2020年考研数学二第16题

解答题 · 10分

📝 题目

已知函数 $f(x)$ 连续且 $\displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{f(x)}{x}=1, g(x)=\displaystyle\int_{0}^{1} f(x t) \mathrm{d} t$ ,求 $g^{\prime}(x)$ ,并证明 $g^{\prime}(x)$ 在 $x=0$处连续.

💡 答案解析

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**解析**:

$\because \displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{f(x)}{x}=1$ ,并且 $f(x)$ 连续,可得 $f(0)=0$ . $g(x)=\displaystyle\int_{0}^{1} f(x t) d t \underline{\underline{x t}=u} \displaystyle\frac{1}{x} \displaystyle\int_{0}^{x} f(u) d u$ , 当 $x=0$ 时,$g(0)=0$ . 故 $g(x)=\left\{\begin{array}{cc}0 & x=0 \\ \displaystyle\frac{1}{x} \displaystyle\int_{0}^{x} f(u) d u & x \neq 0\end{array}\right.$ , 又 $g^{\prime}(0)=\displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{g(x)-g(0)}{x-0}=\displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{\displaystyle\frac{1}{x} \displaystyle\int_{0}^{x} f(u) d u-0}{x}=\displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{\displaystyle\int_{0}^{x} f(u) d u}{x^{2}} \xlongequal{\text { 洛 }} \displaystyle\lim _{x \rightarrow 0} \displaystyle\frac{f(x)}{2 x} \xlongequal{\text { 导数定义 }} \displaystyle\frac{1}{2}$ 得 $g^{\prime}(x)=\left\{\begin{array}{cc}\displaystyle\frac{1}{2} & x=0 \\ \displaystyle\frac{f(x)}{x}-\displaystyle\frac{1}{x^{2}} \displaystyle\int_{0}^{x} f(u) d u & x \neq 0\end{array}\right.$ , 又因为

$$ \lim _{x \rightarrow 0} g^{\prime}(x)=\lim _{x \rightarrow 0}\left[\frac{f(x)}{x}-\frac{1}{x^{2}} \int_{0}^{x} f(u) d u\right]=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}-\lim _{x \rightarrow 0} \frac{1}{x^{2}} \int_{0}^{x} f(u) d u=1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}=g^{\prime}(0) $$

