要证明魏尔斯特拉斯函数处处连续但处处不可微,我们可以从以下步骤入手:
首先,魏尔斯特拉斯函数是一种构造的连续但不可微的函数,通常表示为:
\[ f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n \cos(b^n \pi x) \]
其中,\(0 < a < 1\),\(b\)是大于1的正整数。
1. 证明魏尔斯特拉斯函数处处连续:
- 函数的每一项都是连续的,因为余弦函数是连续的,且无穷级数的每一项都是连续的。
- 根据无穷级数的连续性定理,如果一个无穷级数的各项都是连续的,那么这个级数的和也是连续的。因此,魏尔斯特拉斯函数处处连续。
2. 证明魏尔斯特拉斯函数处处不可微:
- 考虑函数的导数:
\[ f'(x) = \sum_{n=0}^{\infty} -a^n b^n \pi \sin(b^n \pi x) \]
- 要证明函数不可微,我们需要证明至少存在一个点,使得该点的导数不存在。
- 考虑函数的任意一个周期点\(x_0 = \frac{b^n \pi}{2}\),则:
\[ f'(x_0) = -a^n b^n \pi \sin(b^n \pi \cdot \frac{b^n \pi}{2}) = -a^n b^{2n} \pi^2 \]
- 因为\(a < 1\)且\(b > 1\),所以\(a^n b^{2n} \pi^2 \neq 0\),即导数在周期点处不为零。
- 然而,由于魏尔斯特拉斯函数的导数是一个振荡无穷级数,它不可能在任意一点上连续,因此该函数处处不可微。
综上所述,魏尔斯特拉斯函数处处连续但处处不可微。
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