Eufisky - The lost book

关于中科院数学系统院考研事宜(续)

作为跨考过来的一员,也在中科院数学系统院这边呆了一段时间,借着硕转博考试前的一些闲暇时间,再写一篇考研鸡汤。

首先是你得选好报考单位,中国科学院大学(简称国科大)这边有三个数学的机构,包括中国科学院数学与系统科学研究院(也就是我所说的中科院数学系统院,在中关村校区),中国科学院大学数学科学学院(指本部,在玉泉路校区),中科院武汉物理与数学研究所(显然在武汉),关于这几个机构有啥研究方向和导师名单,请有心人自行百度官网查询。另外,这几个机构的数学学生研一都在雁栖湖校区(基础数学研一都在玉泉路校区)进行集中教学,研二才回各自的研究所。

下面我具体介绍下数学系统院这边的情况,这边有四个研究所,分别为数学研究所(数学所),应用数学研究所(应用所),计算数学研究所(计算所),系统科学研究所(系统所)。我就在这个系统所,此所很迷,包括了我们实验室的系统理论和控制论方向,也有统计学,计算机科学,管理科学,金融学等方向。除此之外,吴文俊老先生的数学机械化中心也在我们所,没想到吧,关于这个所,我了解的是他们得学很多代数课程,所以一般也归到基础数学的行列。

如果你很希望加入我们院,成为Xionger的师弟师妹。请大家把握住下面几次机会。第一次,便是数学夏令营,一般在7月底放暑假前的几天吧,这个数学系统院官网会贴通知进行报名。夏令营期间有竞赛考试选拔出前几名,考试内容为数分高代,我微信公众号有这几年的真题。考试没通过的同学会让你进行招生考试或者考研。

第二次,数学系统院会派一些老师去部分985高校进行招生考试,比如说东南大学,厦门大学,中山大学,吉林大学,北京科技大学等等。这个招生考试一般来说是数院院长,副院长那边通知的吧,不会挂到网上,所以如果你是别的学校的,请尽早打探好情报,并问清楚你是否也能参加考试。笔试完还有面试,中科院的面试相对而言还是比较轻松,这边的老师普遍和蔼可亲,以人为本。希望同学们尽可能实事求是,充分发挥出自己的真实水平。

最后一次机会便是考研,虽然说考数分高代,但是高代题稍微难点,数分还可以。由于报考人数多,考研相对而言难度大点,这对跨专业考研的同学来说是福音。另外我也推荐跨考的同学,尽可能报考系统所的有关方向,这是经验也是真相。系统所相对而言比较欢迎跨考的学生,在这里也不是水数学,很多方向研究起来都得用大量的数学,甚至是一些前沿而热门的工具,希望大家不要有所偏见。比如我们控制论方向的,可以参考郭雷老师写的书《控制理论导论》。另外,这边的管理科学,统计学,应用统计,金融学貌似也用大量数学知识,希望经管专业的同学读研前有所准备。

如果你铁了心读基础数学,做黎曼猜测,那中科院是一个很好的选择。请你务必好好学习基础课程,打好数学功底,尽量拿到保研名额,参加各类数学竞赛提高软实力。重要的事情说三遍,尽量保研,保研,保研!

最后说一句,我之所以这么古道热肠,也是因为经历过一些难得的经历,希望大家好好珍惜。情报再多,也比不了你自己去实践,也比不上你的真才实学。但行好事,莫问前程;你若盛开,清风自来!祝好!

 

记国科大一些给力的老师们.

张三国老师在高等数理统计课上说:好,已经走了48个人,我们的目标是再走48个人。同学们戏称为:被三国作业支配的恐惧,三国杀,不是英雄,不读三国。

 

 

杂题

设函数$~f(x)$ 在$~[a,b]$ 上连续,但不为常数.求证:$~\exists \xi\in(a,b)$,使$~f(x)$ 在$~\xi$ 不取极值.

注意到 $f$ 不是常数函数, 并且 $f\in C[a,b],$ 所以 $f$ 的值域 $R$ 是一个有限闭区间. 

先将 $f$ 开拓定义到整个 $\mathbf R$ 上: 对 $x\leq a,$ 让 $f(x)=f(a);$ 对 $x\geq b,$ 让 $f(x)=f(b).$ 让 $$C=\{f(x);\ \hbox{$x$ 是 $f$ 在 $\mathbf R$ 中的极小值点}\},$$ 下面来证明 $C$ 是一个至多可列集. 

任给 $c\in C,$ 存在 $x\in\mathbf R$ 以及 $u_x,v_x\in\mathbf Q,$ 使得 $$u_x<x<v_x,\ f(y)\geq f(x)=c,\ \forall y\in(u_x,v_x).$$这样就得到了一个从 $C$ 到 $\mathbf Q\times\mathbf Q$ 的单射 $c\mapsto(u_x,v_x)$, 故 $C$ 是至多可列集.

类似可证 $f$ 极大值的全体也是至多可列集. 从而 $f$ 的极值的全体是 $R$ 的至多可列子集. 这就完成了证明. 

含奇点的第二型曲面积分计算

谢惠民下册上的一道题:求

$$I=\iint_{\Sigma}{\left( x^3+\frac{1}{x} \right) dydz+\left( y^2-xz \right) dzdx+\left( z^3+\frac{z}{x^2} \right) dxdy},$$其中$\Sigma$是球面$x^2+y^2+z^2=2z$,取外侧.

解.注意到球面上的圆$x=0,y^2+z^2=2z$是上述积分的奇点,我们考察两半球$\Sigma_1:(x-\varepsilon)^2+y^2+(z-1)^2=1,x\geq\varepsilon$和$\Sigma_2:(x+\varepsilon)^2+y^2+(z-1)^2=1,x\leq -\varepsilon$, 其中$\varepsilon$为足够小的正数.并记$\Gamma_1$为圆盘$x=\varepsilon,y^2+(z-1)^2=1$,而$\Gamma_2$为圆盘$x=-\varepsilon,y^2+(z-1)^2=1$.

利用球的极坐标方程

\[x=\varepsilon+r\sin \varphi \cos \theta ,y=r\sin \varphi \sin \theta ,z=r\cos \varphi +1,\quad 0\leq \varphi\leq \pi,-\pi/2\leq\theta\leq \pi/2,0\leq r\leq 1\]

以及

\[x=-\varepsilon+r\sin \varphi \cos \theta ,y=r\sin \varphi \sin \theta ,z=r\cos \varphi +1,\quad 0\leq \varphi\leq \pi,\pi/2\leq\theta\leq 3\pi/2,0\leq r\leq 1\]

