisque \(f|_{\mathbb{R}_-}(x) = \dfrac{1}{1-x^3} = 1 + x^3 + o(x^3)\). Comme les parties régulières de ces développements sont différentes, on en déduit que \(f\) ne possède pas de développement limité à l’ordre \(3\) en \(0\).

Toutefois, comme on a \(f(x) = 1 + o(x^2)\), la fonction \(f\) possède un \(DL_2(0)\) : \(f(x) = 1 + 0\cdot x + 0\cdot x^2 + o(x^2)\).

例(译文) 证明 \(\mathbb{R}\) 上定义的函数 \(f(x)=\dfrac{1}{1+|x|^3}\) 在 \(0\) 没有三阶泰勒展开。它在 \(0\) 有二阶泰勒展开吗?解:\(f\) 在 \(0\) 右侧有 \(DL_3(0)\),因为 \(f|_{\mathbb{R}_+}(x)=\dfrac{1}{1+x^3}=1-x^3+o(x^3)\);左侧有 \(f|_{\mathbb{R}_-}(x)=\dfrac{1}{1-x^3}=1+x^3+o(x^3)\)。由于这两个展开的正则部分不同,推出 \(f\) 没有三阶泰勒展开。不过,由于 \(f(x)=1+o(x^2)\),\(f\) 有 \(DL_2(0)\):\(f(x)=1+0\cdot x+0\cdot x^2+o(x^2)\)。

这个例题用来说明:函数 \(f\) 在一点有 \(n\) 阶展开,并不要求 \(f\) 在该点 \(n\) 次可导;由前页定理已知:如果 \(f\) 在一点有 \(n\) 阶导数(\(C^n\)),则一定会有 \(n\) 阶展开。此处 \(f\) 在 \(0\) 有一、二阶导数(都为 \(0\)),但三阶导数不存在(左右三阶展开系数 \(\mp1\) 不同)。

原讲义中文注记说「函数 \(f\) 在 \(0\) 点不可导,但是具有二阶展开」。对 \(f(x)=\frac{1}{1+|x|^3}\),逐一检验可知它在 \(0\) 实际上是可导的(\(f'(0)=0\)),甚至二阶可导;失败的是三阶可导与三阶展开。正确的表述应为:「有 \(DL_2\) 并不要求有 \(DL_3\)/三阶导数」。
DéfinitionDL au voisinage de \(+\infty\)(无穷远处的展开)

Soit \(f : D \to \mathbb{R}\) une fonction définie au voisinage de \(+\infty\). On pose \(\Delta = \left\{u = \dfrac1x \ \Big|\ x \in D \setminus \mathbb{R}_{\text{petit}}\right\}\)…formellement : on appelle \(g\) la fonction définie sur \(\Delta\) par \(\forall u \in \Delta,\ g(u) = f\!\left(\dfrac1u\right)\). La fonction \(g\) est alors définie au voisinage de \(0\). Elle possède un \(DL_n(0)\) ssi il existe \((a_0,\dots,a_n)\) et \(\varepsilon(u)\) telles que

\[f\!\left(\frac1u\right) = \sum_{k=0}^{n} a_k u^k + u^n\varepsilon(u), \qquad \lim_{u\to 0^+}\varepsilon(u) = 0,\]

c’est-à-dire, en revenant à \(x\) : \(\displaystyle f(x) = \sum_{k=0}^{n}\frac{a_k}{x^k} + o\!\left(\frac{1}{x^n}\right)\) au voisinage de \(+\infty\) (resp. \(-\infty\)).

Définition officielle. La fonction \(f\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) au voisinage de \(+\infty\) (resp. \(-\infty\)) si la fonction \(g = f(1/u)\) possède un développement limité à l’ordre \(n\) en \(0\) à droite (resp. à gauche) ; i.e. s’il existe \((a_0,\dots,a_n)\) tels que, au voisinage de \(+\infty\) (resp. \(-\infty\)),

\[f(x) = \sum_{k=0}^{n}\frac{a_k}{x^k} + o\!\left(\frac{1}{x^n}\right).\]

Remarque. On dit que \(f\) admet un développement limité à l’infini si \(g\) possède un développement limité en \(0\) : elle est alors définie au voisinage de \(+\infty\) et au voisinage de \(-\infty\) et y admet un développement limité.

定义(无穷远处的泰勒展开,译文) 设 \(f:D\to\mathbb{R}\) 定义在 \(+\infty\) 的邻域内。令 \(u=\dfrac1x\),称 \(\Delta\) 上定义的函数 \(g(u)=f\!\big(\dfrac1u\big)\);\(g\) 于是定义在 \(0\) 的邻域内。\(g\) 有 \(DL_n(0)\) 当且仅当存在 \((a_0,\dots,a_n)\) 与 \(\varepsilon(u)\) 使得 \(f\big(\dfrac1u\big)=\sum_{k=0}^n a_ku^k+u^n\varepsilon(u)\) 且 \(\lim_{u\to0^+}\varepsilon(u)=0\);换回 \(x\) 即 \(f(x)=\sum_{k=0}^n\dfrac{a_k}{x^k}+o\big(\dfrac{1}{x^n}\big)\)(当 \(x\to+\infty\))。正式定义:若 \(g=f(1/u)\) 在 \(0\) 有右(resp. 左)\(n\) 阶泰勒展开,则称 \(f\) 在 \(+\infty\)(resp. \(-\infty\))邻域内有 \(n\) 阶泰勒展开。注:若 \(g\) 在 \(0\) 有泰勒展开,则称 \(f\) 在无穷远有泰勒展开——此时它在 \(+\infty\) 与 \(-\infty\) 两侧邻域内都有展开。方法要点(讲义中文注):所有需要在 \(\infty\) 展开的题目,先通过变量替换化为在 \(0\) 点的展开。
Exemple\(DL_2(+\infty)\) de \(f(x) = \dfrac{x}{x-1}\)

Développement limité à l’ordre \(2\) au voisinage de \(+\infty\) de \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\setminus\{1\}\) par \(f(x) = \dfrac{x}{x-1}\). Réponse. Si pour \(x \in \mathbb{R}^*\) on pose \(u = \dfrac1x\), on a

\[f(x) = \frac{1/u}{1/u - 1} = \frac{1}{1-u}.\]

La fonction \(u \mapsto \dfrac{1}{1-u}\) a pour développement limité à l’ordre \(2\) en \(0\) : \(\dfrac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + u^3\varepsilon(u)\), avec \(\lim_{u\to 0}\varepsilon = 0\). Ce qui, en revenant à la variable \(x\), donne

\[f(x) = 1 + \frac1x + \frac{1}{x^2} + \frac{1}{x^2}\varepsilon_1(x), \qquad \text{avec } \varepsilon_1(x) = \frac1x \varepsilon\!\left(\frac1x\right) \to 0,\]

i.e. \(f(x) = 1 + \dfrac1x + \dfrac{1}{x^2} + o\!\left(\dfrac{1}{x^2}\right)\) au voisinage de \(+\infty\).

例(译文) 求 \(\mathbb{R}\setminus\{1\}\) 上函数 \(f(x)=\dfrac{x}{x-1}\) 在 \(+\infty\) 邻域内的二阶泰勒展开。解:对 \(x\in\mathbb{R}^*\) 令 \(u=\dfrac1x\),则 \(f(x)=\dfrac{1/u}{1/u-1}=\dfrac{1}{1-u}\)。函数 \(u\mapsto\dfrac{1}{1-u}\) 在 \(0\) 有二阶泰勒展开:\(\dfrac{1}{1-u}=1+u+u^2+u^3\varepsilon(u)\),\(\lim_{u\to0}\varepsilon=0\)。换回变量 \(x\) 得 \(f(x)=1+\dfrac1x+\dfrac{1}{x^2}+\dfrac{1}{x^2}\varepsilon_1(x)\),其中 \(\varepsilon_1(x)=\dfrac1x\varepsilon\big(\dfrac1x\big)\to0\),即 \(f(x)=1+\dfrac1x+\dfrac{1}{x^2}+o\Big(\dfrac{1}{x^2}\Big)\)(\(x\to+\infty\))。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-5)

Terme中文备注
développement limité (\(DL_n\))(带 Peano 余项的)泰勒展开 / 渐近展开中国教材常称「麦克劳林/Taylor 公式带 Peano 型余项」
partie régulière正则部分(展开多项式)
unicité du DL展开的唯一性比较系数合法性的根据
pair / impair偶 / 奇(函数)展开只含偶/奇次幂
voisinage pointé去心邻域
DL à droite / à gauche右 / 左展开
DL au voisinage de \(+\infty\), de l’infini正无穷远 / 无穷远处的展开按 \(1/x\) 的幂
\(O((x-x_0)^n)\)大 O 记号与 \(O\) 记号的等价刻画

II-6Dérivabilité et développement limité可导性与展开的相互关系(\(DL_0, DL_1, DL_2\))

DL d’ordre 0 et continuité

Soit \(f\) une fonction définie au voisinage de \(x_0\) et admettant une limite \(l\) en \(x_0\). En définissant la fonction \(\varepsilon\) par \(\forall x \in D,\ \varepsilon(x) = f(x) - l\), on obtient

\[\forall x \in D, \qquad f(x) = l + \varepsilon(x), \qquad \lim_{x\to x_0}\varepsilon(x) = 0.\]

La fonction \(f\) admet donc un \(DL_0(x_0)\).

La réciproque. Soit \(f\) une fonction possédant un \(DL_0(x_0)\), pour laquelle on peut donc trouver un réel \(a_0\) et une fonction \(\varepsilon\) vérifiant \(f(x) = a_0 + \varepsilon(x)\) et \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon(x) = 0\). Alors \(f\) possède en \(x_0\) une limite égale à \(a_0\). Si \(x_0 \in D\), la fonction \(f\) est continue en \(x_0\) ; si \(f\) n’est pas définie en \(x_0\), on peut prolonger \(f\) par continuité en posant \(f(x_0) = a_0\).

零阶展开与连续性(译文) 设 \(f\) 定义在 \(x_0\) 邻域内且在 \(x_0\) 有极限 \(l\)。定义函数 \(\varepsilon\):\(\forall x\in D,\ \varepsilon(x)=f(x)-l\),则得 \(\forall x\in D,\ f(x)=l+\varepsilon(x)\) 且 \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon(x)=0\)。故 \(f\) 有 \(DL_0(x_0)\)。反之:设 \(f\) 有 \(DL_0(x_0)\),即可找到实数 \(a_0\) 与函数 \(\varepsilon\) 满足 \(f(x)=a_0+\varepsilon(x)\)、\(\lim_{x\to x_0}\varepsilon(x)=0\)。则 \(f\) 在 \(x_0\) 有等于 \(a_0\) 的极限。若 \(x_0\in D\),\(f\) 在 \(x_0\) 连续;若 \(f\) 在 \(x_0\) 无定义,可令 \(f(x_0)=a_0\) 作连续延拓。——即:极限存在(连续)⟺ \(DL_0\)。
DL d’ordre 1 et dérivabilité

Soit \(f\) une fonction dérivable en \(x_0\). En définissant la fonction \(\varepsilon\) par

\[\forall x \in D\setminus\{x_0\}, \qquad \varepsilon(x) = \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} - f'(x_0), \qquad \varepsilon(x_0) = 0,\]

on obtient \(\forall x \in D,\ f(x) = f(x_0) + (x-x_0)f'(x_0) + (x-x_0)\varepsilon(x)\) et \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon(x) = 0\) : la fonction \(f\) admet donc un \(DL_1(x_0)\).

La réciproque. Soit \(f\) admettant un \(DL_1(x_0)\) : \(\forall x \in D,\ f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + (x-x_0)\varepsilon(x)\), \(\lim\varepsilon = 0\). Quitte à prolonger \(f\) par continuité en posant \(f(x_0) = a_0\), il est alors évident que

\[\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = a_1,\]

c’est-à-dire que \(f\) est dérivable en \(x_0\) et que \(f'(x_0) = a_1\).

一阶展开与可导性(译文) 设 \(f\) 在 \(x_0\) 可导。定义 \(\varepsilon\):\(x\in D\setminus\{x_0\}\) 时 \(\varepsilon(x)=\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}-f'(x_0)\),且 \(\varepsilon(x_0)=0\),则得 \(\forall x\in D,\ f(x)=f(x_0)+(x-x_0)f'(x_0)+(x-x_0)\varepsilon(x)\) 且 \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon(x)=0\):故 \(f\) 有 \(DL_1(x_0)\)。反之:设 \(f\) 有 \(DL_1(x_0)\):\(\forall x\in D,\ f(x)=a_0+a_1(x-x_0)+(x-x_0)\varepsilon(x)\),\(\lim\varepsilon=0\)。必要时令 \(f(x_0)=a_0\) 作连续延拓,则显然 \(\lim_{x\to x_0}\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=a_1\),即 \(f\) 在 \(x_0\) 可导且 \(f'(x_0)=a_1\)(一次项系数)。——即可导 ⟺ \(DL_1\)。
DL d’ordre \(n \geqslant 2\) : la réciproque est fausse

Si \(f\) est une fonction de classe \(C^n\) au voisinage de \(x_0\), alors la formule de Taylor-Young à l’ordre \(n\) montre que \(f\) possède un \(DL_n(x_0)\). La réciproque à ceci est fausse : une fonction définie en \(x_0\) peut admettre un \(DL_2(x_0)\) et ne pas être deux fois dérivable en \(x_0\). La fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par

\[f(x) = x + x^3 \sin\!\left(\frac1x\right) \ (\text{si } x \neq 0), \qquad f(0) = 0\]

on a \(\forall x \in \mathbb{R},\ f(x) = x + x^2 \varepsilon(x)\) avec \(\varepsilon(x) = x\sin\frac1x\) (si \(x\ne0\)) et \(\varepsilon(0) = 0\), et donc \(\lim_{x\to 0}\varepsilon(x) = 0\) : \(f\) possède un \(DL_2(0) = x\).

