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迫敛性最好的练习题

本节分享一道我认为用来练习迫敛性的绝佳例题,非常经典,相信不少人都做过。本题的上界其实不难说明,关键是如何估计下界。

Example

设 \(f(x)>0\),在区间 \([0,1]\) 上连续,证明:

\[ \lim_{ n \to \infty } \sqrt[n]{ \sum_{i=1}^{n} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^{n} \frac{1}{n} } = \max_{0\leqslant x\leqslant 1}f(x) \]

我们把原式记为:

\[ A_n = \sqrt[n]{ \sum_{i=1}^{n} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^{n} \frac{1}{n} } \]

记 \(M = \max_\limits{0\leqslant x\leqslant 1}f(x)\)。因为 \(f(x)\) 在闭区间 \([0,1]\) 上连续且严格大于 0,由最大值最小值定理可知,\(M > 0\) 必在 \([0,1]\) 内的某点 \(x_0\) 处取到。

下面通过分别估计 \(A_n\) 的上界与下界来进行证明。

求上界(放缩法)

因为 \(M\) 是 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上的最大值,所以对任意 \(i \in \{1, 2, \dots, n\}\),都有:

\[ f\left( \frac{i}{n} \right) \leqslant M \]

代入和式中进行放大:

\[ \sum_{i=1}^{n} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^n \frac{1}{n} \leqslant \sum_{i=1}^{n} M^n \frac{1}{n} = M^n \cdot \frac{1}{n} \cdot n = M^n \]

两边同时开 \(n\) 次方根:

\[ A_n \leqslant \left( M^n \right)^{\frac{1}{n}} = M \]

因此,上极限满足:

\[ \limsup_{n \to \infty} A_n \leqslant M \]

求下界(连续性 + 局部放缩)

由 \(f(x)\) 在 \(x_0\) 处的连续性,对任意给定的充分小正数 \(\epsilon > 0\)(满足 \(M - \epsilon > 0\)),必定存在一个包含 \(x_0\) 的小邻域区间 \(I \subseteq [0,1]\)(设其长度为 \(\delta > 0\)),使得对任意 \(x \in I\),都有:

\[ f(x) \geqslant M - \epsilon \]

设在 \(n\) 等分点中,落在区间 \(I\) 内的节点 \(\dfrac{i}{n}\) 的个数为 \(k_n\)。

由于区间长度为 \(\delta\),当 \(n\) 足够大时,落在该区间内的等分点个数 \(k_n\) 满足:( 减去的 1 是左右端点未必正好落在网格点上,所以实际落在区间 \(I\) 内的节点数最多比理论值 \(n\delta\) 少 1 个 )

\[ k_n \geqslant n\delta - 1 \]

因为 \(f(x) > 0\),我们只保留和式中落在区间 \(I\) 内的项(其余项皆大于 0,直接舍去),进行缩小:

\[ \sum_{i=1}^{n} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^n \frac{1}{n} \geqslant \sum_{\frac{i}{n} \in I} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^n \frac{1}{n} \geqslant k_n \cdot (M - \epsilon)^n \cdot \frac{1}{n} \]

两边同时开 \(n\) 次方根:

\[ A_n \geqslant (M - \epsilon) \cdot \left( \frac{k_n}{n} \right)^{\frac{1}{n}} \]

当 \(n \to \infty\) 时,由于 \(\dfrac{k_n}{n} \to \delta > 0\),利用基本极限 \(\displaystyle \lim_{n\to\infty} c^{\frac{1}{n}} = 1\)(\(c>0\)),可知:

\[ \lim_{n \to \infty} \left( \frac{k_n}{n} \right)^{\frac{1}{n}} = 1 \]

对下界取下极限:

\[ \liminf_{n \to \infty} A_n \geqslant (M - \epsilon) \cdot 1 = M - \epsilon \]

由于 \(\epsilon > 0\) 是任意取定的,令 \(\epsilon \to 0^+\),得到:

\[ \liminf_{n \to \infty} A_n \geqslant M \]

结合上界与下界的推导结果:

\[ M \leqslant \liminf_{n \to \infty} A_n \leqslant \limsup_{n \to \infty} A_n \leqslant M \]

根据迫敛性,极限存在且严格等于 \(M\):

\[ \lim_{ n \to \infty } \sqrt[n]{ \sum_{i=1}^{n} \left[ f\left( \frac{i}{n} \right) \right]^{n} \frac{1}{n} } = \max_{0\leqslant x\leqslant 1}f(x) \]
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