数学分析反例合集

微积分,作为数学分析的基石,是牛顿用直觉发明出来的。但是数学分析这门学科,却有着许多反直觉的地方。此处罗列的本人学数学分析时见到的若干反例。

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  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 R\mathbb R 上处处不连续。

    f(x)={1x∈Q0x∈R\Qf(x)= \begin{cases} 1 & x\in \mathbb Q \\ 0 & x\in \mathbb R \backslash \mathbb Q \end{cases}

    上述函数即是的 Dirichlet(狄利克雷)函数,通常记作 D(x)D(x)。

  • 存在这样的函数 f(x)f(x) 及其定义域内的一点 x0x_0,满足以下条件:

    1. f(x)f(x) 只在 x=x0x=x_0 处连续。

    f(x)=xD(x)x0=0f(x)=xD(x)\\ x_0=0

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在定义域上一致连续;
    2. 但不满足 Lipschitz 条件,即不存在常数 0<k<10<k<1,使得对任意在定义域中的 x,yx,y,均有 ∣f(x)−f(y)∣≤k∣x−y∣|f(x)-f(y)|\le k|x-y|。

    f(x)=xf(x)=\sqrt{x}

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 R\mathbb R 上连续;
    2. 对任意在定义域中的 x,yx,y,均有 ∣f(x)−f(y)∣<∣x−y∣|f(x)-f(y)|<|x-y|;
    3. 但方程 f(x)=xf(x)=x 无实数解。

    f(x)=ln⁡(e⁡x+1)f(x)=\ln(\operatorname{e}^x+1)

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 R\mathbb R 上连续且有界;
    2. 但不一致连续。

    f(x)=sin⁡x2f(x)=\sin x^2

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 [0,+∞)[0,+\infty) 上连续;
    2. 对任意的 x∈[0,1)x\in[0,1),都有 lim⁡n→∞f(x+n)=0\lim\limits_{n\to\infty}{f(x+n)}=0;
    3. 但是 lim⁡x→+∞f(x)≠0\lim\limits_{x\to+\infty}{f(x)}\ne0。

    f(x)={2⌈x⌉(⌈x⌉+1)(x−⌊x⌋−1⌈x⌉+1)⌊x⌋+1⌈x⌉+1≤x≤⌊x⌋+2⌈x⌉+12⌈x⌉(⌈x⌉+1)−2⌈x⌉(⌈x⌉+1)(x−⌊x⌋−1⌈x⌉)⌊x⌋+2⌈x⌉+12⌈x⌉(⌈x⌉+1)<x≤⌊x⌋+1⌈x⌉0otherwisef(x)= \begin{cases} 2\lceil x\rceil(\lceil x\rceil +1)\left(x-\lfloor x\rfloor -\dfrac 1{\lceil x\rceil+1}\right) & \lfloor x\rfloor+\dfrac 1{\lceil x\rceil+1}\le x\le \lfloor x\rfloor + \dfrac{2\lceil x\rceil+1}{2\lceil x\rceil(\lceil x\rceil +1)} \\ -2\lceil x\rceil(\lceil x\rceil +1)\left(x-\lfloor x\rfloor -\dfrac 1{\lceil x\rceil}\right) & \lfloor x\rfloor+\dfrac{2\lceil x\rceil+1}{2\lceil x\rceil(\lceil x\rceil +1)}<x\le \lfloor x\rfloor + \dfrac 1{\lceil x\rceil} \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 (0,+∞)(0,+\infty) 上连续;
    2. 对于任意 x>0x>0,都有 f(x)=f(2x)f(x)=f(2x);
    3. 但是在 00 处的极限不存在。

    f(x)=sin⁡(2πlog⁡2x)f(x)=\sin(2\pi\log_2{x})

    • 类似地可以构造将 f(x)=f(2x)f(x)=f(2x) 条件改成 f(x)=f(x2)f(x)=f(x^2) 的函数:

      f(x)=sin⁡(2πlog⁡2∣ln⁡x∣)f(x)=\sin(2\pi\log_2{|\ln x|})

  • 存在这样的函数 f(x)f(x) 与其定义域内一点 x0x_0,满足以下条件:

    1. f(x)f(x) 在 R\mathbb R 上可导;
    2. 但在 x=x0x=x_0 处导函数不连续。

    f(x)={x2sin⁡1xx≠00x=0x0=0f(x)= \begin{cases} x^2\sin{\dfrac 1x} & x\ne 0 \\ 0 & x=0 \end{cases} \\ x_0=0