Remarque(关于上面的例题) \(f(x) = x + x^3\sin\frac1x\) 在 \(0\) 点的一阶导数存在:\(f'(x) = 1 + 3x^2\sin\frac1x - x\cos\frac1x\)(\(x\neq0\)),\(f'(0) = 1\)。但是在 \(0\) 点不存在二阶导数:由 \(\dfrac{f'(x)-f'(0)}{x} = 3x\sin\dfrac1x - \cos\dfrac1x\) 在 \(x\to0\) 时极限不存在。从而 \(f\) 在 \(0\) 的二阶导数不存在,但在 \(0\) 点有二阶展开。

\(n\geqslant2\) 阶展开与可导性(译文) 若 \(f\) 是在 \(x_0\) 邻域内的 \(C^n\) 类函数,则 \(n\) 阶 Taylor–Young 公式表明 \(f\) 有 \(DL_n(x_0)\)。但此命题的逆不真:定义在 \(x_0\) 的函数可以有 \(DL_2(x_0)\) 而不在 \(x_0\) 二次可导。\(\mathbb{R}\) 上的函数 \(f(x)=x+x^3\sin\Big(\dfrac1x\Big)\)(\(x\ne0\) 时),\(f(0)=0\):有 \(\forall x\in\mathbb{R},\ f(x)=x+x^2\varepsilon(x)\),其中 \(\varepsilon(x)=x\sin\dfrac1x\)(\(x\ne0\))、\(\varepsilon(0)=0\),故 \(\lim_{x\to0}\varepsilon(x)=0\):\(f\) 有 \(DL_2(0)=x\)。但 \(f\) 在 \(0\) 二阶不可导(见下方注)。——即 \(C^n\Rightarrow DL_n\) 为真,反之不真。
Remarque utileQuand on sait que \(f\) est \(C^n\)

En revanche, si on sait que la fonction est de classe \(C^n\) et si on en connaît un développement limité en \(x_0\), alors, grâce à l’unicité du développement limité, on peut en déduire les valeurs des dérivées en \(x_0\). Par exemple, si l’on sait que le développement limité de \(\tan\) à l’ordre \(5\) en \(0\) est

\[\tan x = x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + O(x^6),\]

comme la fonction \(\tan\) est de classe \(C^\infty\) au voisinage de \(0\), elle y possède un développement limité à l’ordre \(5\) et on a donc

\[\frac{\tan^{(k)}(0)}{k!} = (\text{coefficient de } x^k \text{ dans le DL}), \qquad \text{即 } \tan^{(k)}(0) = k!\,a_k.\]

如果已有函数 \(f\) 在一点的展开式,并且函数 \(f\) 是充分光滑的(\(C^n\)),我们就可以通过展开式的系数去确定函数的各阶导数(见上例)。

注(有用)译文 反之,若已知函数为 \(C^n\) 类,且知道它的一个在 \(x_0\) 的泰勒展开,则借助泰勒展开的唯一性,可以推出各阶导数在 \(x_0\) 的值。例如,已知 \(\tan\) 在 \(0\) 的五阶展开为 \(\tan x=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}+O(x^6)\),而 \(\tan\) 在 \(0\) 邻域内为 \(C^\infty\) 类,故它有五阶展开,于是 \(\dfrac{\tan^{(k)}(0)}{k!}=\)(展开式中 \(x^k\) 的系数),即 \(\tan^{(k)}(0)=k!\,a_k\):\(\tan^{(3)}(0)=3!\cdot\dfrac13=2\),\(\tan^{(5)}(0)=5!\cdot\dfrac{2}{15}=16\)。如果已有函数 \(f\) 在一点的展开式,并且函数 \(f\) 是充分光滑的(\(C^n\)),我们就可以通过展开式的系数去确定函数的各阶导数。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-6)

Terme中文备注
\(DL_0(x_0)\) ⟺ limite / continuité零阶展开 ⟺ 极限(连续)
\(DL_1(x_0)\) ⟺ dérivabilité一阶展开 ⟺ 可导
\(DL_n\) sans dérivée d’ordre \(n\)有 \(n\) 阶展开但不可 \(n\) 次求导反例 \(x+x^3\sin(1/x)\)
coefficient du DL / comparaison de coefficients展开系数 / 比较系数反求 \(f^{(k)}(x_0)=k!a_k\)
prolongement par continuité连续延拓

II-7Opérations sur les développements limités展开的运算:线性组合与乘积、商、复合

PropositionCombinaison linéaire et produit de DLs

Soit \(D\) une partie de \(\mathbb{R}\), \(f\) et \(g\) deux applications de \(D\) dans \(\mathbb{R}\) admettant \(DL_n(0)\) qui s’écrivent

\[f(x) = P(x) + o(x^n) \qquad \text{et} \qquad g(x) = Q(x) + o(x^n),\]

où \(P, Q\) sont les parties régulières. Si \(\lambda, \mu\) sont deux scalaires, alors les fonctions \(\lambda f + \mu g\) et \(fg\) admettent \(DL_n(0)\) qui s’écrivent

\[\lambda f(x) + \mu g(x) = \lambda P(x) + \mu Q(x) + o(x^n), \qquad f(x)g(x) = R(x) + o(x^n),\]

où \(R\) est le polynôme obtenu en ne gardant, dans le produit \(PQ\), que les termes de degré inférieur ou égal à \(n\).

性质中 \(R(x)\) 表示由多项式 \(P(x), Q(x)\) 相乘后,所有次数不高于 \(n\) 的项所组成。

Preuve. Par hypothèse, il existe des fonctions \(\varepsilon_1\) et \(\varepsilon_2\) définies sur \(D\) telles que \(\forall x \in D,\ f(x) = P(x) + x^n\varepsilon_1(x)\), \(\lim_{x\to0}\varepsilon_1 = 0\), et de même pour \(g\). En posant \(\varepsilon = \lambda\varepsilon_1 + \mu\varepsilon_2\), on a \(\lambda f + \mu g = \lambda P + \mu Q + x^n\varepsilon\) avec \(\lim\varepsilon = 0\), ce qui montre que \(\lambda f + \mu g\) admet \(\lambda P + \mu Q\) comme \(DL_n(0)\). En effectuant le produit :

\[f(x)g(x) = P(x)Q(x) + x^n\big(P(x)\varepsilon_2(x) + Q(x)\varepsilon_1(x)\big) + x^{2n}\varepsilon_1(x)\varepsilon_2(x).\]

Par définition de \(R\), il existe un polynôme \(T\) tel que \(P(x)Q(x) = R(x) + x^{n+1}T(x)\). Ce qui donne \(f(x)g(x) = R(x) + x^n \varepsilon(x)\) avec

\[\varepsilon(x) = x T(x) + P(x)\varepsilon_2(x) + Q(x)\varepsilon_1(x) + x^n\varepsilon_1(x)\varepsilon_2(x) \to 0,\]

on en déduit que la fonction \(fg\) admet \(R\) comme développement limité à l’ordre \(n\) en \(0\). ∎

命题(泰勒展开的线性组合与乘积)译文 设 \(D\subset\mathbb{R}\),\(f\)、\(g\) 为 \(D\) 到 \(\mathbb{R}\) 的两个映射,都有 \(DL_n(0)\),且可写成 \(f(x)=P(x)+o(x^n)\)、\(g(x)=Q(x)+o(x^n)\),其中 \(P,Q\) 为正则部分。若 \(\lambda,\mu\) 为两个标量,则 \(\lambda f+\mu g\) 与 \(fg\) 都有 \(DL_n(0)\),且 \(\lambda f(x)+\mu g(x)=\lambda P(x)+\mu Q(x)+o(x^n)\),\(f(x)g(x)=R(x)+o(x^n)\),其中 \(R\) 是在乘积 \(PQ\) 中只保留次数不大于 \(n\) 的项所得的多项式。(性质中 \(R(x)\) 表示由 \(P(x),Q(x)\) 相乘后所有次数不高于 \(n\) 的项所组成。)证明:由假设存在定义在 \(D\) 上的 \(\varepsilon_1,\varepsilon_2\) 使 \(f(x)=P(x)+x^n\varepsilon_1(x)\)、\(\lim_{x\to0}\varepsilon_1=0\)(\(g\) 同理)。令 \(\varepsilon=\lambda\varepsilon_1+\mu\varepsilon_2\),则 \(\lambda f+\mu g=\lambda P+\mu Q+x^n\varepsilon\) 且 \(\lim\varepsilon=0\),故 \(\lambda f+\mu g\) 以 \(\lambda P+\mu Q\) 为 \(DL_n(0)\)。做乘积:\(f(x)g(x)=P(x)Q(x)+x^n\big(P(x)\varepsilon_2(x)+Q(x)\varepsilon_1(x)\big)+x^{2n}\varepsilon_1(x)\varepsilon_2(x)\)。由 \(R\) 的定义,存在多项式 \(T\) 使 \(P(x)Q(x)=R(x)+x^{n+1}T(x)\)。于是 \(f(x)g(x)=R(x)+x^n\varepsilon(x)\),其中 \(\varepsilon(x)=xT(x)+P(x)\varepsilon_2(x)+Q(x)\varepsilon_1(x)+x^n\varepsilon_1(x)\varepsilon_2(x)\to0\)。故 \(fg\) 以 \(R\) 为在 \(0\) 的 \(n\) 阶泰勒展开。∎
ExemplesProduits concrets

1. Calculons le \(DL_3(0)\) de \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\setminus\{1\}\) par \(f(x) = \dfrac{e^x}{1-x}\). Les fonctions \(x \mapsto \dfrac{1}{1-x}\) et \(x \mapsto e^x\) admettent pour \(DL_3(0)\)

\[\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + x^3 + o(x^3), \qquad e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3),\]

ce qui donne, en multipliant et en ne gardant que les degrés \(\leqslant 3\), le \(DL\) de \(f\) à l’ordre \(3\) :

\[f(x) = 1 + 2x + \frac{5}{2}x^2 + \frac{13}{6}x^3 + o(x^3).\]

2. Calculons le \(DL_3(0)\) de \(g\) définie sur \(]-1;+\infty[\) par \(g(x) = \dfrac{e^x}{\sqrt{1+x}}\). On a

\[e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{6} + o(x^3), \qquad (1+x)^{-1/2} = 1 - \frac{x}{2} + \frac{3x^2}{8} - \frac{5x^3}{16} + o(x^3),\]

ce qui donne le \(DL_3(0)\) de \(g\) :

\[g(x) = 1 + \frac{x}{2} + \frac{3x^2}{8} - \frac{x^3}{48} + o(x^3).\]

3. En utilisant le \(DL_4(0)\) de \(\sin\) et le \(DL_4(0)\) de \(\cosh\), donner le \(DL_6(0)\) de la fonction \(h\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(h(x) = (1 - \cosh x)\sin x\).

