2016年考研数学二第16题

解答题 · 10分

📝 题目

设函数 $f(x)=\displaystyle\int_{0}^{1}\left|t^{2}-x^{2}\right| \mathrm{d} t(x\gt 0)$ ,求 $f^{\prime}(x)$ ,并求 $f(x)$ 的最小值.

💡 答案解析

当 $0

$$ \begin{aligned} f(x) & =\int_{0}^{x}\left(x^{2}-t^{2}\right) \mathrm{d} t+\int_{x}^{1}\left(t^{2}-x^{2}\right) \mathrm{d} t=x^{3}-\frac{1}{3} x^{3}+\frac{1-x^{3}}{3}-x^{2}(1-x) \\ & =\frac{4}{3} x^{3}+\frac{1}{3}-x^{2} \end{aligned} $$

当 $x \geqslant 1$ 时,$f(x)=\displaystyle\int_{0}^{1}\left(x^{2}-t^{2}\right) \mathrm{d} t=x^{2}-\displaystyle\frac{1}{3}$ , 则 $f(x)= \begin{cases}\displaystyle\frac{4}{3} x^{3}+\displaystyle\frac{1}{3}-x^{2}, & 01$ 时,$f^{\prime}(x)=2 x$ . 由 $\displaystyle\lim _{x \rightarrow 1^{-}} \displaystyle\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\displaystyle\lim _{x \rightarrow 1^{-}} \displaystyle\frac{\displaystyle\frac{4}{3} x^{3}+\displaystyle\frac{1}{3}-x^{2}-\displaystyle\frac{2}{3}}{x-1}=2$ ,即 $f_{-}^{\prime}(1)=2$ ;

$$ \lim _{x \rightarrow 1^{+}} \frac{f(x)-f(1)}{x-1}=\lim _{x \rightarrow 1^{+}} \frac{x^{2}-\frac{1}{3}-\frac{2}{3}}{x-1}=2 \text {, 即 } f_{+}^{\prime}(1)=2 \text {, } $$

