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[函数] $\left(1-x^2\right)^n=1-x,\ x \in(0,1)$ 恰有一个解

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hbghlyj 发表于 2025-1-9 23:41 |阅读模式
设正整数 $n \geqslant 2$, 证明: 方程 $\left(1-x^2\right)^n=1-x,\ x \in(0,1)$ 恰有一个解

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 15:42

方程 $\left(1-x^2\right)^n=1-x,\ x \in(0,1)$ 的解总是大于$\frac1n$吗?

Table[ReplaceAll[x>1/n,FindRoot[(1-x^2)^n==1-x,{x,1/n}]],{n,2,10}]
{True, True, True, True, True, True, True, True, True}

问题化为:

设正整数 $n \geqslant 2$, 证明: 方程 $\left(1-x^2\right)^n=1-x,\ x \in(\frac1n,1)$ 恰有一个解


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kuing 发表于 2025-1-10 17:13
本帖最后由 kuing 于 2025-1-10 17:20 编辑 令 `f(x)=(1-x^2)^n+x-1`,显然 `f(0)=f(1)=0`,求导有 `f'(x)=-2nx(1-x^2)^{n-1}+1`,可知 `f'(1)=1>0`,则存在很小的正数 `\veps` 使 `f(1-\veps)<0`,又
\[f\left(\frac1n\right)=\left(1-\frac1{n^2}\right)^n+\frac1n-1>1-n\cdot\frac1{n^2}+\frac1n-1=0,\]
于是存在 `x_0\in(1/n,1-\veps)` 使得 `f(x_0)=0`。

现在已经知道 `f(x)` 在 `[0,1]` 有三个不同零点(两个在端点另一个在 `(1/n,1-\veps)` 内),假设还有第四个不同零点,那么 `f'(x)` 在 `(0,1)` 内就有三个不同零点,`f''(x)` 在 `(0,1)` 内就有两个不同零点,然而 `f''(x)=2n\bigl((2n-1)x^2-1\bigr)(1-x^2)^{n-2}` 显然在 `(0,1)` 内只有一个零点,所以 `f(x)` 在 `[0,1]` 不存在第四个零点。

综上,`f(x)` 在 `(1/n,1)` 内有且只有一个零点。

PS、上述证明表明“正整数 $n \geqslant 2$”可以改为“实数 $n>1$”。

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讚!Rolle中值定理的巧妙應用  发表于 2025-1-10 17:53

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战巡 发表于 2025-1-10 17:14
hbghlyj 发表于 2025-1-10 15:42
Table[ReplaceAll[x>1/n,FindRoot[(1-x^2)^n==1-x,{x,1/n}]],{n,2,10}]
{True, True, True, True, True, Tr ...

这有何难?

既然$0<x<1$,那么右边直接约掉了,变成
\[(1-x^2)^{n-1}(1+x)=1\]
左边求导
\[\frac{d}{dx}(1-x^2)^{n-1}(1+x)=(1-x^2)^{n-2}(1+x)(1+x-2nx)=0\]
\[x=\frac{1}{2n-1}<\frac{1}{n}\]
这个说明$(1-x^2)^{n-1}(1+x)$在$(\frac{1}{2n-1},1)$上递减

当$x=\frac{1}{n}$时
\[(1-\frac{1}{n^2})^{n-1}(1+\frac{1}{n})>(1-\frac{n-1}{n^2})(1+\frac{1}{n})=1+\frac{1}{n^3}>1\]
下略

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讚!比3樓@kuing的解法更簡短!  发表于 2025-1-10 17:52

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 17:35
渐近解为$$x=\frac{1}{n}+\frac{1}{2 n^2}+\frac{1}{12 n^3}-\frac{1}{8 n^4}-\frac{131}{720 n^5}+\dots$$
  1. AsymptoticSolve[n Log[1-x^2]==Log[1-x],x->0,{n,Infinity,5}]
复制代码

$\frac1n$后面的项是如何得到的呢

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 19:35
mathworld.wolfram.com/LagrangeInversionTheorem.html
The theorem can also be stated as follows. Let $y=f(x)$ and $y_0=f\left(x_0\right)$ where $f^{\prime}\left(x_0\right) \neq 0$, then
\[
x=x_0+\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\left(y-y_0\right)^k}{k!}\left\{\frac{d^{k-1}}{d x^{k-1}}\left[\frac{x-x_0}{f(x)-y_0}\right]^k\right\}_{x=x_0}
\]

取$f(x)=\frac1n=\log(1-x^2)/\log(1-x)$,在$x_0=0$的值$y_0=0$,用上式计算inverse series的系数:$$\frac1{k!}\left\{\frac{d^{k-1}}{d x^{k-1}}\left[\frac{x-x_0}{f(x)-y_0}\right]^k\right\}_{x=x_0}$$
  1. Table[Limit[D[(x/(Log[1-x^2]/Log[1-x]))^k,{x,k-1}]/k!,x->0],{k,1,5}]
复制代码
$\left\{1,\frac{1}{2},\frac{1}{12},-\frac{1}{8},-\frac{131}{720}\right\}$$$x=x_0+(y-y_0)+\frac{1}{2}(y-y_0)^2+\frac{1}{12}(y-y_0)^3-\frac{1}{8}(y-y_0)^4-\frac{131}{720}(y-y_0)^5+\dots$$
代入$x_0=y_0=0,y=\frac1n,$
$$x=\frac{1}{n}+\frac{1}{2 n^2}+\frac{1}{12 n^3}-\frac{1}{8 n^4}-\frac{131}{720 n^5}+\dots$$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 19:45
https://users.math.msu.edu/users/magyarp/math880/Lagrange.pdf

