9.2 雨课堂作业

例 9.2.1 (作业第1题) 求以下曲线的弧长和曲率:

(1)

y=f(x)axb,其中fC2函数;

(2)

极坐标下r=r(θ)αθβrC2函数。

(1) 由弧长公式可得(1)L=γdx2+dy2=ab1+(f(x))2dx 曲率为(2)κ=r(x)×r(x)r(x)3=(1,f(x))×(0,f(x))(1,f(x))3=|f(x)|[1+(f(x))2]3/2

(2) 由弧长公式可得(3)L=γdr2+(rdθ)2=αβ(r(θ))2+r(θ)2dθ 曲率为(4)κ=r(θ)×r(θ)r(θ)3=|r(θ)2+2(r(θ))2r(θ)r(θ)|[(r(θ))2+r(θ)2]3/2,r(θ)=(r(θ)cosθ,r(θ)sinθ) 直接求导计算曲率的运算量较大,另一种方法是利用单位向量。注意到(5){r^=(cosθ,sinθ)θ^=(sinθ,cosθ)dr^dθ=θ^,dθ^dθ=r^ 因此(6)r=(rr^)=rr^+rθ^,r=(rr^+rθ^)=(rr)r^+2rθ^ 由此可得(7)r×r=|r2rr(rr)|=|r2+2(r)2rr|,r=(r)2+r2 故曲率为(8)κ=r×rr3=|r2+2(r)2rr|[(r)2+r2]3/2

例 9.2.2 (作业第2题) 求椭圆Ax2+2Bxy+Cy2=1 (A>0, AC>B2)所围平面有界区域的面积。(提示:用平面极坐标)

将椭圆方程化为极坐标形式可得(9)Ar2cos2θ+2Br2sinθcosθ+Cr2sin2θ=1r(θ)2=1Acos2θ+2Bsinθcosθ+Csin2θ 由面积公式可得椭圆所围有界区域的面积为(10)S=12ππr(θ)2dθ=12ππdθAcos2θ+2Bsinθcosθ+Csin2θ=ππdθA+C+(AC)cos2θ+2Bsin2θ=ππdθA+C+(AC)2+4B2cos(2θφ)=periodict=2θφππdtA+C+(AC)2+4B2cost 由于AC>B2,故A+C>(AC)2+4B2。利用以下积分(11)ππdta+bcost=2πa2b2,|a|>|b| 可得(12)S=2π(A+C)2[(AC)2+4B2]=πACB2

例 9.2.3 (作业第3题) 求星形线|x|2/3+|y|2/3=a2/3 (a>0)的弧长、所围有界区域的面积。

仅考虑第一象限的部分(即x,y0)的弧长、面积,随后乘以4即可。由题意可知(13)y=a[1(xa)2/3]3/2,y(x)=(xa)1/3[1(xa)2/3]1/2,x[0,a] 计算可得(14)L=40a1+(y(x))2dx=40a(xa)1/3dx=43a2=6a (15)A=40ay(x)dx=4a0a[1(xa)2/3]3/2dx=t=xa312a201(1t2)3/2t2dt=12a2π32=3πa28

另解 另一种做法是利用星形线的参数方程:(16){x(t)=acos3t,y(t)=asin3t,x(t)=3acos2tsint,y(t)=3asin2tcost,t[0,π/2] 计算可得(17)L=40π/2(x(t))2+(y(t))2dt=12a0π/2sintcostdt=6a (18)A=4120π/2(x(t)y(t)y(t)x(t))dt=6a20π/2sin2tcos2tdt=3πa28

例 9.2.4 (作业第4题) 求旋轮线x=tsint, y=1cost (0t2π)的弧长、以及它和x轴所围成的有界区域的面积。

由题意可知(19)x(t)=1cost,y(t)=sint,t[0,2π] 计算可得(20)L=02π(x(t))2+(y(t))2dt=02π22costdt=8 (21)A=γydx=02πx(t)y(t)dt=02π(12cost+cos2t)dt=3π

例 9.2.5 (作业第5题) 求双纽线r2=2a2cos2θ的弧长、所围有界区域的面积。

仅考虑第一象限的部分(即θ[0,π4])的弧长、面积,随后乘以4即可。由题意可知(22)r(θ)=a2cos2θ,r(θ)=2asin2θcos2θ,θ[0,π4] 计算可得(23)L=40π/4(r(θ))2+r(θ)2dθ=4a0π/42sin22θcos2θ+2cos2θdθ=t=2θ22a0π/2dtcost=4aK(12) (24)A=4120π/4r(θ)2dθ=2a20π/42cos2θdθ=2a2 其中K(k)为第一类完全椭圆积分,K(12)1.85407

