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Divide las diferencias y la diferenciabilidad

Vamos $f: R \rightarrow R$, $y_0,y_1,y_2 \in R$. Definimos dividido diferencias: $$[y_0;f]=f(y_0),$$ $$[y_0,y_1;f]=\frac{f(y_1)-f(y_0)}{y_1-y_0},$$ $$[y_0,y_1,y_2;f]=\frac{[y_1,y_2;f]-[y_0,y_1;f]}{y_2-y_0}.$$

Supongamos que para cada una de las $x \in R$ $\varepsilon>0$ existe un $\delta>0$ tal que $$|[y_0,y_1,y_2;f]-[y_0',y_1',y_2';f]|< \varepsilon$$ for arbitrary sets $\{y_0,y_1,y_2\}$, $\{y_0',y_1',y_2'\}$ of distinct points such that $|y_i-x|<\delta$, $|y_i'-x|<\delta$ ($i=0,1,2$).

Es $f$ de la clase $C^2$ ?

5voto

MrTelly Puntos 201

A. Primer caso de la orden. Por definición de la primera derivada, tenemos $$ [x,z;f]\a f'(x), \qquad\textrm{como}\quad z\a x, $$ en cada una de las $x$. En la siguiente, fijemos $x$. Por supuesto, para cualquier $\varepsilon>0$ existe $\delta>0$ tal que $$ |[x,z;f]-[y,t;f]|<\varepsilon, \qquad\textrm{para todo}\quad z,y,t\en B_\delta(x), $$ donde $B_\delta(x)=\{t:|t-x|<\delta\}$. Ahora nos fix $\varepsilon>0$, y muestran que con $\delta>0$ da por supuesto como en el anterior, se tiene para cada una de las $y\in B_\delta(x)$ que $$ |f'(x)-f'(y)|<3\varepsilon. $$ Para probar la afirmación, en primer lugar, recoger $z\in B_\delta(x)$ satisfactorio $$ |[x,z;f]-f'(x)|<\varepsilon. $$ Luego, elija $t\in B_\delta(x)$ satisfactorio $$ |[y,t;f]-f'(y)|<\varepsilon. $$ La combinación de las anteriores desigualdades, se obtiene la demanda.

B. el Segundo caso de la orden. Uno puede demostrar como en Einar la respuesta de que la divide diferencias convergen a alguna función $g$ pointwise. El argumento Parte de Una muestra que $g$ es continua. Así que la única pregunta que queda es la existencia de $f''$ y si es o no $f''=2g$.

Deje $G$ ser una función de la satisfacción de $G''=2g$. Entonces es bien sabido que la segunda orden se divide diferencias de $G$ convergen pointwise a $g$. Por lo tanto, por la linealidad, la misma dividido diferencias de $u=f-G$ convergen pointiwse a $0$. Si pudiéramos demostrar que $u''$ existe en todas partes y $u''\equiv0$, esto implicaría que $f''$ existe y $f''=2g$ en todas partes. Por lo tanto, a partir de ahora, podemos suponer $g\equiv0$. Tenemos $$ [x,y,z;f]=\frac{[x,y;f]-[y,z;f]}{x-z}=\frac{[y,x;f]-[y,z;f]}{x-z}\to0, $$ como $\max\{|x-y|,|z-y|\}\to0$, para cada una de las $y$. Esto significa $$ [y,x;f]-[y,z;f]=o(\delta), $$ con la $o(\delta)$plazo siendo uniforme en $x,z\in B_\delta(y)$. En particular, $[y,x;f]$ es convergente como $x\to y$, y por lo $f'(y)=[y,y;f]$ existe en todas partes. Ahora, la idea es considerar $$ [x,x_1,y;f]+[x,y_1,y;f]=\frac{[x,x_1;f]-[y,x_1;f]+[x,y_1;f]-[y,y_1;f]}{x-y}, $$ que va a$0$$x_1,y_1,y\to x$, y de alguna manera tomar los límites de $x_1\to x$$y_1\to y$, antes de tomar los otros límites.

