VI.4

Асимптотика неявных функций и рекуррентных последовательностей

[19/89%]
Показать
LaTeX
Задача VI.4.1

Пусть y(x)=∫x+∞e−t2/2dt(x∈R),x(y)y(x)=\int_{x}^{+\infty } e^{-t^{2} / 2} d t(x \in \mathbb {R}), x(y) — обратная к y(x)y(x) функция. Докажите, что x(y)∼y→+02ln⁡1yx(y) \underset {y \rightarrow +0}{\sim } \sqrt{2 \ln \frac{1}{y}}.

?
Задача VI.4.2

Докажите, что каждое из следующих уравнений определяет в некоторой окрестности точки (x0,c0)\left(x_{0}, c_{0}\right) бесконечно дифференцируемую неявную функцию yy, и найдите первые nn коэффициентов разложения y(x)=c0+c1(x−x0)+…+cn(x−x0)n+…y(x)=c_{0}+c_{1}\left(x-x_{0}\right)+\ldots +c_{n}\left(x-x_{0}\right)^{n}+\ldots

?
(а)

yey−x=0y e^{y}-x=0, x0=c0=0,n=3;x_{0}=c_{0}=0, \quad n=3 ;

(б)

y2+ln⁡2y−x=0y^{2}+\ln^{2} y-x=0, x0=c0=1,n=3x_{0}=c_{0}=1, \quad n=3;

(в)

xy+exy−x=0x y+e^{x y}-x=0, x0=1,c0=0x_{0}=1, c_{0}=0, n=3;n=3 ;

(г)

yln⁡y−x=0y \ln y-x=0, x0=0,c0=1x_{0}=0, c_{0}=1, n=3;n=3 ;

(д)

exy+x2+y−1=0e^{x y}+x^{2}+y-1=0, x0=c0=0x_{0}=c_{0}=0, n=6;n=6 ;

(е)

arctg⁡(x+y)−x−2y=0\operatorname {arctg}(x+y)-x-2 y=0, x0=c0=0x_{0}=c_{0}=0, n=6n=6.

Задача VI.4.3

Убедитесь в том, что область определения неявных функций, рассматриваемых в задаче 4.2 , содержит полуось [x0,+∞)\left[x_{0},+\infty \right), и докажите, что при x→+∞x \rightarrow +\infty

?
(а)

y(x)=ln⁡x−ln⁡ln⁡x+c1a1(x)+c2a2(x)+O(a2(x)ln⁡ln⁡x)y(x)=\ln x-\ln \ln x+c_{1} a_{1}(x)+c_{2} a_{2}(x)+O\left(\frac{a_{2}(x)}{\ln \ln x}\right);

(б)

y(x)=x(c0+c1a1(x)+c2a2(x)+O(a2(x)ln⁡x))y(x)=\sqrt{x}\left(c_{0}+c_{1} a_{1}(x)+c_{2} a_{2}(x)+O\left(\frac{a_{2}(x)}{\ln x}\right)\right);

(в)

y(x)=ln⁡xx+1x(c1a1(x)+c2a2(x)+O(a2(x)ln⁡x))y(x)=\frac{\ln x}{x}+\frac{1}{x}\left(c_{1} a_{1}(x)+c_{2} a_{2}(x)+O\left(\frac{a_{2}(x)}{\ln x}\right)\right);

(г)

y(x)=xln⁡x(c0+c1a1(x)+c2a2(x)+O(a2(x)ln⁡ln⁡x))y(x)=\frac{x}{\ln x}\left(c_{0}+c_{1} a_{1}(x)+c_{2} a_{2}(x)+O\left(\frac{a_{2}(x)}{\ln \ln x}\right)\right), где c0,c1,c2c_{0}, c_{1}, c_{2} — постоянные, а aka_{k} — функции вида (ln⁡x)mxn\frac{(\ln x)^{m}}{x^{n}} или (ln⁡ln⁡x)mln⁡nx\frac{(\ln \ln x)^{m}}{\ln^{n} x} при надлежащих m,n∈Nm, n \in \mathbb {N};

(д)

y(x)=−x2+1−ex−x3+O(xe2(x−x3))y(x)=-x^{2}+1-e^{x-x^{3}}+O\left(x e^{2\left(x-x^{3}\right)}\right);

(е)

y(x)=−x2+π4−1x+O(1x2)y(x)=-\frac{x}{2}+\frac{\pi }{4}-\frac{1}{x}+O\left(\frac{1}{x^{2}}\right).

