Раздел II. Дифференциальное исчисление функций одной переменной — § 6. Теоремы Ролля, Лагранжа и Коши
Демидович — задача 1243
Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие и подробное решение по шагам.
Задача 1243
Доказать, что у многочлена Чебышева–ЭрмитаHn(x)=(−1)nex2dxndn(e−x2)все корни вещественные.
Доказательство
Рассмотрим вспомогательную функциюU(x)=e−x2Поскольку экспонента положительна, U(x)>0 при всех x. Кроме того, при x→±∞ имеем −x2→−∞, поэтому U(x)=e−x2→0:x→−∞limU(x)=0,x→+∞limU(x)=0Функция U(x) и все её производные непрерывны на R. Применим к ней обобщённую теорему Ролля на бесконечных интервалах.Первая производная U′(x)=−2xe−x2. Из того, что U(−∞)=0 и U(+∞)=0, следует существование хотя бы одного корня x1 производной U′(x) (действительно, x1=0). При этом U′(x)→0 при x→±∞.
Вторая производная U′′(x) по теореме Ролля должна иметь по крайней мере по одному корню на интервалах (−∞,x1) и (x1,+∞), поскольку U′(−∞)=0, U′(x1)=0 и U′(+∞)=0. Следовательно, U′′(x) имеет по крайней мере 2 вещественных корня.
Рассуждая по индукции, предположим, что производная (k−1)-го порядка U(k−1)(x) имеет k−1 вещественных корней и стремится к нулю при x→±∞. Тогда эти корни разбивают числовую прямую на k интервалов (включая два бесконечных луча). На концах каждого из этих интервалов U(k−1)(x) обращается в нуль. По теореме Ролля, на каждом из k интервалов найдётся хотя бы один корень производной U(k)(x). Значит, U(k)(x) имеет не менее k вещественных корней.
Для k=n получаем, что n-я производная U(n)(x) имеет по крайней мере n различных вещественных корней. Так как U(n)(x)=Pn(x)e−x2, где Pn(x) — некоторый многочлен степени n, то уравнение U(n)(x)=0 имеет не более n корней. Следовательно, ровно n вещественных корней исчерпывают все корни этого уравнения.
Вторая производная U′′(x) по теореме Ролля должна иметь по крайней мере по одному корню на интервалах (−∞,x1) и (x1,+∞), поскольку U′(−∞)=0, U′(x1)=0 и U′(+∞)=0. Следовательно, U′′(x) имеет по крайней мере 2 вещественных корня.
Рассуждая по индукции, предположим, что производная (k−1)-го порядка U(k−1)(x) имеет k−1 вещественных корней и стремится к нулю при x→±∞. Тогда эти корни разбивают числовую прямую на k интервалов (включая два бесконечных луча). На концах каждого из этих интервалов U(k−1)(x) обращается в нуль. По теореме Ролля, на каждом из k интервалов найдётся хотя бы один корень производной U(k)(x). Значит, U(k)(x) имеет не менее k вещественных корней.
Для k=n получаем, что n-я производная U(n)(x) имеет по крайней мере n различных вещественных корней.
Проверка
Многочлен Чебышева–Эрмита связан с функцией U(x) соотношением:Hn(x)=(−1)nex2U(n)(x)Поскольку множитель (−1)nex2 отличен от нуля на всей числовой прямой, корни многочлена Hn(x) полностью совпадают с корнями U(n)(x). Следовательно, все корни многочлена Чебышева–Эрмита вещественны и различны. Для полноты: представление U(k)=Qke−x2 следует из Q0=1, Qk+1=Qk′−2xQk. Поэтому degQk=k, старший коэффициент — (−2)k. Каждое такое произведение стремится к нулю на обеих бесконечностях, поскольку ∣x∣je−x2→0 для каждого j (положим s=x2 в пределе №1225). Это проверяет условие №1237 на всех шагах. При n=0 многочлен равен 1 и корней нет.Что и требовалось доказать