得 $f^{\prime}(1)=2$ , 于是 $f^{\prime}(x)= \begin{cases}4 x^{2}-2 x, & 0\displaystyle\frac{1}{2}$ 时,$f^{\prime}(x)>0$ ,故 $x=\displaystyle\frac{1}{2}$ 为 $f(x)$ 的最小值点,最小值为 $f\left(\displaystyle\frac{1}{2}\right)=\displaystyle\frac{1}{4}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:去掉绝对值,写出分段积分表达式
首先,我们需要处理被积函数中的绝对值 $|x-t|$。由于积分变量是 $t$,而 $x$ 是参数,因此需要根据 $t$ 与 $x$ 的大小关系去掉绝对值。题目中 $x$ 的取值范围是 $x>0$,且积分区间为 $[0,1]$。 当 $01$ 时,$x$ 大于积分区间的右端点 $1$,因此在 $t \in [0,1]$ 上恒有 $t \leq 1 < x$,即 $t < x$,故 $|x-t| = x-t$。此时无需拆分,但为保持形式统一,可写为: $$\int_0^1 |x-t| \, dt = \int_0^1 (x-t) \, dt.$$ 综上,分段积分表达式为: $$F(x) = \begin{cases} \displaystyle \int_0^x (x-t) \, dt + \int_x^1 (t-x) \, dt, & 0 < x \leq 1, \\[1em] \displaystyle \int_0^1 (x-t) \, dt, & x > 1. \end{cases}$$ 注意:$x=0$ 不在定义域内(题目已说明 $x>0$),故无需考虑。
公式:F(x)=\begin{cases} \displaystyle \int_0^x (x-t)\,dt + \int_x^1 (t-x)\,dt, & 01. \end{cases}
提示:画数轴确定x与积分区间[0,1]的相对位置,再分段去掉绝对值。
步骤 2/5
目标:计算分段积分,得到f(x)的分段表达式
已知函数 $f(x)$ 由积分定义: $$f(x)=\int_0^x \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt$$ 我们需要分别计算 $01$ 两种情况下的积分。 **情况一:当 $00$,绝对值可去掉。于是: $$\int_0^x \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt = \left[ \ln(t^2-t+1) \right]_0^x = \ln(x^2-x+1) - \ln(1) = \ln(x^2-x+1)$$ 所以当 $01$** 此时积分区间 $[0,x]$ 跨越 $t=1$ 点,需要分段积分: $$f(x)=\int_0^1 \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt + \int_1^x \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt$$ 第一段积分: $$\int_0^1 \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt = \left[ \ln(t^2-t+1) \right]_0^1 = \ln(1^2-1+1)-\ln(1) = \ln(1)=0$$ 第二段积分:对于 $t\ge 1$,分母 $t^2-t+1$ 仍为正,同样用原函数: $$\int_1^x \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt = \left[ \ln(t^2-t+1) \right]_1^x = \ln(x^2-x+1) - \ln(1) = \ln(x^2-x+1)$$ 因此当 $x>1$ 时,$f(x)=0+\ln(x^2-x+1)=\ln(x^2-x+1)$。 **综合两种情况**,得到 $f(x)$ 的分段表达式: $$f(x)=\begin{cases} \ln(x^2-x+1), & 01 \end{cases}$$ 实际上,对于 $x>0$ 且 $x\neq 1$,表达式统一为 $f(x)=\ln(x^2-x+1)$。但需注意 $x=1$ 时,$f(1)=\ln(1)=0$,与分段表达式一致。因此最终 $f(x)=\ln(x^2-x+1)$ 对所有 $x>0$ 成立。
公式:$$f(x)=\int_0^x \frac{2t-1}{t^2-t+1} \, dt = \ln(x^2-x+1) \quad (x>0)$$
提示:注意分子是分母的导数,直接凑微分得到原函数为对数形式。
步骤 3/5
目标:求导数f'(x)的分段表达式
已知函数$f(x)$为分段函数: $$f(x)=\begin{cases} \ln(1+x), & x>0 \\ 0, & x=0 \\ \frac{\sqrt{1+x}-1}{x}, & -10$时**,$f(x)=\ln(1+x)$。直接求导得: $$f'(x)=\frac{1}{1+x}$$ **第二段:当$x=0$时**,导数需要利用导数的定义单独计算(此步骤暂不处理,将在后续步骤中完成)。此处仅写出分段形式,$x=0$处的导数待定。 **第三段:当$-10 \\ \text{待定}, & x=0 \\ \dfrac{2\sqrt{1+x}-(x+2)}{2x^2\sqrt{1+x}}, & -1
公式:$$f'(x)=\begin{cases} \dfrac{1}{1+x}, & x>0 \\ \text{待定}, & x=0 \\ \dfrac{2\sqrt{1+x}-(x+2)}{2x^2\sqrt{1+x}}, & -1
提示:对分式求导时,先写清$u$和$v$,再代入公式,避免符号混乱。
步骤 4/5
目标:验证分段点x=1处的可导性
已知函数在 $x=1$ 处分段,需验证该点是否可导。根据可导的充要条件,函数在 $x=1$ 处可导当且仅当左导数 $f'_-(1)$ 与右导数 $f'_+(1)$ 存在且相等。 首先计算左导数 $f'_-(1)$。左导数定义为极限 $\lim_{x \to 1^-} \frac{f(x)-f(1)}{x-1}$。由题目已知,当 $x<1$ 时,$f(x)=x^2$,且 $f(1)=1$(由连续性或分段定义得到)。代入得: $$f'_-(1)=\lim_{x \to 1^-} \frac{x^2-1}{x-1}=\lim_{x \to 1^-} \frac{(x-1)(x+1)}{x-1}=\lim_{x \to 1^-} (x+1)=2.$$ 再计算右导数 $f'_+(1)$。右导数定义为极限 $\lim_{x \to 1^+} \frac{f(x)-f(1)}{x-1}$。当 $x>1$ 时,$f(x)=ax+b$,且 $f(1)=1$。代入得: $$f'_+(1)=\lim_{x \to 1^+} \frac{ax+b-1}{x-1}.$$ 由于在 $x=1$ 处连续,已确定 $a+b=1$,即 $b=1-a$,代入上式: $$f'_+(1)=\lim_{x \to 1^+} \frac{ax+(1-a)-1}{x-1}=\lim_{x \to 1^+} \frac{a(x-1)}{x-1}=a.$$ 因此,左导数为 $2$,右导数为 $a$。要使函数在 $x=1$ 处可导,必须满足 $a=2$。此时,由连续性条件 $a+b=1$ 得 $b=-1$。故当 $a=2,\,b=-1$ 时,函数在 $x=1$ 处可导。
公式:$$f'_-(1)=\lim_{x \to 1^-}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=2,\quad f'_+(1)=\lim_{x \to 1^+}\frac{f(x)-f(1)}{x-1}=a$$
提示:可导必连续,但连续不一定可导;先验证连续性,再比较左右导数。
步骤 5/5
目标:求f(x)的最小值
首先,在区间$(0,1)$内,令导数为零求得驻点$x=\frac{1}{2}$。计算该点的函数值: $$f\left(\frac{1}{2}\right)=\left(\frac{1}{2}\right)^2\ln\frac{1}{2}=\frac{1}{4}\ln\frac{1}{2}=-\frac{1}{4}\ln2.$$ 接着考虑左端点$x\to0^+$的极限: $$\lim_{x\to0^+}f(x)=\lim_{x\to0^+}x^2\ln x=0,$$ 因为$x^2\ln x\to0$(幂函数比对数函数增长快)。 再考虑右端点$x=1$处的函数值: $$f(1)=1^2\ln1=0.$$ 对于$x>1$的区间,由之前步骤可知,当$x>1$时$f'(x)>0$,函数单调递增,因此最小值在左端点$x=1$处取得,$f(1)=0$。 比较各候选值: - $f\left(\frac{1}{2}\right)=-\frac{1}{4}\ln2\approx-0.1733$, - $\lim_{x\to0^+}f(x)=0$, - $f(1)=0$, - $x>1$区间的最小值为$f(1)=0$。 显然,$f\left(\frac{1}{2}\right)=-\frac{1}{4}\ln2$是唯一负值,且小于0,因此$f(x)$在整个定义域$(0,+\infty)$上的最小值为: $$\boxed{-\frac{1}{4}\ln2}.$$ 验证:由于$\ln2>0$,故$-\frac{1}{4}\ln2<0$,而其他候选值均为0,所以该值确为最小值。
公式:f\left(\frac{1}{2}\right)=-\frac{1}{4}\ln2
提示:比较最值时,不仅要考虑驻点,还要考虑区间端点和分段点处的函数值或极限。

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