Задача VI.4.4

Докажите, что уравнение yx+y=1y^{x}+y=1 определяет при всех x>0x>0 единственную неявную функцию yy и что

?
(а)

y∈C∞((0,∞)),0<y<1,y′>0y \in C^{\infty }((0, \infty )), 0<y<1, y^{\prime }>0;

(б)

y(x)=x∣ln⁡x∣+xln⁡∣ln⁡x∣+o(x)y(x)=x\left|\ln x\right|+x \ln \left|\ln x\right|+o(x) при x→+0x \rightarrow +0;

(в)

y(x)=1−ln⁡xx+ln⁡ln⁡xx+o(1x)y(x)=1-\frac{\ln x}{x}+\frac{\ln \ln x}{x}+o\left(\frac{1}{x}\right) при x→+∞x \rightarrow +\infty.

Задача VI.4.5

Сколько существует непрерывных решений yy уравнения x5+x2y=y3x^{5}+x^{2} y=y^{3}, стремящихся к нулю при x→0x \rightarrow 0 ? Какова их асимптотика при x→0x \rightarrow 0 ?

?
Задача VI.4.6

Докажите, что уравнение Кеплера y=M+xsin⁡yy=M+x \sin y, где MM — фиксированный положительный параметр, определяет в окрестности точки (0,M)(0, M) бесконечно дифференцируемую функцию yy, причём

y(x)=M+xsin⁡M+12x2sin⁡2M+O(x3) при x→0. y(x)=M+x \sin M+\frac{1}{2} x^{2} \sin 2 M+O\left(x^{3}\right) \quad \text{ при } \quad x \rightarrow 0 .
?
Задача VI.4.7

Задача про «земной шар в авоське». Земной шар опоясали нерастяжимой нитью. Затем нить удлинили на 1 см и натянули, потянув за узелок. Вычислите высоту, на которую он поднялся, с относительной погрешностью не более одной десятитысячной процента (радиус шара считаем равным 6400км6400 к м).

?
Задача VI.4.8

Найдите производные по ε\varepsilon длин полуосей эллипсоида x2+y2+z2+xy+yz+zx=1+εxyx^{2}+y^{2}+z^{2}+x y+y z+z x=1+\varepsilon x y при ε=0\varepsilon =0.

?
Задача VI.4.9

Пусть xnx_{n} — корень уравнения x=tg⁡xx=\operatorname {tg} x, лежащий в интервале (πn,πn+π\pi n, \pi n+\pi), n∈Nn \in \mathbb {N}. Докажите, что

?
(а)

xn=π(n+12)−1πn+O(1n2)x_{n}=\pi \left(n+\frac{1}{2}\right)-\frac{1}{\pi n}+O\left(\frac{1}{n^{2}}\right);

(б)

−1π(n+12)−1(πn)3<xn−π(n+12)<−1π(n+12)-\frac{1}{\pi \left(n+\frac{1}{2}\right)}-\frac{1}{(\pi n)^{3}}<x_{n}-\pi \left(n+\frac{1}{2}\right)<-\frac{1}{\pi \left(n+\frac{1}{2}\right)}.

Задача VI.4.10

Пусть xn=h(xn−1)x_{n}=h\left(x_{n-1}\right), где h(x)=x(1+axp)1/ph(x)=\frac{x}{\left(1+a x^{p}\right)^{1 / p}} при x⩾0(a,px \geqslant 0(a, p — положительные постоянные, n∈N,x0>0n \in \mathbb {N}, x_{0}>0). Докажите, что xn∼(an)−1/px_{n} \sim (a n)^{-1 / p}.

?
Задача VI.4.11

Пусть x0=10−3,xn=xn−1−xn−12(n∈N)x_{0}=10^{-3}, x_{n}=x_{n-1}-x_{n-1}^{2} \quad (n \in \mathbb {N}). Докажите, что x1000≈1210−3x_{1000} \approx \frac{1}{2} 10^{-3} с точностью 10−610^{-6}.