Réponse. On a les développements limités suivants :

\[\sin x = x - \frac{x^3}{6} + o(x^4), \qquad 1 - \cosh x = -\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24} + o(x^5),\]

ce qui donne

\[h(x) = \left(-\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24} + o(x^5)\right)\left(x - \frac{x^3}{6} + o(x^4)\right) = -\frac{x^3}{2} + \left(\frac{1}{12} - \frac{1}{24}\right)x^5 + o(x^6),\]

i.e.

\[h(x) = -\frac{x^3}{2} + \frac{x^5}{24} + o(x^6).\]

由于 \(1-\cosh x\) 首项次数为 \(2\),故 \(\sin x\) 只需展开到第 \(6-2=4\) 项;同时由于其第 \(4\) 项为 \(0\),实际展到第三项即可。同理,根据 \(\sin x\) 的展开式,\(1-\cosh x\) 只需展到第五项即可。

例(译文) 1. 计算 \(\mathbb{R}\setminus\{1\}\) 上函数 \(f(x)=\dfrac{e^x}{1-x}\) 的 \(DL_3(0)\)。\(x\mapsto\dfrac1{1-x}\) 与 \(x\mapsto e^x\) 的 \(DL_3(0)\) 分别为 \(\dfrac1{1-x}=1+x+x^2+x^3+o(x^3)\)、\(e^x=1+x+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\);相乘并只保留次数 \(\leqslant3\) 的项,得 \(f(x)=1+2x+\dfrac52x^2+\dfrac{13}{6}x^3+o(x^3)\)。2. 计算 \(]-1;+\infty[\) 上函数 \(g(x)=\dfrac{e^x}{\sqrt{1+x}}\) 的 \(DL_3(0)\):由 \(e^x=1+x+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\) 与 \((1+x)^{-1/2}=1-\dfrac x2+\dfrac{3x^2}{8}-\dfrac{5x^3}{16}+o(x^3)\) 相乘得 \(g(x)=1+\dfrac x2+\dfrac{3x^2}{8}-\dfrac{x^3}{48}+o(x^3)\)。3. 利用 \(\sin\) 的 \(DL_4(0)\) 与 \(\cosh\) 的 \(DL_4(0)\),给出 \(\mathbb{R}\) 上函数 \(h(x)=(1-\cosh x)\sin x\) 的 \(DL_6(0)\)。解:\(\sin x=x-\dfrac{x^3}{6}+o(x^4)\),\(1-\cosh x=-\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^4}{24}+o(x^5)\);相乘得 \(h(x)=-\dfrac{x^3}{2}+\Big(\dfrac{1}{12}-\dfrac{1}{24}\Big)x^5+o(x^6)=-\dfrac{x^3}{2}+\dfrac{x^5}{24}+o(x^6)\)。(凑阶数的省力原则见下面的注。)
RemarqueOrdres minimaux pour un produit(乘积中各展到几阶)

Dans l’exercice précédent on a obtenu le \(DL_6\) du produit \(fg\) en utilisant des \(DL\) de chacune de ces fonctions à un ordre strictement inférieur à \(6\). De façon générale, si \(f\) et \(g\) sont deux fonctions vérifiant

\[f(x) \sim a_p x^p, \qquad g(x) \sim b_q x^q \qquad (a_p \neq 0,\ b_q \neq 0),\]

(即函数 \(f, g\) 的展开式中第一个不为 \(0\) 的系数分别是第 \(p\) 项和第 \(q\) 项)et ayant pour \(DL\) d’ordre respectif \(n-q\) et \(n-p\)(\(f, g\) 分别展到 \(n-q\) 和 \(n-p\) 阶即可):

\[f(x) = P(x) + o(x^{n-q}), \qquad g(x) = Q(x) + o(x^{n-p}),\]

on obtient

\[f(x)g(x) = P(x)Q(x) + P(x)\,o(x^{n-p}) + Q(x)\,o(x^{n-q}) + o(x^{n-p})\,o(x^{n-q}) = R(x) + o(x^n),\]

où \(R(x)\) est la somme des termes de degré inférieur ou égal à \(n\) du polynôme \(P(x)Q(x)\) : on obtient donc bien un \(DL_n\) du produit \(fg\).

对于两个函数乘积的 \(n\) 阶展开:先确定两函数「首项非零」的次数 \(p, q\),然后每个函数展开到 \(n\) 减去另一个函数的首项次数即可。

注(乘积所需的最低展开阶数,译文) 前一练习中,我们用低于 6 的阶数展开 \(f\)、\(g\) 各函数就得到了乘积的 \(DL_6\)。一般地,若 \(f(x)\sim a_px^p\)、\(g(x)\sim b_qx^q\)(\(a_p\ne0,b_q\ne0\);即两函数展开式中第一个不为 \(0\) 的系数分别是第 \(p\) 项与第 \(q\) 项),且分别有 \(n-q\) 阶与 \(n-p\) 阶展开(即 \(f\)、\(g\) 分别展到 \(n-q\) 和 \(n-p\) 阶即可):\(f(x)=P(x)+o(x^{n-q})\),\(g(x)=Q(x)+o(x^{n-p})\),则 \(f(x)g(x)=P(x)Q(x)+P(x)o(x^{n-p})+Q(x)o(x^{n-q})+o(x^{n-p})o(x^{n-q})=R(x)+o(x^n)\),其中 \(R(x)\) 是多项式 \(P(x)Q(x)\) 中次数不大于 \(n\) 的项之和:确实得到乘积 \(fg\) 的 \(DL_n\)。省力法则:对两个函数乘积的 \(n\) 阶展开,先确定两函数「首项非零」的次数 \(p,q\),然后每个函数展开到 \(n\) 减去另一个函数的首项次数即可。
CorollaireOpérations au voisinage d’un point quelconque

Soit \(D\) une partie de \(\mathbb{R}\) ainsi que \(f\) et \(g\) deux applications de \(D\) dans \(\mathbb{R}\) définies au voisinage de \(a \in \mathbb{R} \cup \{\pm\infty\}\). Si \(f\) et \(g\) admettent des développements limités à l’ordre \(n\) en \(a\), alors pour tout \((\lambda,\mu) \in \mathbb{R}^2\), \(\lambda f + \mu g\) et \(fg\) admettent des développements limités à l’ordre \(n\) en \(a\).

此推论推广了前面性质中的结论:对于在任意点展开的函数都具有线性可加性与相乘性,包含了 \(0\) 点的情形。

Preuve. Il suffit d’appliquer les résultats de la proposition précédente, avec : si \(a \in \mathbb{R}\), les fonctions \(h \mapsto f(a+h)\) et \(h \mapsto g(a+h)\) ; si \(a = \pm\infty\), les fonctions \(u \mapsto f(1/u)\) et \(u \mapsto g(1/u)\).

推论(任意点处的线性组合与乘积)译文 设 \(D\subset\mathbb{R}\),\(f\)、\(g\) 为 \(D\) 到 \(\mathbb{R}\) 的两个映射,定义在 \(a\in\mathbb{R}\cup\{\pm\infty\}\) 的邻域内。若 \(f\) 与 \(g\) 在 \(a\) 有 \(n\) 阶泰勒展开,则对一切 \((\lambda,\mu)\in\mathbb{R}^2\),\(\lambda f+\mu g\) 与 \(fg\) 在 \(a\) 也有 \(n\) 阶泰勒展开。证明:只需把前一命题的结论应用于——若 \(a\in\mathbb{R}\):函数 \(h\mapsto f(a+h)\) 与 \(h\mapsto g(a+h)\);若 \(a=\pm\infty\):函数 \(u\mapsto f(1/u)\) 与 \(u\mapsto g(1/u)\)。∎(此推论把前面的结论推广到任意展开点,包含 \(0\) 点情形。)
ExempleDL à tout ordre en \(0\)

Montrer que les fonctions définies par

\[f(x) = \frac{e^x - 1}{x} + \frac{\cos x - 1}{x^2} \qquad \text{et} \qquad g(x) = \frac{(e^x - 1)(\cos x - 1)}{x^3} \qquad (x \neq 0)\]

possèdent un développement limité à tout ordre \(n\) en \(0\).

由于分母是 \(x, x^2, x^3\),证明中仅需知道 \(e^x - 1\)、\(\cos x - 1\) 在 \(0\) 点可展开(任意阶),然后应用展开的线性、相乘性质即可。

Preuve. D’après les formules classiques, il est évident que les fonctions \(x \mapsto \dfrac{e^x-1}{x}\) et \(x \mapsto \dfrac{\cos x - 1}{x^2}\) possèdent des développements limités à tout ordre \(n\) en \(0\) : en effet \(e^x - 1 = x\,\varphi(x)\) et \(\cos x - 1 = x^2\,\psi(x)\) où \(\varphi, \psi\) possèdent des DL à tout ordre (produits/quotients des DL de \(e^x\), \(\cos x\) et de \(\frac{1}{1+\cdots}\))… Par suite, par stabilité pour \(+\) et \(\times\), les fonctions \(f\) et \(g\) Possèdent un DL à tout ordre \(n\) en \(0\). ∎

例(译文) 证明由 \(f(x)=\dfrac{e^x-1}{x}+\dfrac{\cos x-1}{x^2}\) 与 \(g(x)=\dfrac{(e^x-1)(\cos x-1)}{x^3}\)(\(x\ne0\))定义的函数在 \(0\) 有任意阶 \(n\) 的泰勒展开。证明:由经典公式,函数 \(x\mapsto\dfrac{e^x-1}{x}\) 与 \(x\mapsto\dfrac{\cos x-1}{x^2}\) 在 \(0\) 有任意阶泰勒展开(因为 \(e^x-1=x\,\varphi(x)\)、\(\cos x-1=x^2\psi(x)\),而 \(\varphi,\psi\) 由 \(e^x\)、\(\cos x\) 的展开构造,任意阶可展)。于是由加法与乘法的封闭性,\(f\) 与 \(g\) 在 \(0\) 有任意阶 \(n\) 的泰勒展开。∎(由于分母是 \(x,x^2,x^3\),证明只需知道 \(e^x-1\)、\(\cos x-1\) 在 \(0\) 可展开,再应用展开的线性与相乘性质即可——「不硬算」的典型论证。)
PropositionQuotient : \(1 \big/ (1-u)\)

Soit \(u\) une fonction définie au voisinage de \(0\) et telle que \(\lim_{x\to 0} u(x) = 0\). Si la fonction \(u\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) au voisinage de \(0\), alors la fonction \(x \mapsto \dfrac{1}{1-u(x)}\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) au voisinage de \(0\).

Preuve. Comme \(\lim_{x\to0} u = 0\), on a \(\lim_{x\to0}(1-u) = 1\) et la fonction \(1-u\) ne s’annule donc pas au voisinage de \(0\) ; par suite \(\dfrac{1}{1-u}\) est définie au voisinage de \(0\). Si \(n = 0\), le théorème de composition des limites permet d’écrire \(\lim_{x\to0}\frac{1}{1-u} = 1\), donc \(\frac{1}{1-u}\) admet un \(DL_0\). Supposons \(n \geqslant 1\). La fonction \(h \mapsto \dfrac{1}{1-h}\) admet un \(DL_n(0)\) :

\[\forall h \neq 1, \qquad \frac{1}{1-h} = \sum_{k=0}^{n} h^k + h^n\varepsilon_1(h), \qquad \lim_{h\to0}\varepsilon_1(h) = 0 \qquad (a).\]

En remplaçant \(h\) par \(u(x)\) dans la relation (a), on obtient au voisinage de \(0\)

\[\frac{1}{1-u(x)} = \sum_{k=0}^{n} u(x)^k + u(x)^n\varepsilon_1(u(x)) \qquad (b).\]

La fonction \(u\) admet en \(0\) un \(DL_n\) avec \(u(0) = 0\) (car \(\lim_{x\to0}u = 0\)), donc \(u(x) = a_1 x + \dots + a_n x^n + x^n\varepsilon_2(x)\), d’où \(u(x)^k\) admet un \(DL_n\) (produit), et \(u(x)^n \varepsilon_1(u(x)) = o(x^n)\) car \(u(x)^n = O(x^n)\) et \(\varepsilon_1(u(x)) \to 0\). Or la fonction \(\sum_k u(x)^k\) est une somme de puissances de fonctions admettant un \(DL_n\) : elle admet donc un \(DL_n\), égal à celui de \((b)\). ∎

命题(\(1/(1-u)\) 的展开)译文 设 \(u\) 定义在 \(0\) 邻域内且 \(\lim_{x\to0}u(x)=0\)。若 \(u\) 在 \(0\) 邻域内有 \(n\) 阶泰勒展开,则函数 \(x\mapsto\dfrac{1}{1-u(x)}\) 在 \(0\) 邻域内也有 \(n\) 阶泰勒展开。证明:因 \(\lim_0u=0\),有 \(\lim_0(1-u)=1\),故 \(1-u\) 在 \(0\) 邻域内不取零,\(\dfrac1{1-u}\) 在该邻域内有定义。若 \(n=0\),极限复合定理给出 \(\lim_0\dfrac1{1-u}=1\),即有 \(DL_0\)。设 \(n\geqslant1\)。函数 \(h\mapsto\dfrac1{1-h}\) 有 \(DL_n(0)\):\(\dfrac1{1-h}=\sum_{k=0}^nh^k+h^n\varepsilon_1(h)\),\(\lim_{h\to0}\varepsilon_1=0\) (a)。在 (a) 中把 \(h\) 换成 \(u(x)\),得 \(\dfrac{1}{1-u(x)}=\sum_{k=0}^nu(x)^k+u(x)^n\varepsilon_1(u(x))\) (b)。\(u\) 在 \(0\) 有 \(DL_n\) 且 \(u(0)=0\),故 \(u(x)^k\) 作为有展开函数的幂也有 \(DL_n\)(乘积封闭性);且 \(u(x)^n\varepsilon_1(u(x))=o(x^n)\)(因 \(u^n=O(x^n)\)、\(\varepsilon_1(u(x))\to0\))。而 \(\sum_k u(x)^k\) 是若干有 \(DL_n\) 函数之和,故其自身有 \(DL_n\),等于 (b) 的展开。∎ 核心技巧:把 \(\dfrac1{1-u}\) 视为 \(h\mapsto\dfrac1{1-h}\)(已知展开)与 \(u(x)\)(有展开且趋于 \(0\))的复合。
ExemplesQuotients concrets

1. Calculons un \(DL_2(0)\) de \(f(x) = \dfrac{1}{1 + x + x^2}\). On a \(\dfrac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + o(u^2)\) ; ce qui, d’après la démonstration de la proposition précédente, donne, avec \(u(x) = x + x^2\) :

\[f(x) = \frac{1}{1 - (-(x+x^2))} = 1 - (x + x^2) + (x+x^2)^2 + o(x^2) = 1 - x + o(x^2),\]

soit \(f(x) = 1 - x + o(x^2)\).