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. 在 R\mathbb R 上处处连续;
    2. 但在 R\mathbb R 上处处不可导。

    f(x)=∑n=0∞ancos⁡(bnπx)其中 a<1,b=2k+1 (k∈Z) 且 ab>1+3π2f(x)=\sum_{n=0}^\infty{a^n\cos(b^n\pi x)} \\ \text{其中 }a<1,b=2k+1\,(k\in \mathbb Z)\text{ 且 }ab>1+\frac{3\pi}2

    上述函数即是著名的 Weierstras(魏尔斯特拉斯)级数,通常记作 W(x)W(x)。

  • 存在这样的函数 f(x)f(x) 与其定义域内一点 x0x_0,满足以下条件:

    1. 在 R\mathbb R 上处处连续;
    2. 但只在 x=x0x=x_0 处可导。

    f(x)=xW(x)x0=0f(x)=xW(x) \\ x_0=0\\

  • 存在这样的函数 f(x)f(x) 与其定义域内一点 x0x_0,满足以下条件:

    1. x=x0x=x_0 为 f(x)f(x) 的极值点;
    2. f(x)f(x) 在 x0x_0 附近可导,即存在一个 t>0t>0,使得 f(x)f(x) 在 (x−t,x+t)(x-t,x+t) 上可导;
    3. 但不存在任何一个 x0x_0 的邻域,左右单调性相反,即不存在 0<δ<t0<\delta<t,使得 (x0−δ,x0)(x_0-\delta,x_0) 与 (x0,x0+δ)(x_0,x_0+\delta) 单调性相反。

    f(x)={x2sin⁡1x+x2x≠00x=0x0=0f(x)= \begin{cases} x^2\sin{\dfrac 1x}+x^2 & x\ne 0 \\ 0 & x=0 \end{cases} \\ x_0=0

  • 中值定理逆命题不成立:设 ξ∈(a,b)\xi\in (a,b) 是指定的一点,不一定存在 c,d∈[a,b]c,d\in[a,b],使得 f(c)−f(d)=(c−d)f′(ξ)f(c)-f(d)=(c-d)f'(\xi) 成立:

    f(x)=x3ξ=0f(x)=x^3\\ \xi=0

  • 存在这样的函数 f(x)f(x) 与其定义域内一点 x0x_0,满足以下条件:

    1. f(x)f(x) 在 x=x0x=x_0 处可导;
    2. 但不存在 x0x_0 的一个领域,f(x)f(x) 在领域上连续,即不存在 δ>0\delta>0,使得 f(x)f(x) 在 (x0−δ,x0+δ)(x_0-\delta,x_0+\delta) 上连续。

    f(x)=x2D(x)x0=0f(x)=x^2D(x) \\ x_0=0

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. f(x)f(x) 在 R\mathbb R 上的任一点无穷阶可导;
    2. 但 f(x)f(x) 处处不解析,即在任意一点的泰勒展开式余项不收敛。

    f(x)=∑n=1∞2−2nexp⁡(−1sin⁡2(2nx))f(x)=\sum_{n=1}^\infty {2^{-2^n}\exp\left(\dfrac{-1}{\sin^2(2^nx)} \right)}

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足以下条件:

    1. f(x)f(x) 在 R\mathbb R 上连续,且为周期函数;
    2. 但 f(x)f(x) 的任意一个原函数都不是周期函数。

    f(x)=∣sin⁡x∣f(x)=|\sin x|

  • 存在这样的两个函数 f(x),g(x)f(x),g(x) 与一个实数 ll,满足以下条件:

    1. f(x),g(x)f(x),g(x) 均在 R\mathbb R 上可导;
    2. lim⁡x→+∞f(x)=lim⁡x→+∞g(x)=∞\lim\limits_{x\to +\infty}{f(x)}=\lim\limits_{x\to +\infty}{g(x)}=\infty;
    3. lim⁡x→+∞f′(x)g′(x)=l\lim\limits_{x\to +\infty}{\dfrac{f'(x)}{g'(x)}}=l;
    4. 但 lim⁡x→+∞f(x)g(x)\lim\limits_{x\to +\infty}{\dfrac{f(x)}{g(x)}} 不存在。

    f(x)=x+sin⁡xcos⁡xg(x)=e⁡sin⁡x(x+sin⁡xcos⁡x)l=0f(x)=x+\sin x\cos x\\ g(x)=\operatorname{e}^{\sin x}(x+\sin x\cos x)\\ l=0

  • 存在这样的集合 SS,满足以下条件:

    1. SS 连通;
    2. 但 SS 不道路连通。

    S={(x,sin⁡1x)∣x≠0}∪{(0,y)}⊂R2S=\{(x,\sin \frac 1x) \mid x\ne 0 \} \cup \{(0,y) \} \subset \mathbb R^2