C. la Prueba de que $f''$ existe y $f''\equiv0$. Deje $x$ ser un punto y dejan $\varepsilon>0$. A continuación, recoger $\delta>0$ tal que $|[x,z,y;f]|<\varepsilon$ cualquier $y,z\in B_\delta(x)$. Vamos a mostrar que $$ \left|\frac{f'(x)-f'(y)}{x-y}\right|<5\varepsilon, \qquad\textrm{para cualquier}\quad y\, en B_\delta(x)\setminus\{x\}. $$ Para ello, elija $x_1,y_1\in B_\delta(x)$ tal que $$ |f'(x)-[x,x_1;f]|<\varepsilon|x-y|, \qquad |f'(y)-[y_1,y;f]|<\varepsilon|x-y|, $$ y que $$ |[x,y_1;f]-[x_1,y;f]|<\varepsilon|x-y|. $$ Esto es posible debido a $[x,x_1;f]\to f'(x)$ $x_1\to x$, $[y,y_1;f]\to f'(y)$ como $y_1\to y$, e $[z,t;f]$ es una función continua de $z$$t$. Nota el orden superior pequeñez en los lados de la parte derecha, en el que se formaliza "tomando los límites de $x_1\to x$ $y_1\to y$ primera". Por último, utilizamos la simple descomposición $$ f'(x) = \left(f'(x)-[x,x_1;f]\right) +\left([x,x_1;f]-[x_1,y;f]\right) +[x_1,y;f], $$ y $$ -f'(y) = -[x,y_1;f] +\left([x,y_1;f]-[y_1,y;f]\right) +\left([y_1,y;f]-f'(y)\right), $$ a la conclusión de que $$ \left|\frac{f'(x)-f'(y)}{x-y}\right| < \varepsilon+|[x,x_1,y;f]|+\varepsilon+|[x,y_1,y;f]|+\varepsilon <5\varepsilon. $$

2voto

Scott Wade Puntos 271

NB: El principal argumento en esta respuesta, que la cláusula no implica la $C^2$, está mal.

Voy a dejar la respuesta, ya que contiene algunos de los argumentos útiles acerca de la existencia de un límite ( $[y_0,\ldots,y_n;f]\rightarrow g_n(x)$ $y\rightarrow x$ ) así como algunos ejemplos de alta iluminación de la diferencia entre tener un derivado y continua.


Como se ha comentado ya, la expresión es esencialmente la definición de la derivada segunda, sin embargo, hay algunos problemas técnicos (que me di cuenta de que el comentario por timur).

Para cualquier $n$, después de haber $$\big|[y_0,\ldots,y_n;f]-[y'_0,\ldots,y'_n;f]\big|<\epsilon$$ para todos los $y_i, y'_i$ lo suficientemente cerca de a $x$, garantiza que no hay un límite de $g_n(x)$ con $$\big|[y_0,\ldots,y_n;f]-g_n(x)\big|<\epsilon.$$ E. g. si usted escoge una secuencia de $n+1$-tuplas $y^{(k)}=(y^{(k)}_0,\ldots,y^{(k)}_n)$ $|y^{(k)}_i-x|<\delta_k$ donde$\delta_k\rightarrow0$$\epsilon_k\rightarrow0$, conectando $y=y^{(k)}$ $y'=y^{(l)}$ algunos $l>k$, nos encontramos con que $[y^{(k)};f]$ es un Caucy secuencia, por lo que sabemos que converge.

Estoy bastante seguro de la función de limitación será la $g_n(x)=f^{(n)}(x)/n!$ donde $f^{(n)}$ $n$th derivado, siempre que el $n$th derivado existe. (Yo pensaba que tenía un ejemplo en el que el límite existe, sino $f$ no ha $n$th derivados, que yo dije que en una versión anterior de esta respuesta, pero esta no fue la correcta.)

Para$f$$C^n$, una función no sólo debe tener un $n$th derivados, pero debe ser continua. Esto no necesita ser el caso, y no ya en $n=1$ $f(x)=x^2\sin(1/x)$ (ajuste $f(0)=\lim_{x\rightarrow 0}f(x)=0$). Esto ha $f'(x)=0$ debido a la $x^2$ factor. En consecuencia, $[y_0,y_1;f]\rightarrow 0$ al $y_i\rightarrow 0$. Sin embargo, $f'(x)=2x\sin(1/x)-\cos(1/x)$ que no es continua en a $x=0$ $\cos(1/x)$ fluctúa entre los $1$$-1$.

Para $n=2$, he usado anteriormente $f(x)=x^3\sin(1/x)$ como un contraejemplo: esto es $C^1$, pero no tiene una segunda derivada en $x=0$. Sin embargo, mi afirmación de que obtenga$[y_0,y_1,y_2;f]\rightarrow 0$ $y_i\rightarrow 0$ no parece ser correcta.