由Gauss公式可知

\begin{align*}I_{11}&=\iiint_{D_1}{\left( 3x^2+2y+3z^2 \right) dxdydz}\\&=\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}{d\theta \int_0^{\pi}{d\varphi \int_0^1{\left[ 3\left( \varepsilon +r\sin \varphi \cos \theta \right) ^2+2r\sin \varphi \sin \theta +3\left( r\cos \varphi +1 \right) ^2 \right] r^2\sin \varphi dr}}}\\&=2\left( \varepsilon ^2+1 \right) \pi +\frac{3\pi}{2}\varepsilon +\frac{4\pi}{5}.\end{align*}
\begin{align*}I_{12}&=\iint_{\Gamma _1}{\left( x^3+\frac{1}{x} \right) dydz+\left( y^2-xz \right) dzdx+\left( z^3+\frac{z}{x^2} \right) dxdy}\\&=\iint_{\Gamma _1}{\left( \varepsilon ^3+\frac{1}{\varepsilon} \right) dydz}=\left( \varepsilon ^3+\frac{1}{\varepsilon} \right) \pi .\end{align*}
\begin{align*}I_{21}&=\iiint_{D_2}{\left( 3x^2+2y+3z^2 \right) dxdydz}\\&=\int_{\frac{\pi}{2}}^{\frac{3\pi}{2}}{d\theta \int_0^{\pi}{d\varphi \int_0^1{\left[ 3\left( -\varepsilon +r\sin \varphi \cos \theta \right) ^2+2r\sin \varphi \sin \theta +3\left( r\cos \varphi +1 \right) ^2 \right] r^2\sin \varphi dr}}}\\&=2\left( \varepsilon ^2+1 \right) \pi +\frac{3\pi}{2}\varepsilon +\frac{4\pi}{5}\end{align*}
\begin{align*}I_{22}&=\iint_{\Gamma _2}{\left( x^3+\frac{1}{x} \right) dydz+\left( y^2-xz \right) dzdx+\left( z^3+\frac{z}{x^2} \right) dxdy}\\&=\iint_{\Gamma _2}{\left( -\varepsilon ^3-\frac{1}{\varepsilon} \right) dydz}=-\left( \varepsilon ^3+\frac{1}{\varepsilon} \right) \pi.\end{align*}
因此$$I‘=I_{11}+I_{21}-I_{12}-I_{22}=4\left( \varepsilon ^2+1 \right) \pi +3\pi \varepsilon +\frac{8\pi}{5}\rightarrow \frac{28}{5}\pi,$$即$I=\frac{28}{5}\pi$.
设$J$为关于$x\left( t \right) $和$t$的连续函数,满足
$$\frac{\partial J}{\partial t}=\frac{1}{4}\left( \frac{\partial J}{\partial x} \right) ^2-x^2-\frac{1}{2}x^4,\qquad \text{其中}J\left[ x\left( 1 \right) ,1 \right] =0$$
求$J\left[ x\left( t \right) ,t \right]$.
 
关于 I will not change, no matter how U change … 
笙歌姐,这句话何解?
 
文科生:“不论你怎么移情别恋,我是不会变心的”理科生:“电流不随电压的变化而变化。”

I am here,because U are here.

$$IR\cdot \frac{\varepsilon S}{4\pi kd}\cdot \lim_{n\rightarrow \infty}\frac{\prod_{k=1}^n{k^k}}{n^{n^2/2+n/2+1/12}e^{-n^2/4}}\cdot k\ln W$$
Glaisher-Kinkelin constant

中国科学技术大学第七届大学生数学夏令营试题

中国科大第七届大学生数学夏令营

数学分析试卷

考生姓名                所在学校                得分              

一、(15分)

1.试用$\varepsilon-\delta$语言证明: $\displaystyle\lim_{x\to 0}x\sin\frac1{x^2}=0$;

2.设函数

\[f(x,y)=\begin{cases}(x^2+y^2)\sin\frac1{x^2+y^2},&(x,y)\neq (0,0);\\0,&(x,y)= (0,0).\end{cases}\]

试求$f'_x(0,0)$和$f'_y(0,0)$.

二、(30分)

1.求函数$f(x)=x^2e^x$的$10$阶导数$f^{(10)}(x)$;

2.将函数$f(x)=\ln (1+\sin x)$在$x=0$处Taylor展开到$3$阶,带Peano余项;

3.求$\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{dx}{1+x^2}$;

4.求$\displaystyle\int e^x\cos x\,dx$.

三、(30分)

1.求平面曲线$\displaystyle x^{\frac23}+y^{\frac23}=1$的长度;

2.设$a,b>0$,求平面曲线段$\displaystyle\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=1\, (a\leq x\leq a+b)$绕$x$轴旋转所得旋转体的体积;

3.求$\displaystyle\int_\Sigma x^3d\sigma$,其中$\Sigma$是球面$x^2+y^2+z^2=R^2,R>0$, $d\sigma$是曲面的面积元;

4.设$\mathbb{R}^3$中曲线$\Gamma$是曲面$f(x,y,z)=0$和曲面$g(x,y,z)=0$的交线,且变量$x$可以作为它的一个参数,求曲线$\Gamma$的切向量.

四、(15分)

1.设函数$f(x)=\arcsin (\cos x)$,将$f(x)$在$[-\pi,\pi]$上展开成Fourier级数,并讨论此Fourier级数的收敛性;

2.求向量场$\vec{V}=\frac{(x,y,z)}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}}$在曲面$S$上的第二型曲面积分,这里设曲面$\displaystyle S:\left\{\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1\right\}$,正向为外法向.

五、(15分)

设$(a,b)$是有界开区间, $f(x)$是定义在$(a,b)$上的一致连续函数.证明$f(a^+)$和$f(b^-)$存在有限;并举例说明当$b=+\infty$时上述结论不成立.

六、(15分)

设定义在有界闭区间$[a,b]$上的函数$f(x)$满足$f''(x)>0$,且$f(a)>0,f(b)<0$.

1、证明存在唯一的$c\in (a,b),f(c)=0$;

2、设$x_0\in (a,b),f(x_0)>0$,定义数列$\displaystyle x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}(n=0,1,2,\ldots)$.证明$\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=c$.

七、(15分)

设$f(x)$是闭区间$[0,1]$上的Riemann可积函数, $\lambda>0$是定数.定义$D_\lambda (f)=\{x\in [0,1] |\,\omega_f(x)\geq\lambda\}$,其中$\omega_f(x)$为函数$f$在点$x$的振幅.证明:对任意$\varepsilon>0$,存在有限个开区间$I_1,I_2.\ldots,I_m$满足

(1) $\displaystyle D_\lambda (f)\subset \bigcup_{k=1}^m I_k$;

(2) $\displaystyle \sum_{k=1}^m |I_k|<\varepsilon$,这里$|I_k|$是区间$I_k$的长度.

八、(15分)

设平面区域$D=\left\{(x,y)|\, x^2+y^2\leq 1\right\}$,函数$f(x,y)\in C^3(D)$且$f(0,0)=0$.

1.试证明:存在$\phi (x,y),\psi (x,y)\in C^2 (D)$满足

\[f(x,y)=x\phi (x,y)+y\psi (x,y);\]

2.若$\nabla f(0,0)=0$,试证明:存在$a(x,y),b(x,y),c(x,y)\in C^1(D)$满足\[f(x,y)=x^2a (x,y)+2xyb(x,y)+y^2 c(x,y);\]

3.设$\nabla f(0,0)=0$且$f(x,y)$的Hessian矩阵在$(0,0)$点正定.试证明:在原点附近存在参数变换$(u,v)\to (x,y)=\Phi (u,v),\Phi (0,0)=(0,0)$,使得\[f(u,v)=f\circ \Phi (u,v)=u^2+v^2.\]

中国科学技术大学2017大学生数学夏令营

线性代数与解析几何

说明:考试时间180分钟,试卷满分150.

一、填空题(每空5分,共40分,结果须化简)

1.设四面体$ABCD$的四个顶点坐标分别为$A(1,2,3),B(-1,0,2),C(2,4,5),D(0,-3,4)$,则$ABCD$的体积为        .

2.椭圆$x^2-xy+y^2-x=1$长半轴的长度为        .

3.直线$l:x-1=y=z$绕$z$轴旋转所得旋转面的方程为        .

4.设$\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$是三次方程$x^3+2x^2+4x-1=0$的三个根,则行列式$\left| \begin{matrix}\alpha _1& \alpha _2& \alpha _3\\\alpha _2& \alpha _3& \alpha _1\\\alpha _3& \alpha _1& \alpha_2\\\end{matrix} \right|=$        .