例 9.2.6 (作业第6题) A>12,记L(A)为抛物线y=Ax2位于圆x2+(y1)2=1的内部的部分的弧长。

(1)

求极限:limA+L(A)

(2)

是否存在A>12使得L(A)>4

(3)

有多少个A使得L(A)=4

(1) 由题意可知抛物线在圆内(包括边界)的部分满足(25)x2+(Ax21)21x2(12A+A2x2)0|x|xA:=2A1A 曲线的弧长为(26)L(A)=20xA1+(2Ax)2dx=1614A+3A2+12Aln(22A1+8A3) 显然有(27)limA+L(A)=4

(2) 对L求导可得(28)L(A)=12A2[28A32A1ln(22A1+8A3)]t=22A1,考虑(29)f(t):=41+1t2ln(t+t2+1),t>0 显然f严格减,且有f(0)=+f(+)=,故t0(0,+)使得f(t0)=0

A0=12(1+t024),则L(12,A0)上严格增,在(A0,+)上严格减,最终趋于4。因此L(A0)>L(+)=4,故存在A>12使得L(A)>4

(3) 由于L(12)=0<4L(A0)>4L(12,A0)上严格增,故!A1(12,A0)使得L(A1)=4,即存在唯一A使得L(A)=4

例 9.2.7 (作业第7题) f是区间[0,+)上的正值连续函数,记(30)φ(x)=0xtf(t)dt0xf(t)dt 证明:φ严格增。

证明 不难验证φ可微,直接求导可得(31)φ(x)=(0xf(t)dt)(xf(x))(0xtf(t)dt)f(x)(0xf(t)dt)2=f(x)(0xf(t)dt)20x(xt)f(t)dt 由于f为正值函数,且xt>0t[0,x),因此φ(x)>0,即φ严格增。

另证 考虑本题的物理意义。设f(x)表示杆[0,+)在点x处的线密度,m(a,b), xC(a,b)分别表示杆[a,b]的质量、质心,则φ(x)=xC(0,x)。设0a<b,由杠杆原理可得(32)m(0,a)xC(0,a)+m(a,b)xC(a,b)=m(0,b)xC(0,b) 显然有(33)xC(0,a)<a<xC(a,b) 因此(34)φ(b)=xC(0,b)>m(0,a)m(0,b)xC(0,a)+m(a,b)m(0,b)xC(0,a)=xC(0,a)=φ(a)

例 9.2.8 (作业第8题) 已知函数f满足f(1)=1,且(35)f(x)=1x2+f(x)2 证明:limx+f(x)存在,且limx+f(x)1+π4

证明f(x)>0f[1,+)上严格增,故f(x)f(1)=1。放缩可得(36)f(x)=f(1)+1x1t2+f(t)2dt1+1x1t2+1dt=1+arctant|1x=1+arctanxπ4<1+π4 因此f有上界,且严格增,故limx+f(x)存在,且limx+f(x)1+π4

以下内容与课程要求无关。我们尝试使用一些技巧探讨f的更多性质。记L:=limx+f(x),由于直接求解f(x)较为困难,考虑利用反函数方法。设y=f(x),其中x>0y>0,则x=f1(y)满足(37)dxdy=x2+y2,x(1)=1 这是Ricatti方程,令x(y)=u(y)u(y),则u(y)满足二阶线性微分方程(38)u(y)+y2u(y)=0,u(1)+u(1)=0 考虑换元(y,u)(t,v),其中t=12y2v=uy,亦即y=2tu=v2t4,由此可得(39)dudy=dtdyd(v2t4)dt=2t(v(t)2t4+v(t)2(2t)34)=v(t)+4tv(t)22t4d2udy2=dtdyddtv(t)+4tv(t)22t4=16t2v(t)+16tv(t)v(t)4(2t)3/4 代入计算可得(40)[dudy+u(y)]y=1=[v(t)+4tv(t)22t4+v(t)2t4]t=1/2=v(12)+32v(12)=0d2udy2+y2u=16t2v(t)+16tv(t)v(t)4(2t)3/4+2tv(t)2t4=4(2t)3/4[t2v(t)+tv(t)+(t2116)v(t)] 亦即v(t)满足14阶Bessel方程(41)t2v(t)+tv(t)+(t2116)v(t)=0v(t)=c1J1/4(t)+c2J1/4(t) 因此(42)u(y)=y[c1J1/4(y22)+c2J1/4(y22)] 代入t0=12处的初始条件,利用恒等式Jν(z)=Jν1(z)νzJν(z)可得(43)0=v(12)+32v(12)=c1[J1/4(12)+32J1/4(12)]+c2[J1/4(12)+32J1/4(12)]=c1[J3/4(12)+J1/4(12)]+c2[J5/4(12)+2J1/4(12)] 由题设可知y(+)=L(1,2),故x(L)发散,因此u(L)=0,由此可得(44)u(L)=L[c1J1/4(L22)+c2J1/4(L22)]=0J1/4(L22)J1/4(L22)=c2c1=J5/4(12)+2J1/4(12)J3/4(12)+J1/4(12) 因此t=L22是函数g(t):=J1/4(t)J1/4(t)在区间(12,2)内的(唯一)零点,数值计算可得t1.49549,因此L1.72944