  • 存在这样的集合 S⊂R2S\subset \mathbb R^2,满足以下条件:

    1. SS 为闭集;
    2. 但是对于映射 f(x,y)=xf(x,y)=x(即往 xx 轴的投影映射),f(S)f(S)(即函数 ff 在 SS 上的值域)不是闭集。

    S={(x,y)∣y=tan⁡x (−π/2<x<π/2)}S=\{(x,y)\mid y=\tan x\,(-\pi/2< x<\pi/2) \}

  • 存在这样的集合 S⊂R2S\subset \mathbb R^2,满足以下条件:

    1. SS 为道路连通的闭集;
    2. 但是 SS 不是闭区域。

    S={(x,y)∣(x−1)2+y2≤1}∪{(x,y)∣(x+1)2+y2≤1}S=\{(x,y)\mid (x-1)^2+y^2\le 1\}\cup \{(x,y)\mid (x+1)^2+y^2\le 1\}

  • 存在这样的二元函数 f(x,y)f(x,y) 及其定义域内的一点 (x0,y0)(x_0,y_0),满足以下条件:

    1. 对于任何 y0y_0,只要固定 y=y0y=y_0,则 f(x,y)f(x,y) 关于 xx 是连续的;
    2. 对于任何 x0x_0,只要固定 x=x0x=x_0,则 f(x,y)f(x,y) 关于 yy 是连续的;
    3. 但是 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处不连续。

    f(x,y)={2xyx2+y2x2+y2>00x2+y2=0(x0,y0)=(0,0)f(x,y)= \begin{cases} \dfrac{2xy}{x^2+y^2} & x^2+y^2>0\\ 0 & x^2+y^2=0 \end{cases}\\ (x_0,y_0)=(0,0)

  • 存在这样的二元函数 f(x,y)f(x,y) 及其定义域内的一点 (x0,y0)(x_0,y_0),满足以下条件:

    1. 在 (x0,y0)(x_0,y_0) 这一点连续;
    2. 且在这一点 x,yx,y 方向的偏导数均存在;
    3. 但是在这一点不可微。

    f(x,y)={x2yx2+y2x2+y2≠00x2+y2=0(x0,y0)=(0,0)f(x,y)= \begin{cases} \dfrac{x^2y}{x^2+y^2} & x^2+y^2\ne 0\\ 0 & x^2+y^2=0 \end{cases}\\ (x_0,y_0)=(0,0)

  • 存在这样的二元函数 f(x,y)f(x,y) 及其定义域内的一点 (x0,y0)(x_0,y_0),满足以下条件:

    1. 在 (x0,y0)(x_0,y_0) 这一点连续;
    2. 且在这一点 x,yx,y 方向的偏导数均存在;
    3. 但是在这一点两个方向的偏导数均不连续;
    4. 可却在这一点可微。

    f(x,y)={(x2+y2)sin⁡1x2+y2x2+y2≠00x2+y2=0(x0,y0)=(0,0)f(x,y)= \begin{cases} (x^2+y^2)\sin \dfrac{1}{\sqrt{x^2+y^2}} & x^2+y^2\ne 0\\ 0 & x^2+y^2=0 \end{cases}\\ (x_0,y_0)=(0,0)

  • 隐函数定理的逆定理不成立其一:存在这样的二元函数 F(x,y)F(x,y) 及其定义域内的一点 (x0,y0)(x_0,y_0),还有一个一元函数 φ(x)\varphi(x),满足以下条件:

    1. F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0;
    2. 且在这一点附近存在隐函数 y=φ(x)y=\varphi(x);
    3. 但是在这一点不可微。

    F(x,y)=∣y−e⁡x∣φ(x)=e⁡x(x0,y0)∈{(x,y)∣y=e⁡x}F(x,y)=|y-\operatorname{e}^x|\\ \varphi(x)=\operatorname{e}^x\\ (x_0,y_0)\in \{(x,y)\mid y=\operatorname{e}^x \}

  • 隐函数定理的逆定理不成立其二:存在这样的二元函数 F(x,y)F(x,y) 及其定义域内的一点 (x0,y0)(x_0,y_0),还有一个一元函数 φ(x)\varphi(x),满足以下条件:

    1. F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0;
    2. 且在这一点附近存在隐函数 y=φ(x)y=\varphi(x);
    3. 但在这一点有各个偏导数均存在且均为零,即 ∂F∂x=∂F∂y=0\dfrac{\partial F}{\partial x}=\dfrac{\partial F}{\partial y}=0。