5.设矩阵$A=\left( \begin{matrix}1& \sqrt{3}\\-\sqrt{3}&1\\\end{matrix} \right)$,则$A^{2017}=$        .

6.设$\mathbb{R}^4$中向量组$\alpha_1=(1,2,-1,2),\alpha_2=(a,-4,1,0),\alpha_3=(2,-1,0,1)$的秩为$2$,则$a=$        .

7.设$\mathbb{R}^3$中线性变换$\mathcal{A}$将向量$\alpha_1=(1,2,3),\alpha_2=(0,1,1),\alpha_3=(0,0,1)$分别映射为向量$\beta_1=(-1,1,6),\beta_2=(-1,1,2),\beta_3=(0,-1,2)$,则$\mathcal{A}$在标准基$\mathbf{e_1}=(1,0,0),\mathbf{e_2}=(0,1,0),\mathbf{e_3}=(0,0,1)$下的矩阵为        .

8.二次型$Q(x,y,z)=\lambda (x^2+y^2+z^2)+3y^2-4xy-2xz+4yz$正定的充要条件是$\lambda$满足        .

二、判断题(每小题5分,共35分.判断下列叙述是否正确,并简要说明理由)

1.三维空间中向量$\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}$共面当且仅当$\mathbf{a}\times\mathbf{b},\mathbf{b}\times\mathbf{c},\mathbf{c}\times\mathbf{a}$共面.

2.若实方阵$A$满足$\det (A)>0$,则存在实方阵$B$,使得$B^2=A$.

3.设向量组$\alpha_1,\ldots,\alpha_m$线性无关,且它们可以由向量组$\beta_1,\ldots,\beta_m$线性表示,则$\beta_1,\ldots,\beta_m$也线性无关.

4.设$F^{n\times n}$是$n$阶方阵全体按矩阵加法与数乘构成的线性空间. $W$是$F^{n\times n}$中可逆方阵全体构成的集合,则$W$是$F^{n\times n}$的子空间.

5.设$n$阶复方阵$A$与$B$相似,则它们的最小多项式相同.

6.对于任意实方阵$A$,存在可逆实方阵$P$,使得$P^{-1}AP=A^T$.

7.任何实方阵都可以分解为一个正交阵与一个上三角阵的乘积.

三、解答题(请从以下5题中任选4题,共75分.请给出详细解答过程)

1.在空间直角坐标系中,求过原点的平面$\pi$,使得它与柱面$S:3x^2-2xy+3y^2-10x-2y+10=0$的交线为圆.

2.给定$n$阶方阵$A=(a_{ij})$,其中$a_{ii}=2i+1,i=1,2,\ldots,n;a_{ij}=i+j\, (i\neq j),i,j=1,2,\ldots,n$.求矩阵$A$的行列式及逆矩阵.

3.设$n$阶复方阵$A,B$满足$AB=BA$.证明:存在复向量$\alpha$既是$A$的特征向量,也是$B$的特征向量.

4.给定方阵$A\in F^{n\times n}$,定义$F^{n\times n}$上的映射$\mathcal{A}:X\longrightarrow AX-XA$.

(a)证明$\mathcal{A}$是线性映射,并且$\mathcal{A}$不可逆;

(b)假设$A$可以对角化,则$F^{n\times n}=\mathrm{Ker}(\mathcal{A})\oplus \mathrm{Im}(\mathcal{A})$是否成立?请说明理由.

5.设$A$是$n$阶实对称正定方阵, $K$是$n$阶非零反对称方阵.证明: $\det (A+K)>\det (A)$.

与调和数列有关的级数计算

求和$$\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{H_n-H_{2n}}{n\left( 2n+1 \right)}}.$$
解.(向老师)首先不难得到
\begin{align*}\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{H_n-H_{2n}}{n\left( 2n+1 \right)}}=&2\sum_{n=1}^{\infty}{\left( H_n-H_{2n} \right) \left( \frac{1}{2n}-\frac{1}{2n+1} \right)}\\=&2\sum_{n=1}^{\infty}{\left( \frac{1}{2n}-\frac{1}{2n+1} \right) \int_0^1{\frac{x^{2n}-x^n}{1-x}\text{d}x}}\\=&\int_0^1{\frac{\sqrt{x}\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}-\ln \frac{1+x}{1-x}-\ln \left( 1+x \right)}{1-x}\text{d}x}\\&+\int_0^1{\left( \frac{1}{\sqrt{x}}\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}-\frac{1}{x}\ln \frac{1+x}{1-x} \right) \text{d}x},\end{align*}
其中
$$\int_0^1{\frac{1}{\sqrt{x}}\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}\text{d}x}=2\int_0^1{\ln \frac{1+t}{1-t}\text{d}t}=4\ln 2.$$
$$\int_0^1{\frac{1}{x}\ln \frac{1+x}{1-x}\text{d}x}=\mathrm{Li}_2\left( 1 \right) -\mathrm{Li}_2\left( -1 \right) =\frac{\pi ^2}{4}.$$
\begin{align*}\int_0^1{\frac{\left( \sqrt{x}-1 \right)}{1-x}\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}\text{d}x}&=-2\int_0^1{\frac{t}{1+t}\ln \frac{1+t}{1-t}\text{d}t}\\&=2\int_0^1{\left[ \frac{\ln \left( 1+t \right)}{1+t}-\frac{\ln \left( 1-t \right)}{1+t} \right] \text{d}t}-2\int_0^1{\ln \frac{1+t}{1-t}\text{d}t}\\&=\ln ^22+2\mathrm{Li}_2\left( \frac{1}{2} \right) -4\ln 2=\frac{\pi^2}{6}-4\ln2.\end{align*}
\begin{align*}&\int_0^1{\frac{\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}-\ln \frac{1+x}{1-x}-\ln \left( 1+x \right)}{1-x}\text{d}x}=2\int_0^1{\frac{1}{1-x}\ln \frac{1+\sqrt{x}}{1-\sqrt{x}}\text{d}x}\\=&2\int_0^1{\frac{\ln \left( 1+\sqrt{x} \right) -\ln 2}{1-x}\text{d}x}-2\int_0^1{\frac{\ln \left( 1+x \right) -\ln 2}{1-x}\text{d}x},\end{align*}
其中
\begin{align*}\int_0^1{\frac{\ln \left( 1+\sqrt{x} \right) -\ln 2}{1-x}\text{d}x}&=2\int_0^1{\frac{t}{1-t^2}\ln \frac{1+t}{2}\text{d}t}\\&=\int_0^1{\frac{1}{1-t}\ln \frac{1+t}{2}\text{d}t}-\int_0^1{\frac{1}{1+t}\ln \frac{1+t}{2}\text{d}t}\\&=-\mathrm{Li}_2\left( \frac{1}{2} \right) +\frac{1}{2}\ln ^22=\ln ^22-\frac{\pi ^2}{12}.\end{align*}
$$\int_0^1{\frac{\ln \left( 1+x \right) -\ln 2}{1-x}\text{d}x}=-\mathrm{Li}_2\left( \frac{1}{2} \right) =\frac{\ln ^22}{2}-\frac{\pi ^2}{12}.$$
最后得到
\begin{align*}\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{H_n-H_{2n}}{n\left( 2n+1 \right)}}=4\ln 2-\frac{\pi ^2}{4}+\frac{\pi ^2}{6}-4\ln 2+2\left( \ln ^22-\frac{\pi ^2}{12} \right) -2\left( \frac{\ln ^22}{2}-\frac{\pi ^2}{12} \right) =\ln ^22-\frac{\pi ^2}{6}.\end{align*}
 

几个重要定理

1.Mittag-Leffler's theorem.