En su lugar, para $n=2$, podemos establecer $f(x)=x^4\sin(1/x)$. Esto ha derivado segundo definido en todas partes, pero que no es continua.

Mi principal duda ahora es que me parece $|[y_0,\ldots,y_n;f]-g_n(x)|<\epsilon$ no sólo se asegura de que $f$ $n$th derivado en $x$, pero que también los límites de la $n$th derivado en un barrio de $x$ (por el mismo $\epsilon$--$\delta$ límite). Por lo tanto, la propuesta en la declaración original del problema debe ser cierto.

2voto

Scott Wade Puntos 271

Voy a tratar de dar una prueba del caso general $[y_0,\ldots,y_n;f]$. Esta prueba tiene muchas similitudes con el de timur, pero voy a formular las cosas más en términos de límites en lugar de usar $\epsilon$s y $\delta$s. Mi otra respuesta que estaba mal, pero se los dejo ya que había algunas partes interesantes, uno de los cuales voy a rehacer aquí.

Espero no pasar por alto nada grave esta vez. Sin embargo, estoy seguro de que me he tomado un par de técnicos atajos que podría necesitar rellenar: el lema que se proporciona al final es un intento de que.

Notación: Vamos a $R^{n+1}_k\subset\mathbb{R}^{n+1}$ consta de los puntos de $y=(y_0,\ldots,y_n)$ para los que en la mayoría de los $k$ coeficientes tienen el mismo valor: es decir $R^{n+1}_1$ son aquellos en los que todos los $y_i$ son distintos, mientras que $R^{n+1}_{n+1}=\mathbb{R}^{n+1}$. Luego tenemos la $[\cdot;f]:R^{n+1}_1\rightarrow\mathbb{R}$ se define como $$ [y_0,\ldots,y_n;f]=\frac{[y_1,\ldots,y_n;f]-[y_0,\ldots,y_{n-1};f]}{y_n-y_0} \etiqueta{1} $$ para $y\in R^{n+1}_{1}$: generalizada de los casos $n=0,1,2$ señaló que en el problema original.

Definición: decimos que una función $f$ $\mathcal{F}^n$ si por cualquier $y,y'\in R^{n+1}_1$, $$\lim_{y,y'\rightarrow x^{[n+1]}}\Big|[y;f]-[y';f]\Big|=0\tag{2}$$ donde, por $x\in\mathbb{R}$, el punto de $x^{[n+1]}=(x,\ldots,x)\in\mathbb{R}^{n+1}$. Esto es sólo el equivalente de la $\epsilon$-$\delta$ la formulación en términos de límites.

(i) Suponga $f$$\mathcal{F}^n$. Si tomamos cualquier secuencia $y^{(k)}\in R^{n+1}_1$ que converge a$x^{[n+1]}$, $[y^{(k)};f]$ se convierte en una secuencia de Cauchy: es decir, para $p,q\ge k$, $\big|[y^{(p)};f]-[y^{(q)};f]\big|\rightarrow0$ como $n\rightarrow\infty$. Por lo tanto, $[f^{(k)};f]$ deben converger. Vamos a denotar el límite de $[x^{[n+1]};f]=g_n(x)$.

(ii) Vamos a demostrar por inducción que $[y_0,\ldots,y_n;f]$ es simétrica en el $y_i$. Obviamente, no tiene por $n=0,1$. Suponga que tiene de $n<N$. Establecimiento $n=N\ge2$, vamos a $y=(u,v,A,w)\in R^{n+1}_1$ donde $A=(a_1,\ldots,a_{n-2})$ (posiblemente vacía). Entonces tenemos $$ \begin{split} [u,v,A,w;f]=&\frac{[u,v,A;f]-[v,A,w;f]}{u-w}\\ =&\frac{1}{u-w}\Big([u,A,v;f]-[v,A,w;f]\Big)\\ =&\frac{1}{u-w}\left(\frac{[u,A;f]-[A,v;f]}{u-v}-\frac{[v,A;f]-[A,w;f]}{v-w}\right)\\ =&\frac{[u,A;f]}{(u-v)(u-w)}+\frac{[v,A;f]}{(v-u)(v-w)}+\frac{[w,A;f]}{(w-u)(w-v)} \end{split} $$ que es simétrica en $u,v,w$. Desde el primer paso, vemos también que debe ser simétrica en las permutaciones de $v,A$. Estas simetrías generar toda la permutación de grupo, de modo que la simetría también se aplica a las $n=N$.