2. Calculons un \(DL_4(0)\) de la fonction \(g\) définie sur \(\left]-\frac{\pi}{4};\frac{\pi}{4}\right[\) par \(g(x) = \dfrac{1}{\cos x}\). On a

\[g(x) = \frac{1}{1 - (1-\cos x)}, \qquad u(x) = 1 - \cos x = \frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24} + o(x^4),\]

et \(\dfrac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + u^3\varepsilon(u)\). Lorsqu’on remplace \(u\) par \(1 - \cos x\) dans la relation (∗), on obtient

\[g(x) = 1 + \left(\frac{x^2}{2} - \frac{x^4}{24}\right) + \left(\frac{x^2}{2}\right)^2 + o(x^4) + (1-\cos x)^3\varepsilon(1-\cos x).\]

Au voisinage de \(0\), on a \((1-\cos x)^3 = O(x^6)\) et donc \((1-\cos x)^3\varepsilon(1-\cos x) = o(x^4)\), ce qui entraîne

\[g(x) = 1 + \frac{x^2}{2} + \frac{5x^4}{24} + o(x^4).\]

Remarquons qu’ici, il a suffi de prendre un \(DL_2\) de \(u \mapsto \dfrac{1}{1-u}\) car \(u(x) = o(x^2)\) et donc \(o(u(x)^3) = o(x^4)\)… plus précisément : comme \(u = O(x^2)\), \(u^3 = O(x^6) = o(x^4)\).

例(译文) 1. 计算 \(f(x)=\dfrac{1}{1+x+x^2}\) 的 \(DL_2(0)\)。由 \(\dfrac1{1-u}=1+u+u^2+o(u^2)\),按前一命题的证明,取 \(u(x)=x+x^2\):\(f(x)=\dfrac{1}{1-(-(x+x^2))}=1-(x+x^2)+(x+x^2)^2+o(x^2)=1-x+o(x^2)\)。2. 计算 \(\left]-\dfrac\pi4;\dfrac\pi4\right[\) 上函数 \(g(x)=\dfrac{1}{\cos x}\) 的 \(DL_4(0)\)。有 \(g(x)=\dfrac{1}{1-(1-\cos x)}\),\(u(x)=1-\cos x=\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^4}{24}+o(x^4)\),且 \(\dfrac1{1-u}=1+u+u^2+u^3\varepsilon(u)\)。把 \(u\) 换成 \(1-\cos x\):\(g(x)=1+\Big(\dfrac{x^2}{2}-\dfrac{x^4}{24}\Big)+\Big(\dfrac{x^2}{2}\Big)^2+o(x^4)+(1-\cos x)^3\varepsilon(1-\cos x)\)。在 \(0\) 邻域内 \((1-\cos x)^3=O(x^6)\),故 \((1-\cos x)^3\varepsilon(1-\cos x)=o(x^4)\)。于是 \(g(x)=1+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{5x^4}{24}+o(x^4)\)。注意这里只需取 \(u\mapsto\dfrac1{1-u}\) 的二阶展开,因为 \(u(x)=O(x^2)\),从而 \(u^3=O(x^6)=o(x^4)\)。
PropositionQuotient de deux développements limités

Soit \(D\) une partie de \(\mathbb{R}\) ainsi que \(f\) et \(g\) deux applications de \(D\) dans \(\mathbb{R}\) définies au voisinage de \(a \in \mathbb{R}\). Si \(f\) et \(g\) admettent des développements limités d’ordre \(n\) en \(a\) et si \(g\) a une limite finie non nulle en \(a\), alors la fonction \(f/g\) admet un développement limité d’ordre \(n\) en \(a\).

Preuve. Quitte à remplacer \(x\) par \(a+h\) si \(a \in \mathbb{R}\) (ou par \(\frac1u\) si \(a = \pm\infty\)), on peut supposer \(a = 0\). Si \(n = 0\), il s’agit du théorème de composition des limites ; supposons \(n \geqslant 1\). La fonction \(g\) admettant une limite non nulle en \(0\), elle ne s’annule pas au voisinage de \(0\) et \(f/g\) est définie au voisinage de \(0\) ; en posant \(\lim_0 g = l\), on peut écrire au voisinage de \(0\) :

\[\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{f(x)}{l}\cdot\frac{1}{1 - u(x)}, \qquad u : x \mapsto 1 - \frac{g(x)}{l},\]

et la fonction \(u\) admet au voisinage de \(0\) un \(DL_n\) dont le terme constant est nul (car \(\lim_0 u = 0\)). Donc, d’après la proposition précédente, la fonction \(\dfrac{1}{1-u}\) admet un \(DL_n(0)\). Par suite, \(\dfrac{f}{g} = \dfrac{f}{l}\cdot\dfrac{1}{1-u}\) admet au voisinage de \(0\) un \(DL_n\) comme produit de fonctions admettant un \(DL_n(0)\). ∎

命题(两个泰勒展开的商)译文 设 \(D\subset\mathbb{R}\),\(f\)、\(g\) 为 \(D\) 到 \(\mathbb{R}\) 的两个映射,定义在 \(a\in\mathbb{R}\) 的邻域内。若 \(f\) 与 \(g\) 在 \(a\) 有 \(n\) 阶泰勒展开,且 \(g\) 在 \(a\) 有非零有限极限,则 \(f/g\) 在 \(a\) 有 \(n\) 阶泰勒展开。证明:必要时以 \(a+h\) 代替 \(x\)(若 \(a\in\mathbb{R}\))或以 \(\dfrac1u\) 代替(若 \(a=\pm\infty\)),可设 \(a=0\)。\(n=0\) 时即极限复合定理;设 \(n\geqslant1\)。\(g\) 在 \(0\) 有非零极限,故在 \(0\) 邻域内不取零,\(f/g\) 在该邻域内有定义;记 \(\lim_0g=l\),可在 \(0\) 邻域内写 \(\dfrac{f(x)}{g(x)}=\dfrac{f(x)}{l}\cdot\dfrac{1}{1-u(x)}\),其中 \(u:x\mapsto1-\dfrac{g(x)}{l}\)。函数 \(u\) 在 \(0\) 邻域内有常数项为零的 \(DL_n\)(因 \(\lim_0u=0\))。由前一命题,\(\dfrac1{1-u}\) 有 \(DL_n(0)\)。于是 \(\dfrac fg=\dfrac fl\cdot\dfrac1{1-u}\) 作为两个有 \(DL_n(0)\) 函数的乘积,在 \(0\) 邻域内有 \(DL_n\)。∎
Exemple\(DL_3(0)\) de \(f(x) = \dfrac{x}{1+e^x}\)

Conformément à la méthode utilisée dans la démonstration précédente, on écrit \(f(x) = \dfrac{x}{2}\cdot\dfrac{1}{1-u(x)}\) avec \(u(x) = -\dfrac{e^x - 1}{2}\). On a les DL :

\[u(x) = -\left(\frac{x}{2} + \frac{x^2}{4} + \frac{x^3}{12}\right) + o(x^3), \qquad \frac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + u^3\varepsilon(u),\]

ce qui entraîne, en développant jusqu’à l’ordre \(3\) :

\[f(x) = \frac{x}{2}\left(1 - \frac{x}{2} - \frac{x^2}{4} - \frac{x^3}{12} + \frac{x^2}{4} + \frac{x^3}{4} + \dots + o(x^3)\right) = \frac{x}{2} - \frac{x^2}{4} + o(x^3),\]

soit \(\displaystyle\frac{x}{1+e^x} = \frac{x}{2} - \frac{x^2}{4} + o(x^3)\).

例(译文) 计算 \(\mathbb{R}\) 上函数 \(f(x)=\dfrac{x}{1+e^x}\) 的 \(DL_3(0)\)。按照前一命题证明中的方法,写 \(f(x)=\dfrac x2\cdot\dfrac{1}{1-u(x)}\),其中 \(u(x)=-\dfrac{e^x-1}{2}\)。已有的展开:\(u(x)=-\Big(\dfrac x2+\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{x^3}{12}\Big)+o(x^3)\),\(\dfrac1{1-u}=1+u+u^2+u^3\varepsilon(u)\)。展开到三阶(\(x\cdot u^3\) 已达四阶,只需 \(1+u+u^2\)):\(f(x)=\dfrac x2\Big(1-\dfrac x2-\dfrac{x^2}{4}-\dfrac{x^3}{12}+\dfrac{x^2}{4}+\dfrac{x^3}{4}+\dots+o(x^3)\Big)=-\dfrac x2\cdot\dfrac x2+\dots\),整理得 \(f(x)=\dfrac x2-\dfrac{x^2}{4}+o(x^3)\)(三次项系数为 \(0\)),即 \(\dfrac{x}{1+e^x}=\dfrac x2-\dfrac{x^2}{4}+o(x^3)\)。
Exemples\(DL\) de \(\dfrac{1}{\cos x}\) à l’ordre 6 et de \(\tan\) à l’ordre 7

Déterminer le \(DL_6(0)\) de \(\dfrac{1}{\cos x}\) et en déduire le \(DL_7(0)\) de \(\tan\). On commence par déterminer le \(DL_6(0)\) de \(\dfrac{1}{\cos x}\), en posant \(u = 1 - \cos x = \dfrac{x^2}{2!} - \dfrac{x^4}{4!} + \dfrac{x^6}{6!} + o(x^6)\) :

\[\frac{1}{\cos x} = \frac{1}{1-u} = 1 + u + u^2 + u^3 + o(u^3) = 1 + \frac{x^2}{2} + \frac{5x^4}{24} + \frac{61 x^6}{720} + o(x^6).\]

Puis on multiplie par \(\sin x\), dont on prend un \(DL_7\) :

\[\tan x = \sin x \cdot \frac{1}{\cos x} = \left(x - \frac{x^3}{6} + \frac{x^5}{120} - \frac{x^7}{5040} + o(x^7)\right)\left(1 + \frac{x^2}{2} + \frac{5x^4}{24} + \frac{61x^6}{720} + o(x^6)\right),\]

ce qui donne

\[\tan x = x + \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} + \frac{17 x^7}{315} + o(x^7).\]

1. Déterminer de manière analogue le \(DL_7(0)\) de la fonction \(\tanh\) :

\[\tanh x = x - \frac{x^3}{3} + \frac{2x^5}{15} - \frac{17x^7}{315} + o(x^7).\]

2. Montrer, sans calcul, que la fonction \(g\) définie par \(g(x) = \dfrac{x}{e^x - 1}\) possède un DL à tout ordre \(n\) en \(0\). Il est évident que la fonction \(f : x \mapsto \dfrac{e^x - 1}{x}\) possède un DL à tout ordre \(n\) en \(0\) et que \(\lim_{x\to0} f = 1\). Par suite la fonction \(g = \dfrac{1}{f}\) possède un DL à tout ordre \(n\) en \(0\).

例(译文) 确定 \(\dfrac1{\cos x}\) 的 \(DL_6(0)\),并由此推出 \(\tan\) 的 \(DL_7(0)\)。先求 \(\dfrac1{\cos x}\) 的 \(DL_6(0)\):令 \(u=1-\cos x=\dfrac{x^2}{2!}-\dfrac{x^4}{4!}+\dfrac{x^6}{6!}+o(x^6)\),则 \(\dfrac1{\cos x}=\dfrac1{1-u}=1+u+u^2+u^3+o(u^3)=1+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{5x^4}{24}+\dfrac{61x^6}{720}+o(x^6)\)。再乘以取到七阶的 \(\sin x\):\(\tan x=\sin x\cdot\dfrac1{\cos x}=\Big(x-\dfrac{x^3}{6}+\dfrac{x^5}{120}-\dfrac{x^7}{5040}+o(x^7)\Big)\Big(1+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{5x^4}{24}+\dfrac{61x^6}{720}+o(x^6)\Big)\),得 \(\tan x=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}+\dfrac{17x^7}{315}+o(x^7)\)。1. 用同样方法确定 \(\tanh\) 的 \(DL_7(0)\):\(\tanh x=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}-\dfrac{17x^7}{315}+o(x^7)\)。2. 不通过计算证明 \(g(x)=\dfrac{x}{e^x-1}\) 在 \(0\) 有任意阶 \(n\) 的泰勒展开:显然 \(f:x\mapsto\dfrac{e^x-1}{x}\) 在 \(0\) 有任意阶展开且 \(\lim_{x\to0}f=1\);故 \(g=\dfrac1f\) 在 \(0\) 有任意阶展开(商命题)。
CompositionComposition de développements limités(复合的条件与阶数)

Nous étudions ici \(h = g \circ f\) dans les conditions suivantes : \(g\) est une fonction définie sur \(D'\) à valeurs dans \(\mathbb{R}\) ; \(f\) est une fonction définie sur \(D\) telle que \(f(D) \subset D'\) ; \(f\) est définie au voisinage de \(x_0 \in \mathbb{R}\) et \(\displaystyle\lim_{x\to x_0} f(x) = y_0 \in \mathbb{R}\) ; \(g\) est définie au voisinage de \(y_0\) ; \(f\) admet un développement limité à l’ordre \(n\) en \(x_0\) :

\[f(x) = y_0 + a_{n'}(x-x_0)^{n'} + \dots + a_n (x-x_0)^n + o\big((x-x_0)^n\big) \quad \text{où } a_{n'} \neq 0,\]

et \(g\) admet un développement limité à l’ordre \(m\) en \(y_0\) :

\[g(y) = b_0 + b_{m'}(y-y_0)^{m'} + \dots + b_m (y-y_0)^m + o\big((y-y_0)^m\big) \quad \text{où } b_{m'} \neq 0 .\]

Si l’on écrit \(g(y) = b_0 + b_{m'}(y-y_0)^{m'} + \dots + b_m(y-y_0)^m + (y-y_0)^m\varepsilon(y)\) où \(\varepsilon(y) \to 0\) quand \(y \to y_0\), on obtient

\[g\circ f (x) = b_0 + b_{m'}(f(x)-y_0)^{m'} + \dots + b_m (f(x)-y_0)^m + (f(x)-y_0)^m\varepsilon(f(x)).\]

En calculant le développement limité de chaque terme \((f(x)-y_0)^k\), on peut ainsi obtenir le développement limité de \(g \circ f\).