设$\Omega$是平面内的开集, $A\subset \Omega$, $A$在$\Omega$内没有极限点,且对每个$a\in A$,对应有一个正整数$m(\alpha)$和一个有理函数$$P_\alpha (z)=\sum_{j=1}^{m(\alpha)}c_{j,\alpha}(z-\alpha)^{-j},$$则在$\Omega$内存在一个亚纯函数$f$,它在每个$\alpha\in A$处的主要部分是$P_\alpha$且在$\Omega$内没有其它极点.详见Rudin实分析与复分析P216.

这里有亚纯函数极展开的一些例子.

\begin{align*}\frac{1}{\sin \left( z \right)}&=\sum_{n\in \mathbb{Z}}{\frac{\left( -1 \right) ^n}{z-n\pi}}=\frac{1}{z}+2z\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n}{z^2-\left( n\,\pi \right) ^2}},\\\cot \left( z \right) &\equiv \frac{\cos \left( z \right)}{\sin \left( z \right)}=\sum_{n\in \mathbb{Z}}{\frac{1}{z-n\pi}}=\frac{1}{z}+2z\sum_{k=1}^{\infty}{\frac{1}{z^2-\left( k\,\pi \right) ^2}},\\\frac{1}{\sin ^2\left( z \right)}&=\sum_{n\in \mathbb{Z}}{\frac{1}{\left( z-n\,\pi \right) ^2}},\\\frac{1}{z\sin \left( z \right)}&=\frac{1}{z^2}+\sum_{n\ne 0}{\frac{\left( -1 \right) ^n}{\pi n\left( z-\pi n \right)}}=\frac{1}{z^2}+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n}{n\,\pi}}\frac{2z}{z^2-\left( n\,\pi \right) ^2}.\end{align*}
2.Ramanujan's Master Theorem
假设$x=0$的一些邻域中有$$F(x)=\sum_{k=0}^\infty\frac{\phi (k)(-x)^k}{k!}$$对某些函数(称为解析或可积的)$\phi (k)$成立.那么$$\int_0^\infty x^{n-1}F(x)dx=\Gamma (n)\phi (-n).$$
参考:这里以及
Ramanujan's Proof
This proof was given by none other than Ramanujan.
Recall Euler's integral representation of the Gamma Function - 
$$\int_0^\infty e^{-mx}x^{n-1}dx = m^{-n}\Gamma(n).$$
where $m,n>0$. Let $m=r^k$ with $r>0$, multiply both sides by $\frac{f^{(k)}h^k}{k!}$ and sum on $k, 0 \leq k <\infty$, to obtain
$$\sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)h^k}{k!}\int_0^\infty e^{-r^k x}x^{n-1}dx=\Gamma(n) \sum_{k=0}^\infty \frac{f^{(k)}(a)(hr^{-n})^k}{k!}.$$
 
Next, expand $e^{-r^k x}, 0\leq k<\infty$, in its Maclaurin Series, invert the order of summation and integration, and apply Taylor's Theorem to deduce that
$$\int_0^\infty x^{n-1}\sum_{j=0}^\infty \frac{f(h r^j+a)}{j!}(-x)^j dx = \Gamma(n)f(hr^{-n}+a).$$
 
Now define $f(hr^m+a)=\varphi(m)$, where $m$ is real and $a,h$ and $r$ are regarded as constants. Then
$$\int_0^\infty x^{n-1}\sum_{j=0}^\infty \frac{\varphi(j) (-x)^j}{j!}dx= \Gamma(n) \varphi(-n).$$
This completes Ramanujan's proof. Ramanujan was very fond of this clever, original technique and he used it many contexts.

例:证明$$\int_{0}^{\infty}{\left(\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{(-1)^{k}P_{k+1}}{k!}x^{k}}  \right)dx}=2,$$
其中$P_{k+1}$表示第$k+1$个素数,记$P_1=3$.
由于$$\int_0^\infty x^{s-1} \left( \sum_{k=0}^\infty \frac{P_{k+1}}{k!}(-x)^k\right)dx =\Gamma(s) P_{1-s},$$
令$s=1$我们有$$\int_0^\infty  \left( \sum_{k=0}^\infty \frac{P_{k+1}}{k!}(-x)^k\right)dx = P_{0}=2.$$
3.Glasser's Master Theorem
对任意可积函数$F(x)$和形如
$$\phi(x)=|a|x-\sum_{n=1}^N\frac{|\alpha_n|}{x-\beta_n}$$
的$\phi(x)$,恒等式$$PV \int_{-\infty}^\infty F(\phi (x))dx=PV \int_{-\infty}^\infty F(x)dx$$成立,其中$a,\{\alpha_n\}_{n=1}^N$和$\{\beta_n\}_{n=1}^N$为任意常数.这里, $PV$表示Cauchy主值.这是从Cauchy的著名结果$$PV\int_{-\infty}^\infty F(u)dx=\int_{-\infty}^\infty F(x)dx$$
归纳出来的,其中$u=x-1/x$.
例.求$$\int_{0}^{\infty} \left[\left(\frac{2015}{2015+x}+\cdots  +\frac{2}{2+x}+\frac{1}{1+x}-x\right)^{2016}+1 \right] ^{-1}\mathrm{d}x.$$

$$I=\int_{0}^{\infty} \left[\left(\frac{2015}{2015+x}+\cdots  +\frac{2}{2+x}+\frac{1}{1+x}-x\right)^{2016}+1 \right] ^{-1}\mathrm{d}x,$$
$$I=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{\infty} \left[\left(\frac{2015}{2015+x}+\cdots  +\frac{2}{2+x}+\frac{1}{1+x}-x\right)^{2016}+1 \right] ^{-1}\mathrm{d}x,$$
$$I=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{\infty} \left[\left(\sum^{2015}_{i=1}\frac{i}{x+i}-x\right)^{2016}+1 \right] ^{-1}\mathrm{d}x.$$
 
Now, letting $f(x)=\frac{1}{x^{2016}+1}$, and noting that $f(x)=f(-x)$,
$$I=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{\infty} f\left(\sum^{2015}_{i=1}\frac{i}{x+i}-x\right)\mathrm{d}x=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{\infty} f\left(-\left(\sum^{2015}_{i=1}\frac{i}{x+i}-x\right)\right)\mathrm{d}x$$
$$I=\frac{1}{2}\int_{-\infty}^{\infty} f\left(x-\sum^{2015}_{i=1}\frac{i}{x-(-i)}\right)\mathrm{d}x \tag {1}$$
Using Glasser's Master Theorem, 
$$I=\frac{1}{2}\int^{\infty}_{-\infty} f(x)\ \mathrm{d}x=\frac{1}{2}\int^{\infty}_{-\infty} \frac{1}{x^{2016}+1}\ \mathrm{d}x=\int^{\infty}_{0} \frac{1}{x^{2016}+1}\ \mathrm{d}x \tag {2}$$ 

Now we know that $$B(a,b)=\int^{\infty}_0\frac{t^{a-1}}{(1+t)^{a+b}}dt$$
From $(2)$,after substituting $x^{2016} =t$,
$$I=\frac{1}{2016}\int^{\infty}_{0}\frac{t^{\frac{1}{2016}-1}}{(1+t)^{\frac{1}{2016}+\frac{2015}{2016}}}dt=\frac{1}{2016}B(\frac{1}{2016},\frac{2015}{2016})$$
Therefore $$\color{red}{I=\frac{1}{2016}\frac{\Gamma(\frac{1}{2016})\Gamma(\frac{2015}{2016})}{\Gamma(1)}=\frac{\pi}{2016\sin(\frac{\pi}{2016})}\approx1.0000004047320180811575}$$
Rogers L-Function
Watson's Triple Integrals