所以 $g^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 处连续.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:由极限条件推出f(0)的值
已知函数 $f(x)$ 在 $x=0$ 处连续,且满足极限条件 $\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{x}=1$。 由于分母 $x$ 在 $x\to 0$ 时趋于 $0$,而极限存在且为有限值 $1$,因此分子 $f(x)$ 也必须趋于 $0$,否则极限将不存在或为无穷大。具体地,若 $\lim_{x\to 0}f(x)\neq 0$,则 $\frac{f(x)}{x}$ 的绝对值将趋于无穷大,与极限为 $1$ 矛盾。故必有 $\lim_{x\to 0}f(x)=0$。 又因为 $f(x)$ 在 $x=0$ 处连续,由连续的定义可知 $\lim_{x\to 0}f(x)=f(0)$。因此 $f(0)=0$。 这一结论是后续步骤的基础,它表明 $x=0$ 是函数 $f(x)$ 的一个零点,且 $f(x)$ 在 $0$ 附近的行为类似于 $x$(因为 $\frac{f(x)}{x}\to 1$)。
公式:$$\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{x}=1 \quad \Rightarrow \quad f(0)=0$$
提示:分母趋于0时,分子必须也趋于0,否则极限不存在或为无穷大。
步骤 2/5
目标:化简g(x)的表达式
已知 $g(x)=\int_0^1 f(xt)dt$,其中 $f$ 为连续函数。为了化简 $g(x)$,我们采用变量代换法。令 $u = xt$,则当 $t$ 从 $0$ 变化到 $1$ 时,$u$ 从 $0$ 变化到 $x$。注意 $t = \frac{u}{x}$,从而 $dt = \frac{1}{x} du$。代入原积分得: $$g(x) = \int_{u=0}^{u=x} f(u) \cdot \frac{1}{x} du = \frac{1}{x} \int_0^x f(u) du \quad (x \neq 0).$$ 当 $x=0$ 时,原积分 $g(0)=\int_0^1 f(0) dt = f(0)$,但由上述表达式,当 $x \to 0$ 时,$\frac{1}{x}\int_0^x f(u) du \to f(0)$,因此为使 $g(x)$ 在 $x=0$ 处连续,补充定义 $g(0)=0$(注意:此处根据题目后续步骤需要,实际上应定义 $g(0)=f(0)$ 才与极限一致,但题目步骤概要中明确要求补充定义 $g(0)=0$,故按题目要求执行)。这样,我们就得到了 $g(x)$ 的简化表达式: $$g(x)=\begin{cases} \frac{1}{x}\int_0^x f(u)du, & x\neq 0 \\ 0, & x=0 \end{cases}.$$
公式:g(x)=\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du \quad (x\neq 0),\quad g(0)=0
提示:换元时注意积分限的对应变换,并单独处理分母为零的情况。
步骤 3/5
目标:用导数定义求g'(0)
由导数定义,函数 $g(x)$ 在 $x=0$ 处的导数为 $$ g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{g(x)-g(0)}{x}. $$ 已知 $g(x)=\int_0^x f(u)du$,且 $g(0)=\int_0^0 f(u)du=0$,代入得 $$ g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{\int_0^x f(u)du}{x}. $$ 注意分子是积分上限函数,当 $x\to 0$ 时分子也趋于 $0$,分母也趋于 $0$,形成 $\frac{0}{0}$ 型未定式。因此可应用洛必达法则,对分子分母分别求导。分子 $\int_0^x f(u)du$ 的导数为 $f(x)$(由微积分基本定理),分母 $x$ 的导数为 $1$,于是 $$ g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{1}=f(0). $$ 但题目中已知 $f(0)=0$,这样直接得到 $g'(0)=0$?注意:这里出现了问题,因为原题步骤概要中给出的极限是 $\lim_{x\to 0}\frac{\int_0^x f(u)du}{x^2}$,而不是除以 $x$。实际上,我们需要重新审视 $g(x)$ 的定义。题目中 $g(x)$ 可能定义为 $g(x)=\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du$(当 $x\neq 0$)且 $g(0)=0$?但根据步骤概要,$g(x)-g(0)$ 的分子是 $\int_0^x f(u)du$,分母是 $x$,但概要中却出现了 $x^2$,说明 $g(x)$ 的定义可能为 $g(x)=\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du$ 且 $g(0)=0$?让我们仔细核对:若 $g(x)=\int_0^x f(u)du$,则 $g(0)=0$,导数定义给出 $\lim_{x\to 0}\frac{\int_0^x f(u)du}{x}=f(0)=0$,这与概要中的 $\frac12$ 不符。因此,正确的理解是:题目中 $g(x)$ 定义为 $g(x)=\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du$($x\neq 0$),且补充定义 $g(0)=0$。那么 $g(0)=0$,$g(x)-g(0)=\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du$,于是 $$ g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{g(x)-g(0)}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\frac{1}{x}\int_0^x f(u)du}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\int_0^x f(u)du}{x^2}. $$ 这正是步骤概要中的形式。现在应用洛必达法则($\frac{0}{0}$ 型):分子求导得 $f(x)$,分母求导得 $2x$,所以 $$ g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{2x}. $$ 由已知极限 $\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{x}=1$,可得 $\lim_{x\to 0}\frac{f(x)}{2x}=\frac12$。因此 $$ g'(0)=\frac12. $$
公式:g'(0)=\lim_{x\to 0}\frac{g(x)-g(0)}{x}=\lim_{x\to 0}\frac{\int_0^x f(u)du}{x^2}=\frac12
提示:注意 $g(x)$ 的定义形式,正确写出导数定义中的分母,再使用洛必达法则。
步骤 4/5
目标:求x≠0时g'(x)的表达式
已知当 $x \neq 0$ 时,$g(x) = \frac{1}{x} \int_0^x f(u) \, du$。我们需要对 $g(x)$ 求导。注意到 $g(x)$ 是商的形式,分子为积分上限函数 $\int_0^x f(u) \, du$,分母为 $x$。因此,使用商的求导法则:若 $h(x) = \frac{u(x)}{v(x)}$,则 $h'(x) = \frac{u'(x)v(x) - u(x)v'(x)}{[v(x)]^2}$。 令 $u(x) = \int_0^x f(u) \, du$,$v(x) = x$。则 $u'(x) = f(x)$(由微积分基本定理,积分上限函数的导数等于被积函数在上限处的值),$v'(x) = 1$。代入商的求导公式得: $$ g'(x) = \frac{f(x) \cdot x - \left( \int_0^x f(u) \, du \right) \cdot 1}{x^2} = \frac{x f(x) - \int_0^x f(u) \, du}{x^2}. $$ 将分子拆分为两项,可写成: $$ g'(x) = \frac{f(x)}{x} - \frac{1}{x^2} \int_0^x f(u) \, du. $$ 这就是 $x \neq 0$ 时 $g'(x)$ 的表达式。注意,该表达式在 $x=0$ 处无定义,需要单独处理(后续步骤可能涉及 $x=0$ 处的导数)。
公式:g'(x) = \frac{f(x)}{x} - \frac{1}{x^2} \int_0^x f(u) \, du
提示:牢记积分上限函数求导公式:$\frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt = f(x)$。
步骤 5/5
目标:证明g'(x)在x=0处连续
要证明 $g'(x)$ 在 $x=0$ 处连续,即需验证 $\lim_{x\to 0} g'(x) = g'(0)$。 由前几步已知: - 当 $x \neq 0$ 时,$g'(x) = \frac{f(x)}{x} - \frac{1}{x^2}\int_0^x f(u)\,du$。 - $g'(0) = \frac{1}{2}$。 计算极限: $$ \lim_{x\to 0} g'(x) = \lim_{x\to 0} \left[ \frac{f(x)}{x} - \frac{1}{x^2}\int_0^x f(u)\,du \right]. $$ 由于 $f(0)=0$ 且 $f'(0)=1$,利用 $f(x) = f(0) + f'(0)x + o(x) = x + o(x)$,故 $\frac{f(x)}{x} \to 1$。 对于第二项,由积分中值定理或洛必达法则: $$ \lim_{x\to 0} \frac{1}{x^2}\int_0^x f(u)\,du = \lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{2x} = \frac{1}{2} \lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} = \frac{1}{2} \cdot 1 = \frac{1}{2}. $$ 因此, $$ \lim_{x\to 0} g'(x) = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2} = g'(0). $$ 故 $g'(x)$ 在 $x=0$ 处连续。
公式:$$\lim_{x\to 0} g'(x) = \lim_{x\to 0}\left[\frac{f(x)}{x} - \frac{1}{x^2}\int_0^x f(u)\,du\right] = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2} = g'(0)$$
提示:利用已知导数条件将 $f(x)$ 展开为 $x+o(x)$,可简化极限计算。

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