La question délicate consiste à prédire l’ordre maximal \(p\) du développement limité que l’on peut obtenir de cette manière. D’une part, pour tout \(k = m', \dots, m\), on sait calculer un DL de chaque terme \((f(x)-y_0)^k\) à l’ordre \(n'k + n - n'\) :

\[(f(x)-y_0)^k = (x-x_0)^{n'k}\Big(a_{n'} + a_{n'+1}(x-x_0) + \dots + a_n(x-x_0)^{n-n'} + o\big((x-x_0)^{n-n'}\big)\Big)^k,\]

donc l’ordre de ce terme est contrôlé par \(n'k + n - n'\), le plus défavorable étant \(k = m'\). D’autre part, l’ordre final est contrôlé par le terme d’erreur : \((f(x)-y_0)^m \sim \big(a_{n'}(x-x_0)^{n'}\big)^m\), d’où \(o((f(x)-y_0)^m) = o((x-x_0)^{mn'})\). Au total :

\[\boxed{\;p \leqslant \min\big(n + (m-1)\,n',\ \ m\, n'\big)\;.\;}\]

DL 所能得到的最高阶数取决于 \(o(x)\) 的最低次数:\((f(x)-y_0)^k\) 的余项次数为 \(n-n'\)(提出 \(x^{n'k}\) 后),故该项阶数为 \(n'k + n - n'\),其中 \(k\) 最小为 \(m'\);而整体误差 \(o((f-y_0)^m)\) 的最低次数为 \(m n'\)(\(f-y_0\) 的首项次数 \(n'\) 乘以 \(m\))。故复合展开的最高次数不高于 \(\min\big(n+(m-1)n',\ m n'\big)\)。

泰勒展开的复合(译文) 此处研究 \(h=g\circ f\),条件如下:\(g\) 是定义在 \(D'\) 上、取值于 \(\mathbb{R}\) 的函数;\(f\) 定义在 \(D\) 上且 \(f(D)\subset D'\);\(f\) 定义在 \(x_0\in\mathbb{R}\) 邻域内且 \(\lim_{x\to x_0}f(x)=y_0\in\mathbb{R}\);\(g\) 定义在 \(y_0\) 邻域内;\(f\) 在 \(x_0\) 有 \(n\) 阶泰勒展开 \(f(x)=y_0+a_{n'}(x-x_0)^{n'}+\dots+a_n(x-x_0)^n+o\big((x-x_0)^n\big)\),其中 \(a_{n'}\ne0\);\(g\) 在 \(y_0\) 有 \(m\) 阶泰勒展开 \(g(y)=b_0+b_{m'}(y-y_0)^{m'}+\dots+b_m(y-y_0)^m+o\big((y-y_0)^m\big)\),其中 \(b_{m'}\ne0\)。把 \(g\) 写成带误差函数的形式后,\(g\circ f(x)=b_0+b_{m'}(f(x)-y_0)^{m'}+\dots+b_m(f(x)-y_0)^m+(f(x)-y_0)^m\varepsilon(f(x))\)。逐项计算 \((f(x)-y_0)^k\) 的展开,即可得到 \(g\circ f\) 的展开。困难之处在于预先判断这样能得到的最高阶数 \(p\):一方面,对每个 \(k=m',\dots,m\),\((f(x)-y_0)^k\) 可展到阶 \(n'k+n-n'\)(提出 \((x-x_0)^{n'k}\) 后余项次数为 \(n-n'\));另一方面,整体误差 \(o\big((f(x)-y_0)^m\big)=o\big((x-x_0)^{mn'}\big)\)(\(f-y_0\) 首项次数 \(n'\) 乘以 \(m\))。总之 \(p\leqslant\min\big(n+(m-1)n',\ mn'\big)\)。
Exemple\(DL_3(0)\) de \(f(x) = e^{\sin x}\)

Au voisinage de \(0\), on a \(\sin x = x - \frac{x^3}{6} + \dots\), \(e^u = 1 + u + \frac{u^2}{2} + \dots\). Dans cette situation : \(p = 3\), \(n' = 1\) et \(m' = 1\). Il suffit donc de prendre \(n = m = 3\). Partons des DL suivants :

\[\sin x = x - \frac{x^3}{6} + o(x^3), \qquad e^u = 1 + u + \frac{u^2}{2} + \frac{u^3}{6} + o(u^3).\]

En remplaçant \(u\) par \(\sin x\), on obtient

\[e^{\sin x} = 1 + \left(x - \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right) + \frac12\left(x - \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right)^2 + \frac16\left(x + o(x)\right)^3 + (\sin x)^3\varepsilon(\sin x),\]

or, au voisinage de \(0\), \((\sin x)^3\varepsilon(\sin x) = o(x^3)\) car \(\sin x = O(x)\) ; en ne tenant pas compte des termes négligeables devant \(x^3\),

\[e^{\sin x} = 1 + x + \frac{x^2}{2} + o(x^3).\]

例(\(e^{\sin x}\) 的三阶展开,译文) 计算 \(\mathbb{R}\) 上函数 \(f(x)=e^{\sin x}\) 在 \(0\) 邻域内的三阶泰勒展开。在 \(0\) 附近有 \(\sin x=x-\dfrac{x^3}{6}+\dots\)、\(e^u=1+u+\dfrac{u^2}{2}+\dots\)。此处 \(p=3\)、\(n'=1\)、\(m'=1\),故只需取 \(n=m=3\):\(\sin x=x-\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\),\(e^u=1+u+\dfrac{u^2}{2}+\dfrac{u^3}{6}+o(u^3)\)。把 \(u\) 换成 \(\sin x\):\(e^{\sin x}=1+\Big(x-\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\Big)+\dfrac12\Big(x-\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\Big)^2+\dfrac16\Big(x+o(x)\Big)^3+(\sin x)^3\varepsilon(\sin x)\)。在 \(0\) 邻域内 \((\sin x)^3\varepsilon(\sin x)=o(x^3)\)(因 \(\sin x=O(x)\))。略去 \(x^3\) 的高阶项后,\(e^{\sin x}=1+x+\dfrac{x^2}{2}+o(x^3)\)(三次项 \(\dfrac{x^3}{6}-\dfrac{x^3}{6}=0\) 恰好抵消)。
Exemple\(DL_4(0)\) de \(g(x) = \ln\left(\dfrac{\sin x}{x}\right)\)

La fonction \(g\) est bien définie puisque \(\forall x \in\, ]-\pi;\pi[\setminus\{0\},\ \dfrac{\sin x}{x} > 0\). On a les DL :

\[\frac{\sin x}{x} = 1 - \frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} + o(x^4), \qquad \ln(1+u) = u - \frac{u^2}{2} + u^2\varepsilon(u).\]

En remplaçant \(u\) par \(\dfrac{\sin x}{x} - 1\), on a

\[\ln\frac{\sin x}{x} = \left(-\frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} + o(x^4)\right) - \frac12\left(-\frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} + o(x^4)\right)^2 + \left(\frac{\sin x}{x}-1\right)^2\varepsilon\!\left(\frac{\sin x}{x}-1\right).\]

Au voisinage de \(0\), on a \(\dfrac{\sin x}{x} - 1 = O(x^2)\) et par suite \(\left(\dfrac{\sin x}{x}-1\right)^2\varepsilon(\cdot) = o(x^4)\). On a donc

\[\ln\frac{\sin x}{x} = -\frac{x^2}{6} + \frac{x^4}{120} - \frac{x^4}{72} + o(x^4),\]

en ne tenant pas compte des termes négligeables devant \(x^4\), on obtient

\[\ln\!\left(\frac{\sin x}{x}\right) = -\frac{x^2}{6} - \frac{x^4}{180} + o(x^4).\]

Remarquons qu’il a suffi de prendre un développement de \(\ln(1+u)\) à l’ordre \(2\) car \(u(x) = \dfrac{\sin x}{x} - 1 = O(x^2)\) et donc \(O(u(x)^3) = o(x^4)\).

例(\(\ln\frac{\sin x}{x}\) 的四阶展开,译文) 计算 \(]-\pi;\pi[\setminus\{0\}\) 上函数 \(g(x)=\ln\Big(\dfrac{\sin x}{x}\Big)\) 在 \(0\) 的四阶泰勒展开。\(g\) 定义良好,因为 \(\forall x\in\,]-\pi;\pi[\setminus\{0\}\),\(\dfrac{\sin x}{x}>0\)。已有展开:\(\dfrac{\sin x}{x}=1-\dfrac{x^2}{6}+\dfrac{x^4}{120}+o(x^4)\),\(\ln(1+u)=u-\dfrac{u^2}{2}+u^2\varepsilon(u)\)。把 \(u\) 换成 \(\dfrac{\sin x}{x}-1\):\(\ln\dfrac{\sin x}{x}=\Big(-\dfrac{x^2}{6}+\dfrac{x^4}{120}+o(x^4)\Big)-\dfrac12\Big(-\dfrac{x^2}{6}+\dfrac{x^4}{120}+o(x^4)\Big)^2+\Big(\dfrac{\sin x}{x}-1\Big)^2\varepsilon\Big(\dfrac{\sin x}{x}-1\Big)\)。在 \(0\) 邻域内 \(\dfrac{\sin x}{x}-1=O(x^2)\),故带 \(\varepsilon\) 的项为 \(o(x^4)\)。于是 \(\ln\dfrac{\sin x}{x}=-\dfrac{x^2}{6}+\dfrac{x^4}{120}-\dfrac{x^4}{72}+o(x^4)=-\dfrac{x^2}{6}-\dfrac{x^4}{180}+o(x^4)\)。注意只需取 \(\ln(1+u)\) 到二阶,因为 \(u(x)=O(x^2)\),从而 \(O(u^3)=o(x^4)\)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-7)

Terme中文备注
partie régulière tronquée截断的正则部分 \(R\)乘积只保留 \(\le n\) 次项
首项次数 \(p, q\) / premier terme non nul首个非零项的次数决定凑阶规则
quotient de DL商的展开分母极限非零
composition de DL (\(g\circ f\))复合展开阶数上限 \(\min(n+(m-1)n', mn')\)
ordre maximal atteignable \(p\)可得最高阶
développement « sans calcul »定性论证存在性(不实际算出)\(\frac{x}{e^x-1}\) 例

II-8Développements limités à connaître必须熟记的渐近展开(0 点)

ExponentielleAu voisinage de \(0\), à l’ordre \(n \in \mathbb{N}\)
\[e^x = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots + \frac{x^n}{n!} + o(x^n) = \sum_{k=0}^{n}\frac{x^k}{k!} + o(x^n).\]
指数函数:在 \(0\) 邻域内、任意阶 \(n\in\mathbb{N}\) 的展开如上(各项全正,分母为阶乘)。
Cosinusà l’ordre \(2n\)
\[\cos(x) = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots + (-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{(2k)!}x^{2k} + o(x^{2n+1}).\]
余弦函数:在 \(0\) 邻域内、阶 \(2n\) 的展开——只含偶次幂、符号交错。
Sinusà l’ordre \(2n+1\)
\[\sin(x) = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dots + (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} + o(x^{2n+2}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{(2k+1)!}x^{2k+1} + o(x^{2n+2}).\]
正弦函数:在 \(0\) 邻域内、阶 \(2n+1\) 的展开——只含奇次幂、符号交错。
Cosh / Sinh
\[\cosh(x) = 1 + \frac{x^2}{2!} + \dots + \frac{x^{2n}}{(2n)!} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{x^{2k}}{(2k)!} + o(x^{2n+1}),\] \[\sinh(x) = x + \frac{x^3}{3!} + \dots + \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} + o(x^{2n+2}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{x^{2k+1}}{(2k+1)!} + o(x^{2n+2}).\]
双曲余弦 / 双曲正弦:与 \(\cos/\sin\) 的展开形式相同,但全部正号;\(\cosh\) 只含偶次幂(阶 \(2n\))、\(\sinh\) 只含奇次幂(阶 \(2n+1\))。
Fonction polynômialeà l’ordre \(n\)

Soit \(P\) une fonction polynôme de degré \(p \in \mathbb{N}\) avec \(P(x) = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + a_p x^p\). Alors

\[P(x) = \begin{cases} a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \dots + a_p x^p, & \text{à l’ordre } n \geqslant p,\\ a_0 + a_1 x + \dots + a_n x^n + o(x^n), & n < p.\end{cases}\]

多项式的 DL:阶数不低于次数时就是它本身;否则截断到 \(n\) 次加 \(o(x^n)\)。
Fonction \((1+x)^{\alpha}\)au voisinage de \(0\), à l’ordre \(n\), pour \(\alpha \in \mathbb{R}\)
\[(1+x)^{\alpha} = 1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \dots + \frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}x^n + o(x^n) = 1 + \sum_{k=1}^{n}\frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-k+1)}{k!}x^k + o(x^n).\]

Cas particuliers.