与双重对数函数有关的积分

这里

求$$\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{x^2}{1+\cos ^2x}dx}.$$


对于$|b|<a$,注意到

\begin{align*}\frac{a^2-b^2}{a^2-2ab\cos x+b^2}&=\frac{a}{a-e^{ix}b}+\frac{be^{-ix}}{a-e^{-ix}b}\\&=\sum_{n=0}^\infty \left(\frac{b}{a}\right)^ne^{inx}+\frac{be^{-ix}}{a}\sum_{n=0}^\infty\left(\frac{b}{a}\right)^ne^{-inx}\\&=1+\sum_{n=1}^\infty \left(\frac{b}{a}\right)^ne^{inx}+ \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{b}{a}\right)^{n}e^{-inx}\\&=1+2\sum_{n=1}^\infty \left(\frac{b}{a}\right)^n\cos(n x),\end{align*}
因此
\begin{equation*}1+2\sum_{n=1}^\infty \left(\frac{b}{a}\right)^n\cos(n x)=\frac{a^2-b^2}{a^2+b^2-2ab\cos x},\qquad\qquad\mbox{对于}\, |b|<a.\end{equation*}

令$a=\frac{2+\sqrt{2}}{2}$和$b=\frac{-2+\sqrt{2}}{2}$,我们有

\begin{align*}1+2\sum_{n=1}^\infty \left(2\sqrt{2}-3\right)^n\cos(n x)=\frac{2\sqrt{2}}{3+\cos x}.\end{align*}
由$\displaystyle\int_0^{\pi}{x^2\cos \left( nx \right) dx}=2\pi \frac{\cos \left( \pi n \right)}{n^2}$可知
\begin{align*}I&=\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{x^2}{1+\cos ^2x}dx}=\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{x^2}{1+\frac{\cos 2x+1}{2}}dx}\\&=\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{2x^2}{3+\cos 2x}dx}=\frac{1}{4}\int_0^{\pi}{\frac{x^2}{3+\cos x}dx}\\&=\frac{1}{8\sqrt{2}}\int_0^{\pi}{x^2\left[ 1+2\sum_{n=1}^{\infty}{\left( 2\sqrt{2}-3 \right) ^n\cos \left( nx \right)} \right] dx}\\&=\frac{1}{8\sqrt{2}}\left[ \frac{\pi ^3}{3}+2\sum_{n=1}^{\infty}{\left( 2\sqrt{2}-3 \right) ^n\int_0^{\pi}{x^2\cos \left( nx \right) dx}} \right]\\&=\frac{\sqrt{2}}{48}\pi ^3+\frac{\sqrt{2}}{4}\pi \sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( 2\sqrt{2}-3 \right) ^n\cos \left( \pi n \right)}{n^2}}\\&=\frac{\sqrt{2}}{48}\pi ^3+\frac{\sqrt{2}}{4}\pi \sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( 3-2\sqrt{2} \right) ^n}{n^2}}\\&=\frac{\sqrt{2}}{48}\pi ^3+\frac{\sqrt{2}}{4}\pi \mathrm{Li}_2\left( 3-2\sqrt{2} \right).\end{align*}

求$$\int_0^{\pi}{\frac{x^2}{1+\sin ^2x}dx}.$$


令$t=x-\frac\pi2$,我们有

\begin{align*}J&=\int_0^{\pi}{\frac{x^2}{1+\sin ^2x}dx}=\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}{\frac{\left( t+\frac{\pi}{2} \right) ^2}{1+\cos ^2t}dt}\\&=2\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{t^2}{1+\cos ^2t}dt}+\frac{\pi ^2}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{1}{1+\cos ^2t}dt}\\&=2\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{t^2}{1+\cos ^2t}dt}+\frac{\pi ^2}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{1}{\sin ^2t+2\cos ^2t}dt}\\&=2\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{t^2}{1+\cos ^2t}dt}+\frac{\pi ^2}{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{1}{\tan ^2t+2}d\left( \tan t \right)}\\&=\frac{\sqrt{2}}{24}\pi ^3+\frac{\sqrt{2}}{2}\pi \mathrm{Li}_2\left( 3-2\sqrt{2} \right) +\frac{\sqrt{2}}{8}\pi ^3\\&=\frac{\sqrt{2}}{2}\pi \mathrm{Li}_2\left( 3-2\sqrt{2} \right) +\frac{\sqrt{2}}{6}\pi ^3.\end{align*}

求$$\int_0^1{\int_0^1{\int_0^1{\int_0^1{\frac{\left( 1-x^2y^2z^2t^2 \right) dxdydzdt}{\sqrt{\left( 1-x^2 \right) \left( 1-y^2 \right) \left( 1-z^2 \right) \left( 1-t^2 \right) \left( 1+x^2y^2z^2t^2 \right)}}}}}}.$$

解.原积分等于$$I=\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{1-\cos ^2\alpha \cos ^2\beta \cos ^2\theta \cos ^2\gamma}{\sqrt{1+\cos ^2\alpha \cos ^2\beta \cos ^2\theta \cos ^2\gamma}}d\alpha d\beta d\theta d\gamma}}}}.$$

由于$$\frac{1}{\sqrt{1+x}}=\sum_{n=0}^{\infty}{\binom{-1/2}{n}x^n}=1+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-1 \right) !!}{2^nn!}x^n},$$

因此

\begin{align*}\frac{1-x^2}{\sqrt{1+x^2}}&=\left( 1-x^2 \right) \left( 1+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-1 \right) !!}{2^nn!}x^{2n}} \right) \\&=1+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-1 \right) !!}{2^nn!}x^{2n}}-x^2-\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-1 \right) !!}{2^nn!}x^{2n+2}}\\&=1-x^2+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-1 \right) !!}{2^nn!}x^{2n}}-\sum_{n=2}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^{n-1}\left( 2n-3 \right) !!}{2^{n-1}\left( n-1 \right) !}x^{2n}}\\&=1-x^2-\frac{x^2}{2}+\sum_{n=2}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-3 \right) !!}{2^nn!}\left( 2n-1+2n \right) x^{2n}}\\&=1-\frac{3x^2}{2}+\sum_{n=2}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-3 \right) !!}{2^nn!}\left( 4n-1 \right) x^{2n}}.\end{align*}

由于$$\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\cos ^{2n}xdx}=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma \left( n+\frac{1}{2} \right)}{2\Gamma \left( n+1 \right)}=\frac{\sqrt{\pi}}{2n!}\cdot \frac{\left( 2n-1 \right) !!}{2^n}\sqrt{\pi}=\frac{\pi}{2}\frac{\left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n \right) !!},$$我们有

\begin{align*}I&=\frac{\pi ^4}{16}-\frac{3}{2}\left( \frac{\pi}{4} \right) ^4+\sum_{n=2}^{\infty}{\frac{\left( -1 \right) ^n\left( 2n-3 \right) !!}{2^nn!}\left( 4n-1 \right) \left[ \frac{\pi}{2}\frac{\left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n \right) !!} \right] ^4}\\&=\frac{\pi ^4}{16}-\frac{3}{2}\left( \frac{\pi}{4} \right) ^4+\frac{\pi ^4}{16}\sum_{n=2}^{\infty}{\left( -1 \right) ^n\frac{4n-1}{2n-1}\left[ \frac{\left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n \right) !!} \right] ^5}\\&=\frac{\pi ^4}{16}+\frac{\pi ^4}{16}\sum_{n=1}^{\infty}{\left( -1 \right) ^n\frac{4n-1}{2n-1}\left[ \frac{\left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n \right) !!} \right] ^5}.\end{align*}
\begin{align*}\sum_{n=1}^{\infty}{\left( -1 \right) ^n\frac{4n-1}{2n-1}\left[ \frac{\left( 2n-1 \right) !!}{\left( 2n \right) !!} \right] ^5}=& _5F_4\left( -\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2};1,1,1,1;-1 \right) \\&-\frac{1}{8}\,_5F_4\left( \frac{1}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2};2,2,2,2;-1 \right) -1\end{align*}
可知
$$I=\frac{\pi ^4}{16}\left[ _5F_4\left( -\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2},\frac{1}{2};1,1,1,1;-1 \right) -\frac{1}{8}\,_5F_4\left( \frac{1}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2},\frac{3}{2};2,2,2,2;-1 \right) \right] ,$$
其中$_pF_q(a_1,\ldots,a_p;b_1,\ldots,b_q;z)$为Generalized Hypergeometric Function.

