刷题-中值定理

26

设函数在 f(x) 在 (−2,2) 内可导,证明:

  1. 存在 ξ∈(−2,2),使得 ξ(1−ξ)f′(ξ)+1−2ξ=0;

对等式两边进行变形:

f′(x)+1−2ξξ(1−ξ)=0

两边积分得:

f(x)+∫1−2xx−x2dx=Cf(x)+ln∣x−x2∣=C

由于左式并没有明显的零点所以,我们需要对上述式子进行进一步的变形:

f(x)+ln∣x−x2∣=ef(x)eln∣x−x2∣=eC⟹ef(x)∣x−x2∣=eC⟹ef(x)(x−x2)=±eC

设 F(x)=ef(x)(x−x2),则有 F(0)=F(1)=0,由罗尔定理得:

∃ξ∈(0,1),F′(ξ)=0F′(x)=f′(x)ef(x)(x−x2)+(1−2x)ef(x)=ef(x)(f′(x)(x−x2)+1−2x)

从而,得证。

27

设 f(x) 在 [0,12] 上二阶可导,f(0)=f′(0),f(12)=0,证明:存在 ξ∈(0,12),使得 f″(ξ)=3f′(ξ)1−2ξ。

罗尔定理
表格积分法
原函数法解中值问题


先对证明式子进行变换:

f″(x)(1−2x)=3f′(x)

两边积分得:

∫f″(x)(1−2x)dx=3f(x)∫(1−2x)df′(x)=3f(x)(1−2x)f′(x)−∫f′(x)⋅(−2)dx=3f(x)(1−2x)f′(x)+2f(x)=3f(x)⟹(1−2x)f′(x)−f(x)=0

设 F(x)=(1−2x)f′(x)−f(x)。显然有:

F(0)=F(12)=0

故而由罗尔定理可知结论成立。

解读

如何对待证明的式子两边进行变换很重要,故而,一次变换可能无法得到合适的 F(x) 的形式。要么多尝试一下,要么换个方法。例如,如果对式子做如下恒等变换就无法得到可以运用罗尔定理的 F(x):
f″(x)f′(x)=31−2x

28

奇函数 f(x) 在区间 [−1,1] 上具有二阶导数,且 f(1)=1,证明:

  1. 存在 ξ∈(0,1),使得 f′(ξ)=1;
  2. 存在 η∈(−1,1) 使得 f″(η)+f′(η)=1;

29

设函数 f(x) 二阶可导,证明:

  1. 若 f(π2)=f(−π2)=0,则存在 ξ∈(−π2,π2),使得 f(ξ)+f″(ξ)=0;
  2. 若 f(0)=f(π)=0,则存在 ξ∈(0,π),使得 f(ξ)+f″(ξ)=0。

1

首先解微分方程 f″(x)+f(x)=0 得到:

f(x)=C1cos⁡x+C2sin⁡x

从而可以通过变形设:

G(x)=f(x)sin⁡x+f′(x)cos⁡x

由于 G(π2)=G(−π2),故而根据罗尔定理有:

G′(ξ)=0

得证。

2

同理设:

G(x)=f(x)cos⁡x−f′(x)sin⁡x

由于 G(0)=G(π),故而有 G′(ξ)=0。得证。

30

设函数 f(x) 在区间 [0,1] 上具有二阶导数,且 f′(0)=f′(1)=0,证明:存在 ξ∈(0,1),使得 f″(ξ)+[f(ξ)f′(ξ)]2=0。


对式子适当变形:

f″(ξ)+[f2(ξ)f′(ξ)]f′(ξ)=0

于是我们就可以通过一阶线性齐次方程的解法来求通解了,设原函数为:

G(x)=f′(x)e∫f2(x)f′(x)dx=f′(x)e13f3(x)

由于 G(0)=G(1),故而得证。

31

设函数 f(x) 在区间 [0,1] 上具有二阶导数,且 f(1)>0,limx→0+f(x)x<0,证明:


1

由极限的保号性,可得存在 δ>0,使得 x∈(0,δ) 时,f(x)<0,从而可得 f(δ2)<0。从而得证。

2

设第一问的实根为 ξ∈(0,1),则有 f(ξ)=0。
由于题目默认了极限 limx→x0f(x)x 存在,故而可知 f(0)=0。由于 f(ξ)=0,根据罗尔定理可知:

∃η∈(0,ξ),f′(η)=0

设 G(x)=f′(x)f(x),则 G′(x)=f″(x)f(x)+[f′(x)]2。由于 G(0)=G(ξ)=G(η)=0,故而 G′(x) 存在两个实根。问题得证。

32

设 f(x),g(x) 在 [a,b] 上连续,在 (a,b) 内可导,且 g′(x)≠0,证明:存在 ξ∈(a,b) 使得 f(a)−f(ξ)g(ξ)−g(b)=f′(ξ)g′(ξ).


对原式进行转化得:

f′(x)(g(x)−g(b))+g′(x)(f(x)−f(a))=0

变形得:

f′(x)+g′(x)g(x)−g(b)(f(x)−f(a))=0

根据万能公式,设 G(x)=[f(x)−f(a)][g(x)−g(b)]。显然 G(a)=G(b)=0,故而得证。

33

设函数 f(x) 在 (a,b) 可导,a<c<b,∫acf(x)dx=∫cbf(x)dx=0,证明:


1

设 ∫axf(x)dx=F(x),则 f(x)=F′(x)。从而原式可以作以下变形:

F′(x)=F(x)⟹F′(x)F(x)=1

设 G(x)=e−xF(x),可知 G(a)=G(c)=0,故而第一个结论得证。

由于 G(c)=0,由于

G(b)=∫acf(x)dx+∫cbf(x)dx=0

故而得证。

2

设 ∫axf(x)dx=F(x),则 f(x)=F′(x)。从而原式可以作以下变形:

F″(x)=F(x)

解微分方程得:

F(x)=C1ex+C2e−x

将上述式子变形得到:

e−xF(x)=C1+C2e−2x[F′(x)−F(x)]ex=C3

从而可以设 G(x)=[F′(x)−F(x)]ex。根据第一问的结论,存在 ξ1∈(a,c),ξ2∈(c,b),使得 F′(x)−F(x)=0,故而有:

G(ξ1)=G(ξ2)

从而得证。

34

设 f(x) 在 [0,π] 上连续,在 (0,π) 内可导,f(0)=f(π2)=−12,证明:存在 ξ∈(0,π),使得 f′(ξ)−f(ξ)=sin⁡ξ.


解法 1

解方程:f′(x)−f(x)=sin⁡x 得:

f(x)=e−∫−1dx[∫sin⁡x⋅e∫−1dxdx+C]=ex[∫sin⁡x⋅e−xdx+C]=ex[−sin⁡x−cos⁡x2e−x+C]

从而,可以设

G(x)=f(x)e−x+sin⁡x+cos⁡x2e−x

由于 G(0)=G(π2),故而得证。

解法 2

也可以直接利用万能公式,将该式转化为齐次方程,具体可以设:

{f′(x)−f(x)=sin⁡xR′(x)−R(x)=sin⁡x

可得:

[f(x)−R(x)]′−[f(x)−R(x)]=0

这样就转化为了齐次方程,只用设 G(x)=[f(x)−R(x)]e−x 即可。

现在的关键就是求出 R(x) 的表达式,通过解微分方程就可以解决。

注意

积分:∫sin⁡x⋅e−xdx 可以利用表格积分法快速解决。