\(\alpha = -1\) :

\[\frac{1}{1+x} = 1 - x + x^2 - \dots + (-1)^n x^n + o(x^n) = \sum_{k=0}^{n}(-1)^k x^k + o(x^n);\]

\(\alpha = \dfrac12\) :

\[\sqrt{1+x} = 1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}x^2 + \dots + (-1)^{k-1}\frac{1\cdot 3 \cdots (2k-3)}{2\cdot 4 \cdots (2k)}x^k + \dots = 1 + \frac{x}{2} + \sum_{k=2}^{n}(-1)^{k-1}\frac{(2k-2)!}{2^{2k-1}\,(k-1)!\,k!}x^k + o(x^n),\]

\(\alpha = -2\) :

\[\frac{1}{(1+x)^2} = 1 - 2x + 3x^2 - \dots + (-1)^n(n+1)x^n + o(x^n) = \sum_{k=0}^{n}(-1)^k (k+1)\,x^k + o(x^n).\]

广义二项式展开及三个特别值:\(\alpha=-1\)(几何级数变号)、\(\alpha=\frac12\)(根式,系数可用双阶乘或 \(\frac{(2k-2)!}{2^{2k-1}(k-1)!k!}\) 表示)、\(\alpha=-2\)(系数 \((k+1)\) 交错)。
Logarithme\(\ln(1+x)\) au voisinage de \(0\), à l’ordre \(n\)
\[\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots + (-1)^{n-1}\frac{x^n}{n} + o(x^n) = \sum_{k=1}^{n}(-1)^{k-1}\frac{x^k}{k} + o(x^n).\]
对数:\(\ln(1+x)\) 在 \(0\) 邻域内、阶 \(n\) 的展开——分母为 \(k\)、符号交错。
Arcsinau voisinage de \(0\), à l’ordre \(2n+1\)
\[\operatorname{Arcsin}(x) = x + \frac{1}{6}x^3 + \dots + \frac{1\cdot 3 \cdots (2n-1)}{2\cdot 4 \cdots (2n)}\cdot\frac{x^{2n+1}}{2n+1} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{(2k)!}{2^{2k}(k!)^2}\cdot\frac{x^{2k+1}}{2k+1} + o(x^{2n+1}).\]
反正弦:在 \(0\) 邻域内、阶 \(2n+1\) 的展开——只含奇次幂、全正号;系数用双阶乘(\(1\cdot3\cdots(2n-1)\) 记作 \((2n-1)!!\))或中心二项式系数表示。
Preuve de la formule d’Arcsin(与 Arctan 同法的推导,dérivées \(n\)-ièmes en \(0\))

\(f \in C^n\) sur \(]-1;1[\) ; d’après la formule de Taylor-Young à l’ordre \(n\), \(f(x) = \operatorname{Arcsin} x = \sum_{k=0}^{n+1}\frac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k + o(x^{n+1})\), et \(f(0) = 0,\ f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}},\ f'(0) = 1\).

Pour obtenir les dérivées \(n\)-ièmes de \(f\), considérons l’égalité \(\sqrt{1-x^2}\,f'(x) = 1\), i.e. \((1-x^2)(f'(x))^2 = 1\), qui donne

\[(1-x^2)f''(x) - x f'(x) = 0.\]

En appliquant la formule de Leibniz, on a

\[(1-x^2)f^{(n+2)}(x) - (2n+1)x f^{(n+1)}(x) - n^2 f^{(n)}(x) = 0,\]

puisque, en évaluant en \(0\) : \(\;f^{(n+2)}(0) = n^2 f^{(n)}(0),\ n \in \mathbb{N}\). On a alors

\[f^{(n)}(0) = \begin{cases} 0, & \text{si } n = 2k,\\ \big((2k-1)!!\big)^2, & \text{si } n = 2k+1,\end{cases}\]

on en déduit que

\[\operatorname{Arcsin} x = \sum_{k=0}^{n}\frac{\big((2k-1)!!\big)^2}{(2k+1)!}x^{2k+1} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{(2k)!}{2^{2k}(k!)^2}\cdot\frac{x^{2k+1}}{2k+1} + o(x^{2n+1}),\]

les deux formes étant équivalentes car \(\dfrac{((2k-1)!!)^2}{(2k+1)!} = \dfrac{(2k)!}{2^{2k}(k!)^2(2k+1)}\).

推导:由 \(\sqrt{1-x^2}f'=1\) 平方求导得 \((1-x^2)f''-xf'=0\);Leibniz 公式取 \(n\) 阶并令 \(x=0\) 得递推 \(f^{(n+2)}(0)=n^2f^{(n)}(0)\),解出偶数阶为 \(0\)、奇数阶 \(\big((2k-1)!!\big)^2\),回代 Taylor-Young。
Arccos / Arcsinh / Arctan / Argth

Fonction Arccos au voisinage de \(0\) : \(\operatorname{Arccos}(x) = \dfrac{\pi}{2} - \operatorname{Arcsin}(x)\).

Fonction Arcsinh au voisinage de \(0\), à l’ordre \(2n+1\) :

\[\operatorname{Arsinh}(x) = x - \frac{1}{6}x^3 + \dots + (-1)^n\frac{1\cdot 3 \cdots (2n-1)}{2\cdot 4 \cdots (2n)}\cdot\frac{x^{2n+1}}{2n+1} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}(-1)^k\frac{(2k)!}{2^{2k}(k!)^2}\cdot\frac{x^{2k+1}}{2k+1} + o(x^{2n+1}).\]

PS : la fonction Arccosh au voisinage de \(0\) n’est pas définie !

Fonction Arctan au voisinage de \(0\), à l’ordre \(2n+1\) :

\[\operatorname{Arctan}(x) = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \dots + (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{(-1)^k}{2k+1}x^{2k+1} + o(x^{2n+1}).\]

Fonction Argth au voisinage de \(0\), à l’ordre \(2n+1\) :

\[\operatorname{Argth}(x) = x + \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} + \dots + \frac{x^{2n+1}}{2n+1} + o(x^{2n+1}) = \sum_{k=0}^{n}\frac{x^{2k+1}}{2k+1} + o(x^{2n+1}).\]

Fonction tan au voisinage de \(0\), à l’ordre \(5\) : \(\tan(x) = x + \dfrac{x^3}{3} + \dfrac{2x^5}{15} + o(x^6)\).

Fonction tanh au voisinage de \(0\), à l’ordre \(5\) : \(\tanh(x) = x - \dfrac{x^3}{3} + \dfrac{2x^5}{15} + o(x^6)\).

其余必备公式(译文) 反余弦:在 \(0\) 邻域内 \(\operatorname{Arccos}(x)=\dfrac\pi2-\operatorname{Arcsin}(x)\)。反双曲正弦:在 \(0\) 邻域内、阶 \(2n+1\):与 \(\arcsin\) 展开仅差交错符号(\((-1)^k\))。附注(PS):\(\operatorname{Arccosh}\)(反双曲余弦)在 \(0\) 附近没有定义!(其定义域为 \([1;+\infty[\)。)反正切:\(\operatorname{Arctan}(x)=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^5}{5}-\dots+(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}+o(x^{2n+1})\)。反双曲正切:\(\operatorname{Argth}(x)=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^5}{5}+\dots+\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}+o(x^{2n+1})\)。正切(五阶):\(\tan x=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}+o(x^6)\)。双曲正切(五阶):\(\tanh x=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}+o(x^6)\)。符号规律:\(\arctan\)、\(\operatorname{arsinh}\)、\(\tanh\) 交错;\(\arcsin\)、\(\operatorname{argth}\)、\(\tan\) 全正。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-8)

Terme中文备注
double factorielle \((2k-1)!! = 1\cdot 3 \cdots (2k-1)\)双阶乘Arcsin 系数中出现
Arcsin / Arccos / Arctan反正弦 / 反余弦 / 反正切
Arsinh / Arcosh / Argth (Artanh)反双曲正弦 / 余弦 / 正切arccosh 在 \(0\) 附近无定义
développement limités « à connaître »必须熟记的展开式一切 DL 计算的起点

II-9Utilisations simples des développements limitésDL 的简单应用:等价、延拓、切线与拐点、渐近线

1. Recherche d’équivalentsPosition du problème

Étant donné une fonction \(f\) définie au voisinage d’un point \(x_0 \in \mathbb{R}\), on souhaite étudier le comportement de \(f\) au voisinage de \(x_0\). Pour ce faire, on cherche une fonction \(g\), plus « simple » que \(f\), définie au voisinage de \(x_0\) et telle que \(f \sim g\) en \(x_0\).

Quand la fonction \(f\) admet un \(DL_n(x_0)\) dont la partie régulière est \(\displaystyle\sum_{k=p}^{n} a_k (x-x_0)^k\) avec \(a_p \neq 0\), alors

\[f(x) \underset{x\to x_0}{\sim} a_p (x-x_0)^p .\]

En effet, comme \(f\) admet un DL à l’ordre \(p\), il existe une fonction \(\varepsilon\) définie sur \(D\) telle que \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon = 0\) et \(f(x) = a_p(x-x_0)^p + (x-x_0)^p\varepsilon(x) = a_p(x-x_0)^p\left(1 + \dfrac{\varepsilon(x)}{a_p}\right)\). Comme \(\lim \dfrac{\varepsilon(x)}{a_p} = 0\), on a bien \(f \sim a_p(x-x_0)^p\). ∎

应用 1(求等价,译文) 问题设置:给定定义于点 \(x_0\in\mathbb{R}\) 邻域内的函数 \(f\),希望研究 \(f\) 在 \(x_0\) 邻域内的性态。为此,寻找一个比 \(f\) 更「简单」、定义在 \(x_0\) 邻域内、且满足 \(f\sim g\)(等价)于 \(x_0\) 的函数 \(g\)。当 \(f\) 有 \(DL_n(x_0)\)、其正则部分为 \(\sum_{k=p}^na_k(x-x_0)^k\) 且 \(a_p\ne0\) 时,\(f(x)\underset{x\to x_0}{\sim}a_p(x-x_0)^p\)。证明:因 \(f\) 有 \(p\) 阶展开,存在定义在 \(D\) 上的 \(\varepsilon\) 使 \(\lim_{x\to x_0}\varepsilon=0\) 且 \(f(x)=a_p(x-x_0)^p+(x-x_0)^p\varepsilon(x)=a_p(x-x_0)^p\Big(1+\dfrac{\varepsilon(x)}{a_p}\Big)\)。由于 \(\lim\dfrac{\varepsilon(x)}{a_p}=0\),确有 \(f\sim a_p(x-x_0)^p\)。∎要点:找等价关系,需要展开到第一个不为零的项。为什么需要等价?求函数极限时,乘除法可通过等价代换简化问题;复杂函数可用多项式逼近——多项式形式简单、易于计算,在计算机上更容易迭代。
ExempleÉquivalent de \(f(x) = x(1+\cos x) - 2\tan x\) en \(0\)

L’utilisation directe des équivalents \(x(1+\cos x) \sim 2x\) et \(2\tan x \sim 2x\) ne permettant pas de conclure (différence), le recours à un développement limité s’impose. On constate que \(f\) est impaire et que le coefficient de \(x^2\) dans le DL de \(f\) est nul, ce qui oblige à chercher un DL à un ordre supérieur ou égal à \(3\). On a

\[x(1+\cos x) = x\left(2 - \frac{x^2}{2} + o(x^2)\right) = 2x - \frac{x^3}{2} + o(x^3), \qquad 2\tan x = 2x + \frac{2x^3}{3} + o(x^3),\]

ce qui donne \(f(x) = -\dfrac{7}{6}x^3 + o(x^3)\), et donc

\[f(x) \underset{x\to 0}{\sim} -\frac{7}{6}x^3.\]