计算积分
$$\int_0^{\pi}{\sqrt{\tan \frac{\theta}{2}}\ln^2 \left( \sin \theta \right) \text{d}\theta}.$$
\large{\textbf{\textcolor{blue}{解}}}

\begin{align*}\int_0^{\pi}{\sqrt{\tan \frac{\theta}{2}}\ln^2 \left( \sin \theta \right) \text{d}\theta}&=\int_0^{\infty}{\frac{2\sqrt{t}}{1+t^2}\ln^2 \left( \frac{2t}{1+t^2} \right) \text{d}t}\hspace{0.5cm}t=\tan \frac{\theta}{2}\\&=\int_0^{\infty}{\frac{2\sqrt{1/t}}{1+t^2}\ln^2 \left( \frac{2}{t+1/t} \right) \text{d}t}\\&=\int_0^{\infty}{\frac{\sqrt{1/t}+\sqrt{1/t^3}}{t+1/t}\ln^2 \left( \frac{2}{t+1/t} \right) \text{d}t}\\&=\int_{-\infty}^{\infty}{\frac{2}{x^2+2}\ln^2 \left( \frac{2}{x^2+2} \right) \text{d}x}\\&=2\sqrt{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\ln^2 \left( \cos ^2u \right) \text{d}u}~~x=\sqrt2\tan u\\&=8\sqrt{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\ln ^2\sin u\text{d}u}=8\sqrt{2}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\left( -\ln 2-\sum_{k=1}^{\infty}{\frac{\cos \left( 2kx \right)}{k}} \right)^2 \text{d}u}\\&=8\sqrt{2}\left( \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\ln ^22\text{d}u}+\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{1}{k}\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\frac{1+\cos 4kx}{2}\text{d}x}} \right)\\&=4\sqrt{2}\pi \ln ^22+2\sqrt{2}\pi \zeta \left( 2 \right) =\frac{\sqrt{2}}{3}\pi ^3+4\sqrt{2}\ln^2 2.\end{align*}


$f$是$[0,1]$上严格单增的凸实值连续函数,满足$f(0)=0,f(1)=1$,且$g(x)$满足$g(f(x))=x$对任意$x\in[0,1]$成立,证明

$$\int_0^1{f\left( x \right) g\left( x \right) \text{d}x}\le \frac{1}{3}.$$

\large{\textbf{\textcolor{blue}{证明}}} 首先我们有凸函数的等价定义:

定理.函数$f$在区间$I$上是凸函数,当且仅当对任何$(x_1,x_2)\subset I$及任何$x\in(x_1,x_2)$,有
$$\frac{f\left( x \right) -f\left( x_1 \right)}{x-x_1}\le \frac{f\left( x_2 \right) -f\left( x_1 \right)}{x_2-x_1}\le \frac{f\left( x_2 \right) -f\left( x \right)}{x_2-x}.$$
注意到$g(x)=f^{-1}(x)$是$f(x)$的反函数,只需要证明$f(x)f^{-1}(x)\leqslant x^2$即可,即
$$\frac{f\left( x \right)}{x}\leqslant \frac{x}{f^{-1}\left( x \right)}.$$
由题意知$f(x)\leqslant x\leqslant f^{-1}(x)$对$x\in[0,1]$都成立,结合$f(0)=0,f(1)=1,f$是凸函数可知对任意$x\in[0,1]$,$\exists t\in[x,1]$,s.t.$f(t)=x$于是由上述凸函数等价定义可知
$$\frac{f\left( x \right)}{x}\le \frac{f\left( t \right)}{t}=\frac{x}{f^{-1}\left( x \right)}.$$
于是$\displaystyle{f\left( x \right) g\left( x \right) =f\left( x \right) f^{-1}\left( x \right) \le x^2}$,
$$\int_0^1{f\left( x \right) g\left( x \right) \text{d}x}\leqslant \int_0^1{x^2\text{d}x}=\frac{1}{3}.$$
等号成立当且仅当$f(x)=x$.

求最大的常数$b>0$,使得对任意$a>0$和一切$(1,+\infty)$上连续可导且单增的实值函数$f(x)$满足$f(x)\leqslant x^{2a}\ln^bx,x\in(1,+\infty)$就有积分$\displaystyle{\int_1^{\infty}\frac{x^{2a-2}}{f'(x)}\mathrm{d}x=+\infty}$.


\large{\textbf{\textcolor{blue}{解}}} 首先如果$b>1$,我们取$f(x)=x^{2a}\ln^{b}x$,则求导后很容易得到积分$$\displaystyle{\int_1^{\infty}\frac{x^{2a-2}}{f'(x)}\mathrm{d}x<+\infty}$$
因此$b\leqslant1$,下面验证$b=1$满足条件.
如果$f'(x)$有界,结论显然成立,不妨设$f'(x)$无界,这时$f(x)$单调趋于$+\infty$.对$\forall A>0$,由Cauchy不等式得
$$\left( \int_{\text{e}^{\frac{A}{2}}}^{\text{e}^A}{\frac{x^{2a-2}}{f'\left( x \right)}\text{d}x} \right) \left( \int_{\text{e}^{\frac{A}{2}}}^{\text{e}^A}{\frac{f'\left( x \right)}{x^{2a}\ln ^2x}\text{d}x} \right) \geqslant \left( \int_{\text{e}^{\frac{A}{2}}}^{\text{e}^A}{\frac{\text{d}x}{x\ln x}} \right) ^2=\ln ^22.$$
由$f(x)\leqslant x^{2a}\ln x$得$f(\mathrm{e}^x)\leqslant x\mathrm{e}^{2ax}$,因此
\begin{align*}\int_{\textrm{e}^{\frac{A}{2}}}^{\textrm{e}^A}{\frac{f'\left(x\right)}{x^{2a}\ln^2x}\textrm{d}x}&=\int_{\frac{A}{2}}^A{\frac{f'\left(\textrm{e}^t\right)\textrm{e}^{2at}}{t^2\textrm{e}^{2at}}\textrm{d}t}=\int_{\frac{A}{2}}^A{\frac{\textrm{d}\left[f\left(\textrm{e}^{2t}\right)\right]}{t^2\textrm{e}^{2at}}}\\&=\left.\frac{f\left(\textrm{e}^t\right)}{t^2\textrm{e}^{2at}}\right|_{\frac{A}{2}}^{A}+\int_{\frac{A}{2}}^A{\frac{2t^2\textrm{e}^{-2at}+2t\textrm{e}^{-2at}}{t^4}f\left(\textrm{e}^t\right)\textrm{d}t}\\&\leqslant\frac{f\left(\textrm{e}^A\right)}{A^2\textrm{e}^{2A}}+\int_{\frac{A}{2}}^A{\frac{2t^2\textrm{e}^{-2at}+2t\textrm{e}^{-2at}}{t^4}t\textrm{e}^{2at}\textrm{d}t}\\&\leqslant\frac{1}{A}+2\left(\ln 2+\frac{1}{A}\right)=2\ln 2+\frac{3}{A}.\end{align*}
取$A$充分大,则$\displaystyle{\int_{\textrm{e}^{\frac{A}{2}}}^{\textrm{e}^A}{\frac{f'\left(x\right)}{x^{2a}\ln^2x}\textrm{d}x}\leqslant2}$, 因此
$$\int_{\textrm{e}^{A/2}}^{\textrm{e}^A}{\frac{\textrm{d}x}{f'\left(x\right)}}\geqslant\frac{\ln^22}{2}$$
对任意充分大的$A$都成立,于是积分$\displaystyle{\int_1^{+\infty}\frac{1}{f'(x)}\mathrm{d}x}=+\infty$,因此最大的$b=1$.