?
Задача VI.4.12

Найдите асимптотику рекуррентных последовательностей xn=f(xn−1)(n∈N,x0>0)x_{n}=f\left(x_{n-1}\right)\left(n \in \mathbb {N}, x_{0}>0\right) в следующих случаях:

?
(а)

f(x)=x(1−x),x0<1f(x)=x(1-x), x_{0}<1;

(б)

f(x)=sin⁡x,x0<πf(x)=\sin x, x_{0}<\pi;

(в)

f(x)=x1+x3f(x)=\frac{x}{1+x^{3}};

(г)

f(x)=arctg⁡xf(x)=\operatorname {arctg} x;

(д)

f(x)=ln⁡(1+x)f(x)=\ln (1+x);

(е)

f(x)=1−e−xf(x)=1-e^{-x};

(ж)

f(x)=x1+xf(x)=\frac{x}{1+\sqrt{x}};

(з)

f(x)=x1+x4f(x)=\frac{x}{\sqrt{1+x^{4}}}.

Задача VI.4.13

Пусть C,p,x0>0C, p, x_{0}>0 и xn=xn−1+Cxn−11−p(n∈N)x_{n}=x_{n-1}+C x_{n-1}^{1-p}(n \in \mathbb {N}). Докажите, что

?
(а)

xn∼(Cpn)1/px_{n} \sim (C p n)^{1 / p};

(б)

xn=(Cpn)1/p(1+p−12p2ln⁡nn+O(1n))x_{n}=(C p n)^{1 / p}\left(1+\frac{p-1}{2 p^{2}} \frac{\ln n}{n}+O\left(\frac{1}{n}\right)\right).

Задача VI.4.14

Постройте такую положительную на (0,+∞0,+\infty) функцию ff, что последовательность xn=f(xn−1)(n∈N,x0>0)x_{n}=f\left(x_{n-1}\right)\left(n \in \mathbb {N}, x_{0}>0\right) удовлетворяет соотношению xn∼1ln⁡nx_{n} \sim \frac{1}{\ln n}.

?
Задача VI.4.15

Найдите асимптотику рекуррентных последовательностей в следующих случаях (n∈N,x0>0n \in \mathbb {N}, x_{0}>0):

?
(а)

xn=xn−1+ln⁡(n+xn−12)x_{n}=x_{n-1}+\ln \left(n+x_{n-1}^{2}\right);

(б)

xn=xn−1+ln⁡nxn−12x_{n}=x_{n-1}+\frac{\ln n}{x_{n-1}^{2}}.

Задача VI.4.16

Пусть x0∈(−1,2),xn=xn−1(xn−1−1)(n∈N)\quad x_{0} \in (-1,2), \quad x_{n}=x_{n-1}\left(x_{n-1}-1\right) \quad (n \in \mathbb {N}). Найдите асимптотику последовательности {xn}\left\{ x_{n}\right\}.

?
Задача VI.4.17

Пусть x0=1,xn=xn−1+(∑0⩽k<nxk)−1(n∈N)x_{0}=1, x_{n}=x_{n-1}+\left(\sum_{0 \leqslant k<n} x_{k}\right)^{-1}(n \in \mathbb {N}). Докажите, что xn∼2ln⁡nx_{n} \sim \sqrt{2 \ln n}.

?
Задача VI.4.18

Пусть ∣p∣<1,x0=1,xn=xn−1+(∑0⩽k<nxk)−p(n∈N)\left|p\right|<1, x_{0}=1, x_{n}=x_{n-1}+\left(\sum_{0 \leqslant k<n} x_{k}\right)^{-p}(n \in \mathbb {N}). Найдите асимптотику последовательности {xn}\left\{ x_{n}\right\}.

?
Задача VI.4.19

Пусть p∈R,x0=1,xn=xn−1+(∑0⩽k<nxkp)−1(n∈N)p \in \mathbb {R}, x_{0}=1, x_{n}=x_{n-1}+\left(\sum_{0 \leqslant k<n} x_{k}^{p}\right)^{-1}(n \in \mathbb {N}). Найдите асимптотику последовательности {xn}\left\{ x_{n}\right\}.

?