上述函数为奇函数,故展开项不含 \(x^2\) 项;一次项相消后需继续展开,到第一个不为 \(0\) 的项(三次)即可截止。

例(译文) 求 \(\mathbb{R}\) 上函数 \(f(x)=x(1+\cos x)-2\tan x\) 在 \(0\) 邻域内的等价。解:直接使用等价 \(x(1+\cos x)\sim2x\) 与 \(2\tan x\sim2x\) 无法下结论(相减情形),必须借助泰勒展开。注意到 \(f\) 是奇函数、且 \(f\) 的展开中 \(x^2\) 的系数为零,这迫使我们要展开到不低于 \(3\) 阶。有 \(x(1+\cos x)=x\Big(2-\dfrac{x^2}{2}+o(x^2)\Big)=2x-\dfrac{x^3}{2}+o(x^3)\),\(2\tan x=2x+\dfrac{2x^3}{3}+o(x^3)\);于是 \(f(x)=-\dfrac76x^3+o(x^3)\),故 \(f(x)\underset{x\to0}{\sim}-\dfrac76x^3\)。(加减运算中等价失效——\(2x-2x=0\) 丢失信息,必须展开到首个非零项。)
ExempleÉquivalent en \(+\infty\) : \(f(x) = e^{\frac1x} - \dfrac{x+1}{x}\)

Pour \(x > 0\), si on pose \(u = \dfrac1x\), on a \(f = e^u - (1+u)\). D’après les développements limités

\[e^u = 1 + u + \frac{u^2}{2} + o(u^2),\]

on a \(e^u - (1+u) = \dfrac{u^2}{2} + o(u^2)\), et, par substitution de \(\dfrac1x\) à \(u\),

\[f(x) \underset{x\to +\infty}{\sim} \frac{1}{2x^2}.\]

例(译文) 求 \(\mathbb{R}\) 上函数 \(f(x)=e^{\frac1x}-\dfrac{x+1}{x}\) 在 \(+\infty\) 邻域内的等价。解:对 \(x>0\) 令 \(u=\dfrac1x\),则 \(f=e^u-(1+u)\)。由泰勒展开 \(e^u=1+u+\dfrac{u^2}{2}+o(u^2)\),得 \(e^u-(1+u)=\dfrac{u^2}{2}+o(u^2)\);再以 \(\dfrac1x\) 替换 \(u\),得 \(f(x)\underset{x\to+\infty}{\sim}\dfrac{1}{2x^2}\)。
ExempleLimite \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{x(1+\cos x) - 2\tan x}{2x - \sin x - \tan x}\)

展开到第一个不为 \(0\) 的项即可。

On a déjà trouvé un équivalent du numérateur : \(x(1+\cos x) - 2\tan x \sim -\dfrac{7}{6}x^3\). Cherchons un équivalent du dénominateur en faisant un DL à l’ordre \(3\) :

\[2x - \sin x - \tan x = \left(2x - x + \frac{x^3}{6} + o(x^3)\right) - \left(x + \frac{x^3}{3} + o(x^3)\right) = -\frac{x^3}{6} + o(x^3),\]

ce qui donne \(\dfrac{x(1+\cos x) - 2\tan x}{2x - \sin x - \tan x} \sim \dfrac{-\frac76 x^3}{-\frac16 x^3}\), et donc

\[\lim_{x\to 0}\frac{x(1+\cos x) - 2\tan x}{2x - \sin x - \tan x} = 7.\]

例(译文) 求 \(\lim_{x\to0}\dfrac{x(1+\cos x)-2\tan x}{2x-\sin x-\tan x}\)。——展开到第一个不为 \(0\) 的项即可。解:分子的等价已求得:\(x(1+\cos x)-2\tan x\sim-\dfrac76x^3\)。对分母作三阶展开求等价:\(2x-\sin x-\tan x=\Big(2x-x+\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\Big)-\Big(x+\dfrac{x^3}{3}+o(x^3)\Big)=-\dfrac{x^3}{6}+o(x^3)\)。于是 \(\dfrac{x(1+\cos x)-2\tan x}{2x-\sin x-\tan x}\sim\dfrac{-\frac76x^3}{-\frac16x^3}\),故极限为 \(7\)。
ExempleLimite \(\displaystyle\lim_{x\to 0}\left(\frac{1}{x} - \frac{1}{\ln(1+x)}\right)\)

Transformons d’abord l’expression de manière à obtenir un quotient :

\[\frac{1}{x} - \frac{1}{\ln(1+x)} = \frac{\ln(1+x) - x}{x\,\ln(1+x)}.\]

On a \(x\ln(1+x) \sim x^2\). Un développement limité à l’ordre \(2\) donne

\[\ln(1+x) - x = \left(x - \frac{x^2}{2} + o(x^2)\right) - x = -\frac{x^2}{2} + o(x^2),\]

par suite \(\dfrac{\ln(1+x)-x}{x\ln(1+x)} \sim \dfrac{-\frac12 x^2}{x^2} = -\dfrac12\), et donc

\[\lim_{x\to 0}\left(\frac{1}{x} - \frac{1}{\ln(1+x)}\right) = -\frac{1}{2}.\]

例(译文) 研究 \(\lim_{x\to0}\Big(\dfrac1x-\dfrac{1}{\ln(1+x)}\Big)\)。解:先把表达式变形为一个商:\(\dfrac1x-\dfrac{1}{\ln(1+x)}=\dfrac{\ln(1+x)-x}{x\ln(1+x)}\)。有 \(x\ln(1+x)\sim x^2\)。二阶展开给出 \(\ln(1+x)-x=\Big(x-\dfrac{x^2}{2}+o(x^2)\Big)-x=-\dfrac{x^2}{2}+o(x^2)\)。于是 \(\dfrac{\ln(1+x)-x}{x\ln(1+x)}\sim\dfrac{-\frac12x^2}{x^2}=-\dfrac12\),故 \(\lim_{x\to0}\Big(\dfrac1x-\dfrac{1}{\ln(1+x)}\Big)=-\dfrac12\)。(先通分为商——乘除运算中可作等价替换。)
2. Prolongement par continuité et dérivabilité en \(x_0\)

Soit \(f\) une fonction définie au voisinage de \(x_0\) et possédant un développement limité à l’ordre \(1\) en \(x_0\) : \(f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + o(x-x_0)\). Alors, d’après ce que l’on a vu : si \(f\) n’est pas définie en \(x_0\), on peut la prolonger par continuité en posant \(f(x_0) = a_0\) ; si de plus le DL est effectif au sens ci-dessus, la fonction prolongée est dérivable en \(x_0\) et \(f'(x_0) = a_1\).

应用 2(连续延拓与可导性,译文) 设 \(f\) 定义在 \(x_0\) 邻域内且在 \(x_0\) 有一阶泰勒展开:\(f(x)=a_0+a_1(x-x_0)+o(x-x_0)\)。则由前面已证内容:若 \(f\) 在 \(x_0\) 无定义,可令 \(f(x_0)=a_0\) 将其连续延拓;延拓后的函数在 \(x_0\) 可导且 \(f'(x_0)=a_1\)。
Exemple\(f(x) = \dfrac{e^{x^2} - 1}{x^2}\)

Montrer que la fonction définie sur \(\mathbb{R}^*\) par \(f(x) = \dfrac{\exp(x^2) - 1}{x^2}\) peut se prolonger en une fonction dérivable sur \(\mathbb{R}\). Réponse. Au voisinage de \(0\), on a

\[\frac{\exp(x^2) - 1}{x^2} = \frac{1}{x^2}\left(x^2 + \frac{x^4}{2} + o(x^4)\right) = 1 + \frac{x^2}{2} + o(x^2).\]

Par suite, la fonction \(f\) se prolonge par continuité en \(0\) en posant \(f(0) = 1\). La fonction obtenue est dérivable en \(0\) et \(f'(0) = 0\).

Remarque. Bien que l’on ait obtenu un développement à l’ordre \(2\) de \(f\) en \(0\), notons que l’on ne peut rien en déduire quant à l’existence de la dérivée seconde de \(f\) en \(0\), comme nous l’avons dit.(函数具有 \(n\) 阶展开,不一定可以做 \(n\) 阶可导延拓;反之,如果 \(f\) 有 \(n\) 阶导数(\(C^n\)),则一定具有 \(n\) 阶展开。)

例(译文) 证明 \(\mathbb{R}^*\) 上定义的函数 \(f(x)=\dfrac{\exp(x^2)-1}{x^2}\) 可以延拓为 \(\mathbb{R}\) 上的可导函数。解:在 \(0\) 附近有 \(\dfrac{\exp(x^2)-1}{x^2}=\dfrac1{x^2}\Big(x^2+\dfrac{x^4}{2}+o(x^4)\Big)=1+\dfrac{x^2}{2}+o(x^2)\)。于是令 \(f(0)=1\) 即可将 \(f\) 在 \(0\) 连续延拓;所得函数在 \(0\) 可导且 \(f'(0)=0\)。注:虽然得到了 \(f\) 在 \(0\) 的二阶展开,但如前所述,不能由此推出 \(f\) 在 \(0\) 的二阶导数存在。(函数具有 \(n\) 阶展开,不一定可做 \(n\) 阶可导延拓;反之,若 \(f\) 有 \(n\) 阶导数(\(C^n\)),则一定有 \(n\) 阶展开。)
3. Étude de tangentesPosition de la courbe par rapport à sa tangente

Position du problème : L’existence d’une tangente non verticale au point d’abscisse \(x_0\) du graphe d’une fonction \(f\) est équivalente à la dérivabilité de \(f\) en \(x_0\), c’est-à-dire à l’existence d’un développement limité de \(f\) à l’ordre \(1\) au voisinage de \(x_0\). Dans ce cas, l’étude du signe de

\[f(x) - f(x_0) - (x - x_0) f'(x_0)\]

permet de préciser la position de la courbe par rapport à la tangente.(函数 \(f\) 图像与过 \(x_0\) 点切线的关系)

MÉTHODE. Pour obtenir la position de \(f\) par rapport à sa tangente au point \(x_0\), nous procèderons comme suit : si en \(x_0\) on dispose d’un développement limité

\[f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + a_2(x-x_0)^2 + o\big((x-x_0)^2\big) \quad \text{avec } a_2 \neq 0,\]

alors la tangente est la droite d’équation \(y = a_0 + a_1(x-x_0)\) et, au voisinage de \(x_0\), la position de la courbe par rapport à cette tangente est donnée par le signe de \(a_2\), car

\[f(x) - \big(a_0 + a_1(x-x_0)\big) \sim a_2 (x-x_0)^2.\]

Plus généralement, si en \(x_0\) on dispose d’un DL \(f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + a_p(x-x_0)^p + o\big((x-x_0)^p\big)\) avec \(a_p \neq 0\), alors la position est donnée par le signe de \(a_p(x-x_0)^p\) : si \(p\) est pair, la courbe reste du même côté (pas de traversée) ; si \(p\) est impair, la courbe traverse sa tangente — c’est un point d’inflexion.

应用 3(切线研究,译文) 问题设置:函数 \(f\) 的图形在横坐标为 \(x_0\) 的点处存在非垂直切线,等价于 \(f\) 在 \(x_0\) 可导,亦即 \(f\) 在 \(x_0\) 邻域内存在一阶泰勒展开。此时,研究 \(f(x)-f(x_0)-(x-x_0)f'(x_0)\) 的符号,可以精确判定曲线相对切线的位置。(函数 \(f\) 图像与过 \(x_0\) 点切线的关系)方法:若在 \(x_0\) 有展开 \(f(x)=a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+o\big((x-x_0)^2\big)\) 且 \(a_2\ne0\),则切线为直线 \(y=a_0+a_1(x-x_0)\),且在 \(x_0\) 邻域内曲线相对切线的位置由 \(a_2\) 的符号决定,因为 \(f(x)-\big(a_0+a_1(x-x_0)\big)\sim a_2(x-x_0)^2\)。更一般地,若 \(f(x)=a_0+a_1(x-x_0)+a_p(x-x_0)^p+o\big((x-x_0)^p\big)\)、\(a_p\ne0\),则位置由 \(a_p(x-x_0)^p\) 的符号决定:\(p\) 为偶数时曲线保持在切线同一侧(不穿越);\(p\) 为奇数时曲线穿越切线——这就是拐点(point d'inflexion)。所谓拐点是指改变曲线向上/向下方向的点,直观地说拐点使切线穿越曲线(即曲线的凹凸分界点)。
ExempleTangente en \(1\) à \(\arctan\)〔图〕

Étudier au voisinage de \(1\) la position par rapport à la tangente de la courbe d’équation \(y = \operatorname{Arctan} x\). En \(1\), la fonction Arctan a pour \(DL_2\)

\[\operatorname{Arctan} x = \frac{\pi}{4} + \frac{1}{2}(x-1) - \frac{1}{4}(x-1)^2 + o\big((x-1)^2\big);\]

le graphe est donc tangent à la droite d’équation \(y = \dfrac{\pi}{4} + \dfrac{1}{2}(x-1)\) (过 \(1\) 点的切线方程), et au voisinage de \(1\) la courbe est en dessous de sa tangente, car \(\operatorname{Arctan} x - \left[\frac{\pi}{4} + \frac12(x-1)\right] \sim -\frac14(x-1)^2 < 0\).