我们下面尝试求出fx=+处的渐近展开。令s=1x0+,代入可得(45)dfds=dxdsdfdx=1s211s2+f2=11+s2f2dfds|s=0=1 求导可得(46)d2fds2=2sf2+2s2fdfds(1+s2f2)2d2fds2|s=0=0 继续求导、代入、计算可得(47)d3fds3|s=0=2L2,d4fds4|s=0=12L,d5fds5|s=0=24(1L4),d6fds6|s=0=560L3, 因此fx=+处的渐近展开为(48)f(x)=L1x+L23x3L2x4+1L45x5+7L39x6+

例 9.2.9 (作业第9题) fR上的凸函数,φR上的连续函数。证明:a>0,都有(49)1a0af(φ(t))dtf(1a0aφ(t)dt)

证明 此即Jensen不等式的积分形式。设(50)φ:=1a0aφ(t)dt 由凸函数的定义可知,x0R,都有f(x)f(x0)+f+(x0)(xx0)。取x=φ(t)x0=φ,则(51)f(φ(t))f(φ)+f+(φ)(φ(t)φ) 两边对t0a积分并除以a,可得(52)1a0af(φ(t))dtf(φ)+f+(φ)(1a0aφ(t)dtφ)=f(φ)=f(1a0aφ(t)dt)

证明 另一种思路是利用Riemann和与离散形式的Jensen不等式。设P:0=x0<x1<<xn1<xn=a[0,a]的任意划分,ξk[xk1,xk]为任意标志点,则(53)1a0af(φ(t))dt=limP0k=1nf(φ(ξk))xkxk1alimP0f(k=1nφ(ξk)xkxk1a)=f(1a0aφ(t)dt)

例 9.2.10 (作业第10题)

(1)

fC1[0,1]f(0)=f(1)=0。证明:(54)|01f(x)dx|14maxx[0,1]|f(x)|

(2)

fC1[a,b]f(a)=0。证明:(55)maxx[a,b]f(x)2(ba)ab(f(x))2dx (56)abf(x)2dx(ba)22ab(f(x))2dx

证明 (1) 记M:=maxx[0,1]|f(x)|x(0,1),由Lagrange中值定理知ξ(0,x)使得(57)|f(x)f(0)x0|=|f(ξ)|M|f(x)|Mx 同理可得ξ(x,1)使得(58)|f(1)f(x)1x|=|f(ξ)|M|f(x)|M(1x) 因此(59)|f(x)|Mmin{x,1x} 直接积分,利用三角不等式可得(60)|01f(x)dx|01|f(x)|dxM01/2xdx+M1/21(1x)dx=M4=14maxx[0,1]|f(x)|

(2) 由Cauchy不等式可得(61)f(x)2=(ax1f(t)dt)2(xa)ax(f(t))2dt(xa)ab(f(t))2dt(ba)ab(f(t))2dt 因此(62)maxx[a,b]f(x)2(ba)ab(f(x))2dx (63)abf(x)2dxab(xa)dxab(f(t))2dt=(ba)22ab(f(t))2dt

第(2)问的第二个不等式可以加强为:设fC1[a,b]且满足f(a)=0,则有(64)abf(x)2dx4(ba)2π2ab(f(x))2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=Csinπ(xa)2(ba)f(x)=Ccosπ(xa)2(ba)C为常数。

不妨设[a,b]=[0,π2],证明可利用例10.2.1中的Wirtinger不等式:设gC1[0,2π]且满足g(0)=g(2π)02πg(x)dx=0,则有(65)02πg(x)2dx02π(g(x))2dx 只需令(66)g(x)={f(x),x[0,π2]f(πx),x(π2,π]f(xπ),x(π,3π2]f(2πx),x(3π2,2π] 如有必要,可添加光滑子使得g0,π2,π,3π2处可微,则(67)0π/2f(x)2dx=1402πg(x)2dx1402π(g(x))2dx=0π/2(f(x))2dx