💡 答案解析
**答案**: (D).
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**解析**:
$f^{\prime}(a)=\displaystyle\lim _{x \rightarrow a} \displaystyle\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\gt 0$ ,由极限保号性,存在 $\delta_{1}\gt 0$ ,当 $x \in\left(a, a+\delta_{1}\right)$ 时, $\displaystyle\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\gt 0$ ,从而 $f(x)\gt f(a)$ ,于是存在 $x_{0} \in(a, b)$ ,使得 $f\left(x_{0}\right)\gt f(a)$ ; $f^{\prime}(b)=\displaystyle\lim _{x \rightarrow b} \displaystyle\frac{f(x)-f(b)}{x-b}\lt 0$ ,由极限保号性,存在 $\delta_{2}\gt 0$ ,当 $x \in\left(b-\delta_{2}, b\right)$ 时, $\displaystyle\frac{f(x)-f(b)}{x-b}\lt 0$ ,从而 $f(x)\gt f(b)$ ,于是存在 $x_{0} \in(a, b)$ ,使得 $f\left(x_{0}\right)\gt f(b)$ ,则(A),(B)正确;
因为 $f^{\prime}(x)$ 连续且 $f^{\prime}(a) f^{\prime}(b)\lt 0$ ,所以由零点定理,存在 $x_{0} \in(a, b)$ ,使得 $f^{\prime}\left(x_{0}\right)=0$ ,则(C)正确,应选(D)。
方法点评 :本题考查极限保号性与零点定理。
关于函数在一点导数的符号有如下结论:
📋 详细解题步骤
目标:分析选项(A)的正确性
选项(A)的表述为:若$f'(a)>0$,则存在$x_0\in(a,b)$使得$f(x_0)>f(a)$。
首先,由导数的定义:$f'(a)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}$。已知$f'(a)>0$,根据极限的保号性,存在一个$δ>0$,使得当$0<|x-a|<δ$时,有$\frac{f(x)-f(a)}{x-a}>0$。
特别地,考虑$x$在$a$的右侧邻域内,即$x\in(a,a+δ)$,此时$x-a>0$,由$\frac{f(x)-f(a)}{x-a}>0$可得$f(x)-f(a)>0$,即$f(x)>f(a)$。
因此,在区间$(a,a+δ)$内任意取一点$x_0$(例如$x_0=a+\frac{δ}{2}$),都有$f(x_0)>f(a)$。由于$(a,a+δ)\subset(a,b)$(取$δ$足够小使得$a+δf(a)$。
所以选项(A)正确。
公式:$$f'(a)=\lim_{x\to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}>0$$
提示:利用导数定义和极限保号性,仅需考虑右侧邻域即可。
目标:分析选项(B)的正确性
选项(B)的表述为:存在$x_0 \in (a, b)$,使得$f(x_0) > f(b)$。
已知条件:$f(x)$在$[a, b]$上可导,且$f'(b) < 0$。
由导数的定义:
$$f'(b) = \lim_{x \to b^-} \frac{f(x) - f(b)}{x - b} < 0.$$
根据极限的保号性,存在一个$delta > 0$,使得当$x \in (b - delta, b)$时,有
$$\frac{f(x) - f(b)}{x - b} < 0.$$
由于$x < b$,分母$x - b < 0$,因此分子$f(x) - f(b)$必须大于0(因为负数除以负数得正数,但这里商为负,所以分子应为正),即
$$f(x) - f(b) > 0 \quad \Rightarrow \quad f(x) > f(b).$$
这意味着在$b$的左侧邻域$(b - delta, b)$内,任意一点$x$都满足$f(x) > f(b)$。特别地,取$x_0 = b - \frac{delta}{2}$,则$x_0 \in (a, b)$(因为$delta$足够小,且$a < b$),且$f(x_0) > f(b)$。
因此,存在$x_0 \in (a, b)$使得$f(x_0) > f(b)$,选项(B)正确。
注意:这里并未用到$f'(a) > 0$的条件,仅由$f'(b) < 0$即可推出结论。
公式:$$f'(b) = \lim_{x \to b^-} \frac{f(x) - f(b)}{x - b} < 0 \quad \Rightarrow \quad \exists \delta>0,\ \forall x \in (b-\delta,b):\ f(x) > f(b)$$
提示:利用导数定义和极限保号性,注意分母符号对不等式方向的影响。
目标:分析选项(C)的正确性
选项(C)的表述为:若$f'(x)$在$[a,b]$上连续,且$f'(a)>0$,$f'(b)<0$,则存在$x_0\in(a,b)$使得$f'(x_0)=0$。
首先,题目条件已明确$f'(x)$在闭区间$[a,b]$上连续。根据连续函数的零点定理(介值定理的推论):若函数$g(x)$在闭区间$[a,b]$上连续,且$g(a)$与$g(b)$异号,则至少存在一点$\xi\in(a,b)$使得$g(\xi)=0$。
这里令$g(x)=f'(x)$,则$g(x)$在$[a,b]$上连续。已知$g(a)=f'(a)>0$,$g(b)=f'(b)<0$,即$g(a)$与$g(b)$异号。因此,由零点定理,存在$x_0\in(a,b)$使得$g(x_0)=f'(x_0)=0$。
该结论与选项(C)完全一致,故选项(C)正确。
注意:零点定理的应用前提是函数在闭区间上连续,且端点函数值异号。本题中$f'(x)$的连续性已由条件保证,$f'(a)>0$与$f'(b)<0$满足异号条件,因此推理严谨无误。
公式:零点定理:若$g(x)\in C[a,b]$且$g(a)\cdot g(b)<0$,则$\exists\xi\in(a,b)$使$g(\xi)=0$
提示:零点定理只要求连续和端点异号,不要求单调性,直接应用即可。