(iii) una vez más, utilizamos la inducción, partiendo de las siguientes depara $n<N$: Una función de $f$ $\mathcal{F}^n$ si y sólo si es $C^n$, es decir,$\mathcal{F}^n=C^n$: en particular, también es $\mathcal{F}^k$ todos los $k<n$. La definición de $[y;f]$ $y\in R^{n+1}_1$ puede ser extendido de forma continua a todos los $y\in\mathbb{R}^{n+1}$. Por otra parte, $g_n(x)=f^{(n)}(x)/n!$ donde $f^{(n)}$ $n$th derivados.

Para $n=0,1$, el asumption es cierto. Así que vamos a $n=N\ge2$.

Para poder utilizar la hipótesis de inducción, primero tenemos que demostrar que cuando $f$$\mathcal{F}^n$, también es $\mathcal{F}^{n-1}$. Para ello, podemos reescribir la ecuación (1) $$(u-v)[u,A,v;f]=[u,A;f]-[A,v;f]$$ para $A=(a_1,\ldots,a_{n-1})$. Para$u=(u_1,\ldots,u_n)$$v=(v_1,\ldots,v_n)$, ambas en $R^n_1$, a continuación, obtener $$ \begin{split} (u_1-v_1)[u_1,\ldots,u_n,v_1;f]&+(u_2-v_2)[u_2,\ldots,u_n,v_1,v_2;f]\\ &+\cdots+(u_n-v_n)[u_n,v_1,\ldots,v_n;f]\\ =&[u_1,\ldots,u_n;f]-[v_1,\ldots,v_n;f]\\ \end{split}\etiqueta{3} $$ donde $u,v\rightarrow x^{[n]}$ conduce a $\big|[u;f]-[v;f]\big|\rightarrow0$, es decir, la definición de $f$$\mathcal{F}^{n-1}$.

Para cualquier $y\in R^{n+1}_n$, es decir, no todos los $y_i$ son iguales, podemos reorganizar la $y_i$ hacer $[y;f]=[u,A,v;f]$ donde $u\not=v$ y uso (1) para obtener $[y;f]$, expresado en términos de$[u,A;f]$$[A,v;f]$, ambos de los cuales son definidos en el conjunto de la $\mathbb{R}^n$. Esto nos provee con una extensión de $[y;f]$ todos los $y\in R^{n+1}_n$.

Por último, en la ecuación (3), nos vamos a $u=x^{[n]}$, $v=x'^{[n]}$: por la continuidad, podemos hacer que, o bien podemos tomar los límites de $u\rightarrow x^{[n]}$ $v\rightarrow x'^{[n]}$ (y tomamos estos límites antes de la tarde límite). Dividiendo por $x-x'$ en ambos lados, a continuación, da $$ \frac{g_{n-1}(x)-g_{n-1}(x')}{x-x'} =[x,\ldots,x,x';f]+\cdots+[x,x',\ldots,x';f] $$ donde $x'\rightarrow x$ da $g_{n-1}'(x)=n\cdot[g_n(x)]$. Por lo tanto, $g_n(x)=f^{(n)}/n!$.

La única cosa a destacar es que la final de la extensión de $[y;f]$ $y\in R^{n+1}_n$ a todos los de $\mathbb{R}^{n+1}$ es continua. Básicamente, esto se sigue de la definición, pero tenemos que usar el siguiente lema (que he implícitamente utilizado más arriba), para asegurar que el límite en (2) se aplica incluso si la secuencia, incluso si $y\in R^{n+1}_n$ en lugar de $R^{n+1}_1$.

Lema: Dado $x,v_i,u^{(i)}_j\in\mathbb{R}$, de modo que $v_i\rightarrow x$$u^{(i)}_{j}\rightarrow v_i$, entonces podemos recoger $j_i$, de modo que $u^{(i)}_{j_i}\rightarrow x$.

Uno de los usos de la lema es que si $y^{(i)}\in R^{n+1}_n$, $z^{(i,j)}\in R^{n+1}_1$, podemos establecer $v_i=[y^{(i)};f]$, $u^{(i)}_j=[z^{(i,j)};f]$, y reemplazar el límite de $[y^{(i)};f]$, lo cual es tomado en $R^{n+1}_n$, con un límite tomado en $R^{n+1}_1$.

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