$\mathbf{Lagrange\,\, Inversion\,\, theorem}$: Let $f:A\rightarrow B$ be holomorphic in a neighbourhood of $z=0$, and suppose that $f(0)=0$ and $f'(0)\neq 0$ (this is for the Inversion function theorem). Let $C$ be the circle $\partial D(0,\epsilon)$, the circle centered at $0$ with $\epsilon$ radius. Now let $g:B\rightarrow A$ be the inverse function of $f$, such that $g(f(z))=z$. Then:

$$g(z)=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{c_n}{n!} z^n,\,\,\mathrm{where}\,\, c_n=\lim_{z\rightarrow 0}\frac{d^{n-1}}{dz^{n-1}}\left[\left(\frac{z}{f(z)}\right)^n\right].$$

$\mathbf{Proof}$: Considering $z$ lies inside $f(C)$, Cauchy integral formula gives: $$g(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint_{f(C)}\frac{g(\zeta)}{\zeta-z}\, d\zeta=\frac{1}{2\pi i}\oint_C \frac{uf'(u)}{f(u)-z}\, du$$

Now focus on the integrand: $$\frac{uf'(u)}{f(u)-z}=\frac{uf'(u)}{f(u)}\frac{1}{1-\frac{z}{f(u)}}=\frac{uf'(u)}{f(u)}\sum_{n\geq 0}\left(\frac{z}{f(u)}\right)^n, |z|<|f(u)|$$

Notice that the requirement $|z|<|f(u)|$ can be satisfied, since a circle $C$ can be found such that $f(u)\neq 0$. Since the function $f$ is holomorphic, there must be no non-isolated zeros. Thus we can set $\epsilon$ to be strictly less that the distance of $0$ and all the other zeros of $f(C)$

Putting it back in the integral:
$$g(z)=\frac{1}{2\pi i}\oint_C\frac{uf'(u)}{f(u)}\sum_{n\geq 0}\left(\frac{z}{f(u)}\right)^n\, du=\frac{1}{2\pi i}\sum_{n\geq 0}z^n \oint_C\frac{uf'(u)}{f(u)^{n+1}} du$$

The shape of the power series can already be seen: the coefficient is the contour integral right-hand-side divided by $2\pi i$. Doing integration by parts (differentiating $u$ and integrating $f'/f^{n+1}$):

$$\frac{1}{2\pi i}\sum_{n\geq 0}z^n \oint_C\frac{uf'(u)}{f(u)^{n+1}}\, du=\frac{1}{2\pi i}\sum_{n\geq 0}z^n \oint_C\frac{1}{n f(u)^n}\, du=\sum_{n\geq 0}b_n z^n$$

where$$b_n=\frac{1}{2\pi i} \oint_C\frac{1}{n f(u)^n}\, du$$ Using the residue theorem, $$b_n=\frac{1}{n}\mathrm{Res} \left(\frac1{f(u)^n},0\right)$$

Since $f(u)$ has no constant term, its power series would be like $$f(z)=a_1 z+a_2 z^2+a_3z^3...$$
$$\frac{1}{f(z)^n}=\frac{1}{z^n(a_1+a_2z+a_3z^2...)^n}$$ has a $n$-th order pole.

$$\mathrm{Res} \left(\frac1{f(u)^n},0\right)=\frac{1}{(n-1)!}\lim_{u\rightarrow 0}\frac{d^{n-1}}{dz^{n-1}}\frac{u^n}{f(u)^n}$$ Before putting it back to $b_n$, note that $b_0$ is zero because by assumption $f(0)=0$, and $g$ is the inverse of $f$ so $g(0)=g(f(0))=0$ $$b_n=\frac{1}{n!}\lim_{u\rightarrow 0}\frac{d^{n-1}}{dz^{n-1}}\frac{u^n}{f(u)^n}$$ Finally putting $b_n$ back into $g(z)$, $$g(z)=\sum_{n\geq 0}b_n z^n=\sum_{n\geq 1}\frac{z^n}{n!}\lim_{u\rightarrow 0}\frac{d^{n-1}}{dz^{n-1}}\frac{u^n}{f(u)^n}$$

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 20:11
$\lim _{x \rightarrow 1^-} \frac{\log (1-x)}{\log \left(1-x^2\right)}=1$,所以当$x\to1^-$时$\frac1n\to1$.

用Lagrange Inversion Theorem得到的级数$x=\frac{1}{n}+\frac{1}{2 n^2}+\frac{1}{12 n^3}-\frac{1}{8 n^4}-\frac{131}{720 n^5}+\dots$
在$n=1$处,发散还是收敛到1呢


取1,...50项的部分和
  1. ListPlot[Table[N[InverseSeries[Series[Log[1-x]/Log[1-x^2],{x,0,n}]]/.x->1],{n,50}]]
复制代码

.png 是发散还是收敛到1?

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 楼主| hbghlyj 发表于 2025-1-10 20:13
一般地,
若方程有多个解,在0处用Lagrange Inversion Theorem得到的级数是否必收敛到距离0最近的解?

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GMT+8, 2025-3-4 13:11

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