 \textbf{证明:}不等式的左边可利用$Cauchy-Schwarz$不等式证之,下证不等式的右边成立.由题意可知,
\[\begin{split}& (1-\frac{f}{M})(1-\frac{m}{f}) \geq 0 \Longrightarrow  1+\frac{m}{M} \geq \frac{f}{M}+\frac{m}{f}\\\Longrightarrow & 1+\frac{m}{M} \geq \frac1{M}\int^{1}_{0}{f}dx +m\int^{1}_{0}{\frac1{f}}dx \geq 2\sqrt{\frac{m}{M}\int^{1}_{0} \frac1{f}dx\int^{1}_{0}{f}dx}\\\Longrightarrow & \int^{1}_{0} \frac1{f}dx\int^{1}_{0}{f}dx\leq \frac{(m+M)^2}{4mM}.\end{split}\]

LaTeX等号中间加问号

\documentclass{ctexart}
\usepackage{amsmath,amssymb}
\usepackage{mathtools}

\makeatletter
\newcommand\fhcd[3][bin]{
\csname math#1\endcsname{\mathchoice
{\@fhcd\displaystyle{#2}{#3}}
{\@fhcd\textstyle{#2}{#3}}
{\@fhcd\scriptstyle{#2}{#3}}
{\@fhcd\scriptscriptstyle{#2}{#3}}}}
\newcommand\@fhcd[3]{
\settowidth\@tempdima{$\m@th#1{#2}$}
\settowidth\@tempdimb{$\m@th#1{#3}$}
\ifdim\@tempdimb>\@tempdima\@tempdima\@tempdimb\fi
\kern.5\@tempdima\mathclap{#2}\mathclap{#3}\kern.5\@tempdima}
\makeatother

%自定义 等号与问号重叠
\newcommand\dengwen{\fhcd[bin] ? =}

\begin{document}

例如 $f \dengwen g=h$?
\begin{equation*}
  A \dengwen B
\end{equation*}


\end{document}

 

 

 

有网友提出问题,如何输入长等号,而且可以依据等号上下的文字宽度来自动伸缩长度,同样我们也会用到箭头的输入。
 
这里我们提供如下方案使用
%%\usepackage{extarrows}:
$$ A \xlongequal{\quad\quad}B $$
$$ A\xlongequal[sub-script]{super-script}B $$

 

Problems of the Miklós Schweitzer Memorial Competition

1、AOPS论坛

2、匈牙利语版本

3、英文版本

4、其它试题

Suppose that $f: \mathbb{R}^+ \to \mathbb{R}^+$ is a continuous function such that for all positive real numbers $x,y$ the following is true :
$$(f(x)-f(y)) \left ( f \left ( \frac{x+y}{2} \right ) - f ( \sqrt{xy} ) \right )=0.$$
Is it true that the only solution to this is the constant function ?
陶哲轩解答:Yes.  If $f$ were not constant, then (since ${\bf R}^+$ is connected) it could not be locally constant, thus there exists $x_0 \in {\bf R}^+$ such that $f$ is not constant in any neighbourhood of $x_0$.  By rescaling (replacing $f(x)$ with $f(x_0 x)$) we may assume without loss of generality that $x_0=1$.
 
For any $y \in {\bf R}^+$, there thus exists $x$ arbitrarily close to $1$ for which $f(x) \neq f(y)$, hence $f((x+y)/2) = f(\sqrt{xy})$.  By continuity, this implies that $f((1+y)/2) = f(\sqrt{y})$ for all $y \in {\bf R}^+$.  Making the substitution $z := (1+y)/2$, we conclude that $f(z) = f(g(z))$ for all $z \in {\bf R}^+$, where $g(z) := \sqrt{2z-1}$.  The function $g$ has the fixed point $z=1$ as an attractor, so on iteration and by using the continuity of $f$ we conclude that $f(z)=f(1)$ for all $z \in {\bf R}^+$, so $f$ is indeed constant.
来源:这里
(1950年)令$a>0,d>0$,设$$ f(x)=\frac{1}{a}+\frac{x}{a(a+d)}+\cdots+\frac{x^n}{a(a+d)\cdots(a+nd)}+\cdots$$给出$f(x)$的封闭解.

也就是求\[\sum\limits_{n = 0}^\infty  {\frac{{{x^n}}}{{\prod\limits_{k = 0}^n {\left( {a + kd} \right)} }}} .\]

解.首先有$$\prod_{k=0}^n{\frac{1}{a+kd}}=\frac{\Gamma \left( \frac{a}{d} \right)}{d^{n+1}\Gamma \left( \frac{a}{d}+n+1 \right)},$$

又因为$$\gamma \left( s,x \right) =\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{x^se^{-x}x^k}{s\left( s+1 \right) ...\left( s+k \right)}}=x^s\,\Gamma \left( s \right) \,e^{-x}\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{x^k}{\Gamma \left( s+k+1 \right)}},$$我们有

\begin{align*}\sum_{n=0}^{\infty}{\frac{x^n}{\prod\limits_{k=0}^n{\left( a+kd \right)}}}&=\frac{\Gamma \left( \frac{a}{d} \right)}{d}\sum_{n=0}^{\infty}{\frac{\left( x/d \right) ^n}{\Gamma \left( \frac{a}{d}+n+1 \right)}}\\&=\frac{\Gamma \left( \frac{a}{d} \right)}{d}\gamma \left( \frac{a}{d},\frac{x}{d} \right) \left( \frac{d}{x} \right) ^{a/d}\frac{e^{x/d}}{\Gamma \left( \frac{a}{d} \right)}=\left( \frac{d}{x} \right) ^{a/d}\frac{e^{x/d}}{d}\gamma \left( \frac{a}{d},\frac{x}{d} \right) ,\end{align*}
其中$\displaystyle\Gamma(s,x) = \int_x^{\infty} t^{s-1}\,e^{-t}\,{\rm d}t$为the upper incomplete gamma function,而$\displaystyle\gamma(s,x) = \int_0^x t^{s-1}\,e^{-t}\,{\rm d}t$为the lower incomplete gamma function.参考这里.

$g(x) = x^a f(x^d)$ satifies $g'(x) = x^{a-1} + x^{d-1} g(x)$. Solve the associated differential equation and conclude.


