如何证明魏尔斯特拉斯函数处处不可导?

如何证明魏尔斯特拉斯函数处处不可导?

谢邀,非常好的问题。

我也是看了论文之后才知道的证明。证明总体用到的知识不难,但非常繁杂。

摘自维基百科的图片

其中 为正的奇数,使得: 。

这就是Weierstrass函数的定义,是一个无穷级数。

定理的证明:[2]

引理:M-检测(The Weierstrass M-test)

设 为一个度量空间,对于任意 ,令函数列满足每一个函数都有 。则我们假定对于任意 ,能够存在 使得:

那么我们能断言:若 收敛,则 在 上一致有界。

引理证明:对 ,由数列的柯西审敛法则发现一定存在 ,使得对 ,均有:

所以我们有对 , ,均有:

所以由函数列的柯西审敛法则发现 在 上一致有界。

引理证毕。

回到原题,我们发现 ,所以 收敛而且 ,所以它满足M-检测引理的条件,即Weierstrass函数 存在且一致有界。由于 中的每一项 在 上连续,而且 一致有界,所以 在 上连续。

下面正式证明不可微性:即对 ,极限 不存在。

随便令一个 ,则对于 ,我们取 使得:

我们记 为:

容易发现: 。

这说明当 时, 必然有 和

所以数列 和 都趋近于 ,只不过一个从上方趋近,一个从下方趋近。

我们有等式:

把两个大求和分别记为 ( 不是无穷的, 是无穷级数)

则由和差化积公式[3]:

由于 且 ,所以 所以存在 使得 。

现在,我们来研究 。我们有:

所以:

而其中:

所以存在 使得 。

所以将 与 合并,我们有:

由题设条件 知 。利用 和 知:

因此, 的符号被 所决定。并且:

上式左边的值变化迅速,已经可以看出来 不存在了。

当然,这对于同样也适用。

用同样的方法,我们有: 。

继续同样的方法,我们有 ,使得 。

再利用 我们得到:

由于 ,则最后一个和式中的项是非负的,并且有: 同样,我们有存在 使得 。此时:

由于之前我们证过:

所以我们仍然有:

证毕!