    F(x,y)=(x−y)2φ(x)=x(x0,y0)=(0,0)F(x,y)=(x-y)^2\\ \varphi(x)=x\\ (x_0,y_0)=(0,0)

  • [0,1][0,1] 到 [0,1]2[0,1]^2 之间「存在」连续双射的伪证:一个映射 f:[0,1]↦[0,1]2f:[0,1]\mapsto [0,1]^2,满足如下条件:

    1. f(0)=(0,0)f(0)=(0,0);
    2. f(1)=(1,1)f(1)=(1,1);
    3. ∀0<x<1\forall 0<x<1,设 xx 在十进制下的表示为 x=0.a1b1a2b2…‾x=0.\overline{a_1b_1a_2b_2\ldots},则 f(x)=(0.a1a2…‾,0.b1b2…‾)f(x)=(0.\overline{a_1a_2\ldots},0.\overline{b_1b_2\ldots})。

    由如上表示易知 ff 为双射,但是存在 [0,1][0,1] 中的一个收敛数列 {cn}\{c_n\},满足如下条件:

    1. f(lim⁡n→∞cn)≠lim⁡n→∞f(cn)f\left(\lim\limits_{n\to\infty} c_n\right)\ne \lim\limits_{n\to \infty}f(c_n),即 ff 在 x=lim⁡n→∞cnx=\lim\limits_{n\to\infty}c_n 这一点不连续。

    cn=0.1−10−nf(lim⁡n→∞cn)=(0.1,0)lim⁡n→∞f(cn)=(0.1,0.1)c_n=0.1-10^{-n}\\ f\left(\lim\limits_{n\to\infty} c_n\right)=(0.1,0)\\ \lim\limits_{n\to \infty}f(c_n)=(0.1,0.1)

  • 存在这样的点集 D⊂R2D\subset \mathbb R^2,满足以下条件:

    1. 它是有界的,即存在实数 a,b,c,da,b,c,d,满足 a≤b,c≤da\le b,c\le d,使得 D⊂[a,b]×[c,d]D\subset [a,b]\times [c,d];
    2. 但是它 Jordan 不可测。

    D={(x,y)∣x,y∈R\Q}D=\{(x,y)\mid x,y\in \mathbb R\backslash \mathbb Q\}

  • 存在这样的函数 f(x),g(x)f(x),g(x),满足如下条件:

    1. f(x)f(x) 在 [0,+∞)[0,+\infty) 的任意有限区间上黎曼可积;
    2. 且反常积分 ∫0+∞f(x)dx\int_0^{+\infty} f(x)\mathrm d x 绝对收敛;
    3. 并且有 lim⁡x→+∞g(x)=0\lim\limits_{x\to +\infty} g(x)=0。
    4. 但是 lim⁡x→+∞∫0xf(t)g(x−t)dx≠0\lim\limits_{x\to +\infty}\int_0^x f(t)g(x-t)\mathrm d x\ne 0。

    f(x)=1x2+1g(x)=1xf(x)=\dfrac 1{x^2+1} \\ g(x)=\dfrac 1x

    实际上如果加上 g(x)g(x) 在 [0,+∞)[0,+\infty) 有界这一条件即可将 44 中的不等号改为等号。

  • 存在这样的函数 f(x)f(x),满足如下条件:

    1. f(x)f(x) 在 R\mathbb R 上连续;
    2. 且存在一个 h>0h>0,使得对于任何的 x∈Rx\in \mathbb R 都有:

      ∫x−hx+hf(u)du=2hf(x)\int_{x-h}^{x+h}f(u)\mathrm d u=2hf(x)

    3. 但是 f(x)f(x) 并不是正比例函数。

    f(x)=eaxcos⁡(bx)f(x)=\text{e}^{ax}\cos(bx)

    其中 a+bia+b\text{i} 是方程 sinh⁡(z)=z\sinh(z)=z 的一个非零复数解。

    这个解一定存在:

    sinhz=z

    为什么这个是反例:取 h=1h=1,并令 z=a+biz=a+b\text i 得:

    ∫x−1x+1f(u)du=1z(e(x+1)z−e(x−1)z)=exzz(ez−e−z)=2exzzsinh⁡(z)=2exz=2f(x)\int_{x-1}^{x+1}f(u)\mathrm d u=\dfrac 1z\left(\text{e}^{(x+1)z}-\text{e}^{(x-1)z}\right) \\ =\dfrac{\text e^{xz}}z(\text{e}^z-\text e^{-z})=\dfrac {2\text e^{xz}}z\sinh(z)=2\text e^{xz}=2f(x)