令$a\in (0,\pi)$,设$n$为正整数.证明$$\int_0^{\pi}{\frac{\cos \left( nx \right) -\cos \left( na \right)}{\cos x-\cos a}dx}=\pi \frac{\sin \left( na \right)}{\sin a}.$$

求$$\int_1^{\frac{\sqrt{5}+1}{2}}{\left( \frac{\arctan x}{\arctan x-x} \right) ^2dx},$$
$$\int_0^1{\frac{\arctan x}{x\sqrt{1-x^2}}dx}.$$

Let $n$ be a positive integer. Prove that, for $0<x<\frac\pi{n+1}$,
$$\sin{x}-\frac{\sin{2x}}{2}+\cdots+(-1)^{n+1}\frac{\sin{nx}}{n}-\frac{x}{2}$$
is positive if $n$ is odd and negative if $n$ is even.

Since

\begin{align*}f_n(x) &= \sin{x} - \frac {\sin{2x}}{2} + \cdots + ( - 1)^{n + 1}\frac {\sin{nx}}{n} - \frac {x}{2},\\f_n'(x) &= - \mbox{Re}\left(\sum_{n = 1}^{n}z^n\right) - \frac12.\end{align*}
 
After some simplifications we get
$$ f_n'(x) = \frac {( - 1)^{n + 1}}{2}((1 - \cos(x))\frac {\sin((n + 1)x)}{\sin(x)} + \cos((n + 1)x))$$
and $$ f_n''(x) = \frac {( - 1)^{n}}{2}\frac {(n + 1)\sin(nx) + n\sin((n + 1)x)}{1 + \cos(x)}.$$
The formula for $ f_n''$ shows that $ ( - 1)^n f$ is convex for $ 0 < x < \frac {\pi}{n + 1}$. Since $ f_n(0) = 0$ and $ f_n'(0) = \frac {( - 1)^{n + 1}}{2}$.We are ready when we can show that $ ( - 1)^{n + 1}f_n(\frac {\pi}{n + 1}) > 0$.
 
We have to distinct between two different, but very similar cases, namely $ n$ is odd, and $ n$ is even.
Let's restrict to the case $ n$ is even.
We prove $ f_{2n}(\frac {\pi}{2n + 1}) < 0$.
 
\begin{align*}f_{2n}\left( \frac{\pi}{2n+1} \right) &=\sum_{k=1}^{2n}{\left( -1 \right)}^{k+1}\frac{\sin \left( \frac{k\pi}{2n+1} \right)}{k}-\frac{\pi}{2\left( 2n+1 \right)}\\&=\frac{\pi}{2n+1}\left( \sum_{k=1}^n{\frac{\sin \left( \frac{\left( 2k-1 \right) \pi}{2n+1} \right)}{\frac{\left( 2k-1 \right) \pi}{2n+1}}}-\sum_{k=1}^n{\frac{\sin \left( \frac{2k\pi}{2n+1} \right)}{\frac{2k\pi}{2n+1}}} \right) -\frac{\pi}{2\left( 2n+1 \right)}.\end{align*}
 
The function $ x \mapsto \frac {\sin(x)}{x}$ is descending on $ [0,\pi]$, thus
both sums lay between $ a$ and $ a + \frac {2\pi}{2n + 1}$, where $ a = \int_0^{\pi}\frac {\sin(x)}{x}\,dx$.

Thus $$ f_{2n}\left(\frac {\pi}{2n + 1}\right) < \frac {\pi}{2n + 1}\cdot\frac {2\pi}{2n + 1} - \frac {\pi}{2(2n + 1)} < 0.$$

 

痘痘和饮食

痘痘和食物的关系是一个经久不衰的讨论话题,而且观点学说矛盾冲突。其中一个原因在于,讨论的前提没有确定下来。是在科学的框架下讨论,还是在经验的视野内讨论,对结论会有很大影响。从科学的角度来说,痘痘和饮食的关系尚不明确;从经验的角度来说,要保持清淡饮食。

科学的角度

目前关于痤疮和饮食关系的研究文章,其措辞绝大多数是很谨慎的,都是用“或者”、“也许”、“可能”这种语气虚弱的词。例如美国皮肤病学会2016年发布”Guidelines of care for the management ofacne vulgaris”《寻常痤疮治疗指南》,对痤疮与饮食关系的结论是:

1、基于目前的证据,没有特别的饮食调整推荐用于治疗痤疮。

2、研究显示,高血糖指数的饮食可能与痤疮有关系

3、有限的初步研究提示,某些饮食(特别是脱脂牛奶)可能影响痤疮

 

《中国痤疮治疗指南》(2014修订版)对痤疮与饮食关系只有一句话:
 
限制可能诱发或加重痤疮的辛辣甜腻等食物,多食蔬菜、水果。
 
更早的《中国痤疮治疗指南》(讨论稿) 对痤疮与饮食关系的表述是:
 
患者宜少食高糖、 高脂肪、 酒、 辛辣等刺激性食物, 多食蔬菜(豆芽、青菜、 蓬蒿菜、 冬瓜、 丝瓜、 苦瓜、 荸荠)及水果。常饮绿豆汤有清肺热、 除湿毒之功效。多食含长纤维的食品, 保持大便通畅, 对防治痤疮有良效。
 
以上指南的文字表述都非常谨慎,可见痤疮和饮食的关系尚待进一步研究。
 
经验的角度
 
辛辣、油腻、油炸、高糖分食物不一定会导致痘痘,但是生活经验告诉我们,吃这些食物长痘痘的风险会比较大,原因在于这些食物会影响内分泌,进而影响皮脂腺,使皮脂增加,痘痘变严重。所以饮食还是应该尽可能保持清淡,避开这些高风险的食物。
 
1、躺枪背锅的辣椒
 
很多时候医生建议痤疮患者不要吃辣椒,其实辣椒也要一分为二,单纯吃一点新鲜的辣椒问题不大;但是水煮鱼、麻辣烫之类的又辣又有很多油很高热量的食物,可能使痘痘变得更加严重,是痘痘患者最应该禁忌的。
 
2、学会看营养成分表,少吃或不吃高油高糖高热量的食物
 
1.1、甜食含有大量糖类,刺激胰岛素分泌,破坏体内其他胰岛素平衡,使雄激素增加,而雄激素会刺激皮脂腺导致皮肤长痘;
 
1.2、糖类在人体内代谢时需要B族维生素。糖类食物摄入多了,B族维生素大量消耗,从而成为痘痘加重的因素之一;
 
1.3、甜食里一般都含有大量白糖,黄油等,白糖和优质的能量很高,机体会把多余的能量转化为脂肪存储起来,导致分泌更多的皮脂,让皮脂变得更加油腻,堵塞毛囊,加重痘痘。
 
1.4、而辣椒中的辣椒素由于会增加血液循环、加速心跳,让人脸部发红发热、皮肤发热会刺激皮脂腺的分泌,从而导致的长痘,或者是对辣椒素过敏的人可能会吃了辣椒长痘。
 
3、少吃或不吃热带水果
 
很多人会纠结一个问题:都说要多吃新鲜的水果,像芒果荔枝榴莲之类的热带水果,又好吃又有营养,长痘痘的人能吃吗?
 
我的看法是,热带水果首先是热的,其次才是水果,这两个性质相互冲突的时候,我们还是要把热(也就是高糖分)放在第一位,对于痘痘患者来说,最好还是不要吃。
 
4、发物
 
发物是容易长疮疖或引起某些病变的食物,常称之为“腥发之物”或“腥擅发物”,较为公认的发物包括鱼、鸡、羊肉、鹅、酒、椒、姜、蒜等。发物的禁忌范围极广,尤其为外科疾病所禁忌。从现代医学的观点来看,和痤疮有关的发物包括哪些,具体影响机理如何,这些都尚待进一步研究。从治疗的角度来说,和前面三类食物有关的发物还是尽量少碰为妙。

参考:叶剑青理性护肤学堂:这里

怕吃辣长痘,其实甜食更会让你长痘