好的,我分两部分来解答题主的疑惑,有点长,希望题主耐心阅读,不懂处可以提问。注意,f(x)理解为函数,而x最好理解为一个任意‘’给定‘’的点。
提问方式。(1)说f在x处的二阶导函数存在且连续,也就是说函数f"在包含x的一个开区间中有定义(即f'在包含x的一个开区间中可导),并且函数f''在x处连续。(注意,谈到连续必须在一个开区间内都有定义才行)(2)说f在x的二阶导数存在,也就是说f"在x处有定义(即f’在x处可导),但是未必在包含x的开区间中有定义。显然,(1)的条件比(2)更强,从而(1)可以直接对f'用微分中值定理而(2)必须用f'在x处可导的定义。
解答。
(1)
为方便书写,记F(x,h)=(f(x+h)-f(x))/h。对f用微分中值定理,有
F(x,h)=f'(x+th),t在(0,1)中
F(x-h,h)=(f(x)-f(x-h))/h=f'(x-sh),s在(0,1)中
从而原式=limF(x,h)-F(x-h,h)/h=limf'(x+th)-f'(x-sh)/h
由题,f'在[x-h,x+h]上可导(只要h足够小,这是可以做到的),可以对f’用微分中值定理,有
f'(x+th)-f'(x-sh)/h=f"(x+vh),v在(-1,1)中
因为f''在x处连续,
原式=limf"(x+vh)=f"(x)
(2) 符号同(1),这时我们对F(视为x的函数,h当成一个固定的常数)用微分中值定理有F(x,h)-F(x-h,h)/h=F'(x+uh)=f'(x+h-uh)-f'(x+uh)/h,u在(-1,0)中,一般与x和h均相关
原式=limF(x,h)-F(x-h,h)/h=limf'(x+(1+u)h)-f'(x+uh)/h
上面的处理方式就不行了,因为f'未必在包含x的一个闭区间上连续并且在内部可导,而仅仅知道f’在x处可导,但这就足够了。这里我们要用可导的定义,也就是涉及不等式。我们只用证明
当|h|任意小时,(f'(x+(1+u)h)-f'(x+uh))/h- f''(x)的绝对值任意小。我们进行变形和放缩
(f'(x+(1+u)h)-f'(x+uh))/h- f''(x)
=(1+u)(f'(x+(1+u)h)-f'(x))/(1+u)h-u(f'(x+uh)-f'(x))/uh-(1+u)f''(x)+uf''(x)
=(1+u)(f'(x+(1+u)h)-f'(x)/(u+1)h-f''(x))-u(f'(x+uh)-f'(x)/uh-f''(x))
注意到,由导数定义,
f'(x+(1+u)h)-f'(x)/(u+1)h-f''(x)和f'(x+uh)-f'(x)/uh-f''(x)的绝对值任意小
从而由绝对值不等式知道(注意u在(-1,0)是有界的)
(1+u)(f'(x+(1+u)h)-f'(x)/(u+1)h-f''(x))-u(f'(x+uh)-f'(x)/uh-f''(x))的绝对值任意小
故而得证。
评析:当然,(2)的解答过程,完全可以用来解答(1),不过相互对比体现出不同的理解。(1)只用微分中值定理和连续性就可以了,(2)既要用微分中值定理也要用导数的定义,涉及不等式放缩,更为复杂。此题对于弄清楚相关定义定理(导数,连续,微分中值定理)和适用范围大有好处。
那怎么理解"可导一定连续,连续不一定可导"呢,我怎么觉得有冲突?
看我下面的评论