例(译文) 研究曲线 \(y=\operatorname{Arctan}x\) 在 \(x=1\) 邻域内相对切线的位置。Arctan 在 \(1\) 的二阶展开为 \(\operatorname{Arctan}x=\dfrac\pi4+\dfrac12(x-1)-\dfrac14(x-1)^2+o\big((x-1)^2\big)\);图形与直线 \(y=\dfrac\pi4+\dfrac12(x-1)\)(过 \(1\) 点的切线方程)相切,且在 \(1\) 的邻域内曲线位于切线下方,因为 \(\operatorname{Arctan}x-\Big[\dfrac\pi4+\dfrac12(x-1)\Big]\sim-\dfrac14(x-1)^2<0\)。(二次项系数 \(-\dfrac14<0\),偶次不穿越。)
ExemplePoint d’inflexion de \(f(x) = \dfrac{1}{1+e^x}\) en \(0\)〔图〕

Étudier au voisinage de \(0\) la position par rapport à la tangente de la courbe d’équation \(y = \dfrac{1}{1+e^x}\). La fonction \(f\) a pour \(DL_3(0)\)

\[f(x) = \frac{1}{2} - \frac{x}{4} + \frac{x^3}{48} + o(x^3).\]

Au point d’abscisse \(0\), le graphe est donc tangent à la droite d’équation \(y = \dfrac12 - \dfrac{x}{4}\), et, au voisinage de \(0\), la quantité

\[f(x) - \left(\frac{1}{2} - \frac{x}{4}\right) \sim \frac{x^3}{48}\]

est positive à droite et négative à gauche : la courbe traverse sa tangente. Il s’agit d’un point d’inflexion(拐点).

例(译文) 研究曲线 \(y=\dfrac{1}{1+e^x}\) 在 \(0\) 邻域内相对切线的位置。\(f(x)=\dfrac{1}{1+e^x}\) 的 \(DL_3(0)\) 为 \(f(x)=\dfrac12-\dfrac x4+\dfrac{x^3}{48}+o(x^3)\)。在横坐标为 \(0\) 的点处,图形与直线 \(y=\dfrac12-\dfrac x4\) 相切;且在 \(0\) 邻域内,量 \(f(x)-\Big(\dfrac12-\dfrac x4\Big)\sim\dfrac{x^3}{48}\)右侧为正、左侧为负:曲线穿越切线——这是一个拐点(point d'inflexion)。
4. Recherche d’asymptotes

Soit \(f\) une fonction définie au voisinage de \(+\infty\) telle que \(\lim_{+\infty} f = +\infty\) ou \(-\infty\). L’existence d’une asymptote en \(+\infty\) au graphe de \(f\) est équivalente à l’existence de constantes \(a_0\) et \(a_1\) ainsi que d’une fonction \(\varepsilon\) tendant vers \(0\) en \(+\infty\) et vérifiant

\[f(x) = a_0 x + a_1 + \varepsilon(x).\]

Dans ce cas, l’étude du signe de \(f(x) - (a_0 x + a_1)\) permet de positionner la courbe par rapport à son asymptote.

渐近线:曲线上一点 \(M\) 沿曲线无限远离原点时,若 \(M\) 到一条直线的距离无限趋近于 \(0\),则这条直线称为这条曲线的渐近线。体现在上面的公式里就是:当 \(x\to\infty\) 时,函数 \(f(x)\) 与直线 \(a_0x+a_1\) 无限接近。

MÉTHODE — Résumons la situation : s’il existe des réels \(a_0, a_1, a_2\) tels que \(a_2 \neq 0\) et

\[f(x) = a_0 x + a_1 + \frac{a_2}{x} + o\!\left(\frac1x\right) \quad (x \to +\infty),\]

alors la droite d’équation \(y = a_0 x + a_1\) est asymptote au graphe au voisinage de \(+\infty\), et la position de la courbe par rapport à son asymptote est donnée par le signe de \(\dfrac{a_2}{x}\). Plus généralement, s’il existe un entier \(p \geqslant 2\) et des réels \(a_0, a_1, a_{p+1}\) tels que \(a_{p+1} \neq 0\) et

\[f(x) = a_0 x + a_1 + \frac{a_{p+1}}{x^p} + o\!\left(\frac{1}{x^p}\right),\]

alors la position est donnée par le signe de \(\dfrac{a_{p+1}}{x^p}\).

REMARQUE. Quand une fonction \(f\) vérifie (1) ou (2), on dit qu’elle possède un développement asymptotique (ou développement limité généralisé) au voisinage de \(+\infty\). Pour obtenir un tel développement, on calcule un développement limité à l’ordre \(p+1\) de \(\dfrac{f(x)}{x}\), car (1) est équivalent à

\[\frac{f(x)}{x} = a_0 + \frac{a_1}{x} + \frac{a_{p+1}}{x^{p+1}} + o\!\left(\frac{1}{x^{p+1}}\right).\]

应用 4(渐近线,译文) 设 \(f\) 定义在 \(+\infty\) 邻域内且 \(\lim_{+\infty}f=+\infty\) 或 \(-\infty\)。\(f\) 的图形在 \(+\infty\) 处存在渐近线,等价于存在常数 \(a_0,a_1\) 及在 \(+\infty\) 趋于 \(0\) 的函数 \(\varepsilon\),使得 \(f(x)=a_0x+a_1+\varepsilon(x)\)。此时研究 \(f(x)-(a_0x+a_1)\) 的符号,可确定曲线相对渐近线的位置。(渐近线:曲线上一点 \(M\) 沿曲线无限远离原点时,若 \(M\) 到一条直线的距离无限趋近于 \(0\),则这条直线称为曲线的渐近线;即当 \(x\to\infty\) 时 \(f(x)\) 与直线 \(a_0x+a_1\) 无限接近。)方法:若存在实数 \(a_0,a_1,a_2\),\(a_2\ne0\) 且 \(f(x)=a_0x+a_1+\dfrac{a_2}{x}+o\Big(\dfrac1x\Big)\)(\(x\to+\infty\)),则直线 \(y=a_0x+a_1\) 是渐近线,曲线相对渐近线的位置由 \(\dfrac{a_2}{x}\) 的符号给出。更一般地,若存在整数 \(p\geqslant2\) 与实数 \(a_0,a_1,a_{p+1}\)(\(a_{p+1}\ne0\))使 \(f(x)=a_0x+a_1+\dfrac{a_{p+1}}{x^p}+o\Big(\dfrac{1}{x^p}\Big)\),则位置由 \(\dfrac{a_{p+1}}{x^p}\) 的符号给出。注:当 \(f\) 满足 (1) 或 (2) 时,称其在 \(+\infty\) 邻域内有渐近展开(广义泰勒展开)。求法:计算 \(\dfrac{f(x)}{x}\) 到 \(p+1\) 阶的泰勒展开,因为 (1) 等价于 \(\dfrac{f(x)}{x}=a_0+\dfrac{a_1}{x}+\dfrac{a_{p+1}}{x^{p+1}}+o\Big(\dfrac{1}{x^{p+1}}\Big)\)。求渐近线方程的本质就是求 \(f(x)/x\) 在 \(\infty\)(经倒代换即在 \(0\))的展开,通过一次项后第一个不为零的项判定曲线与渐近线的位置关系。函数图像的大致形状可由凹凸性、渐近线、拐点等简单画出。
ExempleAsymptotes de \(f(x) = \sqrt{\dfrac{x^3}{x-1}}\)〔图:Asymptotes à la courbe \(f\) en \(+\infty\)〕

Étude de l’asymptote oblique(斜渐近线) au graphe de \(f\) définie (pour \(|x| > 1\), et aux points où le radicand est positif) par \(f(x) = \sqrt{\dfrac{x^3}{x-1}}\). Réponse. Pour \(x > 1\), si on pose \(u = \dfrac1x\), on a

\[\frac{f(x)}{x} = \sqrt{\frac{x}{x-1}} = \frac{1}{\sqrt{1-u}} = (1-u)^{-1/2} = 1 + \frac{u}{2} + \frac{3u^2}{8} + o(u^2),\]

(développement binomial, cas \(\alpha = -\frac12\) en \((-u)\)). Donc

\[f(x) = x + \frac{1}{2} + \frac{3}{8x} + o\!\left(\frac1x\right),\]

la droite d’équation \(y = x + \dfrac12\) est asymptote au graphe au voisinage de \(+\infty\), et au voisinage de \(+\infty\) le graphe est situé au-dessus de son asymptote (car \(\frac{3}{8x} > 0\)). De même au voisinage de \(-\infty\) : pour \(x < 0\), \(\frac{f(x)}{x} = -\,(1-u)^{-1/2}\), si bien que \(y = -x - \dfrac12\) est asymptote et la courbe est située au-dessus de son asymptote (car \(-\frac{3}{8x} > 0\) pour \(x<0\)).

例(译文) 研究 \(f(x)=\sqrt{\dfrac{x^3}{x-1}}\)(在 \(|x|>1\) 且根号内非负处定义)图形的斜渐近线。解:对 \(x>1\) 令 \(u=\dfrac1x\),则 \(\dfrac{f(x)}{x}=\sqrt{\dfrac{x}{x-1}}=\dfrac{1}{\sqrt{1-u}}=(1-u)^{-1/2}=1+\dfrac u2+\dfrac{3u^2}{8}+o(u^2)\)(二项展开,\(\alpha=-\dfrac12\) 情形)。故 \(f(x)=x+\dfrac12+\dfrac{3}{8x}+o\Big(\dfrac1x\Big)\):直线 \(y=x+\dfrac12\) 是 \(+\infty\) 邻域内的渐近线,且曲线位于其上方(因 \(\dfrac{3}{8x}>0\))。同理在 \(-\infty\) 邻域内:对 \(x<0\) 有 \(\dfrac{f(x)}{x}=-(1-u)^{-1/2}\),故 \(y=-x-\dfrac12\) 是渐近线,曲线也位于其上方(因 \(-\dfrac{3}{8x}>0\))。
ExempleAsymptotes de \(g(x) = \dfrac{x}{1+e^{1/x}}\)〔图:Asymptotes à la courbe \(g\)〕

Rechercher les asymptotes au graphe de la fonction \(g\) définie sur \(\mathbb{R}^*\) par \(g(x) = \dfrac{x}{1+e^{1/x}}\). Réponse. Soit \(x \neq 0\) ; si on pose \(u = \dfrac1x\), on a

\[\frac{g(x)}{x} = \frac{1}{1+e^u},\]

et l’application \(u \mapsto \dfrac{1}{1+e^u}\) a pour \(DL_3(0)\) : \(\dfrac{1}{1+e^u} = \dfrac12 - \dfrac{u}{4} + \dfrac{u^3}{48} + o(u^3)\) (calcul fait en II-7, exemple « \(\frac{x}{1+e^x}\) »), ce qui donne finalement

\[g(x) = \frac{x}{2} - \frac{1}{4} + \frac{1}{48x^2} + o\!\left(\frac{1}{x^2}\right).\]

La droite d’équation \(y = \dfrac{x}{2} - \dfrac{1}{4}\) est asymptote au graphe au voisinage de \(+\infty\) et de \(-\infty\), le graphe étant situé au-dessus de son asymptote au voisinage de \(+\infty\) et de \(-\infty\) (car \(\frac{1}{48x^2} > 0\) des deux côtés).

例(译文) 求 \(\mathbb{R}^*\) 上函数 \(g(x)=\dfrac{x}{1+e^{1/x}}\) 图形的渐近线。解:设 \(x\ne0\),令 \(u=\dfrac1x\),则 \(\dfrac{g(x)}{x}=\dfrac{1}{1+e^u}\)。映射 \(u\mapsto\dfrac{1}{1+e^u}\) 的 \(DL_3(0)\) 为 \(\dfrac{1}{1+e^u}=\dfrac12-\dfrac u4+\dfrac{u^3}{48}+o(u^3)\)(计算见 II-7 的「\(\dfrac{x}{1+e^x}\)」一例),最终得 \(g(x)=\dfrac x2-\dfrac14+\dfrac{1}{48x^2}+o\Big(\dfrac{1}{x^2}\Big)\)。直线 \(y=\dfrac x2-\dfrac14\) 在 \(+\infty\) 与 \(-\infty\) 邻域内都是渐近线,且曲线在两侧都位于其上方(因 \(\dfrac{1}{48x^2}>0\) 在两侧均成立)。

📖 Vocabulaire 专有名词词汇表(II-9)

Terme中文备注
équivalent (\(f \sim g\))等价(无穷小/无穷大)DL 首项即等价主项
partie régulière, premier coefficient non nul \(a_p\)正则部分、首个非零系数
tangente (non verticale)(非垂直)切线
point d’inflexion拐点奇次偏差项 ⟹ 穿越
asymptote oblique / horizontale / verticale斜 / 水平 / 垂直渐近线
développement asymptotique (généralisé)渐近展开(广义 DL)按 \(\frac1x\) 降幂
position de la courbe par rapport à (tangente/asymptote)曲线与切线(渐近线)的位置关系看首个非零偏差项符号
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