上册 3.1 一元函数的导数 第27题

数学分析早年真题

📝 题目

27.求解下列各题. (1)设 $f(x)$ 连续,$\varphi(x)=\int_{0}^{1} f(x t) \mathrm{d} t$ ,且 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}=A$(常数),求 $\varphi^{\prime}(x)$ ,并讨论 $\varphi^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 处的连续性. (2)设 $f(x)$ 为实轴上的连续函数,在原点处可导,且 $f(0)=0, f^{\prime}(0)=5$ 。求 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{1}{x} \int_{0}^{1} f(x t) \mathrm{d} t$ . (3)设 $\varphi(x)$ 在 $[0,1]$ 连续,在 $(0,1)$ 内可导,$a \varphi(x)=\int_{0}^{1} \varphi(x t) \mathrm{d} t$ ,( $a$ 为非零常数).求 $\varphi(x)$ 的表达式. (4)设 $f(x)$ 连续, $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-\tan x}{x}=1$ ,又 $F(x)=\int_{0}^{1} f(t x) \mathrm{d} t$ .求 $F^{\prime}(x)$ ,并讨论 $F^{\prime}(x)$ 的连续性. (5)设 $f(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 连续, $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-\sin x}{x}=1$ ,又 $F(x)=\int_{0}^{1} f(t x) \mathrm{d} t$ .求 $F^{\prime}(x)$ ,并证明 $F^{\prime}(x)$在 $(-\infty,+\infty)$ 连续性. (6)设 $g(x)$ 连续,$f(x)=\int_{0}^{\sin x} g\left(x^{2} t\right) \mathrm{d} t$ .求 $f^{\prime}(x)$ ,并讨论 $f^{\prime}(x)$ 的连续性.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)由 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}=A$ 知 $\lim _{x \rightarrow 0} f(x)=0$ 。而 $f(x)$ 连续,所以 $f(0)=0, \varphi(0)=0$ . 当 $x \neq 0$ 时,令 $u=x t$ ,则 $\displaystyle \varphi(x)=\frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x}$ ,从而 $\displaystyle \varphi^{\prime}(x)=\frac{x f(x)-\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}$ . 又因为 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{\varphi(x)-\varphi(0)}{x-0}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=\frac{A}{2}$ ,即 $\displaystyle \varphi^{\prime}(0)=\frac{A}{2}$ . 所以 $\displaystyle \varphi^{\prime}(x)=\left\{\begin{array}{l}\frac{x f(x)-\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}, x \neq 0, \\ \frac{A}{2}, x=0 .\end{array}\right.$ 由于 $$ \lim _{x \rightarrow 0} \varphi^{\prime}(x)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{x f(x)-\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}-\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\frac{A}{2}=\varphi^{\prime}(0) $$ 所以 $\varphi^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 处连续. (2)令 $u=x t$ ,则 $\displaystyle g(x)=\int_{0}^{1} f(x t) \mathrm{d} t=\frac{1}{x} \int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u,(x \neq 0)$ 。显然,$g(0)=\int_{0}^{1} f(0) \mathrm{d} t=0$ . $$ \lim _{x \rightarrow 0} \frac{1}{x} \int_{0}^{1} f(x t) \mathrm{d} t=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=\frac{1}{2} \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\frac{1}{2} f^{\prime}(0)=\frac{5}{2} $$ (3)当 $x=0$ 时,$a \varphi(0)=\int_{0}^{1} \varphi(0) \mathrm{d} t=0$ ,所以 $\varphi(0)=0$ . 当 $x \neq 0$ 时,令 $u=x t$ ,则 $\displaystyle a \varphi(x)=\int_{0}^{1} \varphi(x t) \mathrm{d} t=\frac{1}{x} \int_{0}^{x} \varphi(u) \mathrm{d} u$ 。于是 $$ a \varphi^{\prime}(x)=-\frac{1}{x^{2}} \int_{0}^{x} \varphi(u) \mathrm{d} u+\frac{1}{x} \varphi(x)=-\frac{a}{x} \varphi(x)+\frac{1}{x} \varphi(x)=(1-a) \frac{1}{x} \varphi(x) $$ 所以,当 $a=1$ 时,$\varphi^{\prime}(x)=0, \varphi(x)=C$ ,从而 $\varphi(x)=0$ . 当 $a \neq 1$ 且 $a \neq 0$ 时,解方程 $\displaystyle a \varphi^{\prime}(x)=(1-a) \frac{1}{x} \varphi(x)$ ,得 $\displaystyle \varphi(x)=C x^{\frac{1-a}{a}}$ . (4)因为 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-\tan x}{x}=1$ ,所以 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}=2$ 。所以当 $x \neq 0$ 时,令 $u=x t$ ,则 于是 $$ \begin{aligned} & F(x)=\int_{0}^{1} f(t x) \mathrm{d} t=\frac{1}{x} \int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u \\ & F^{\prime}(x)=\frac{f(x)}{x}-\frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}} \end{aligned} $$ 又 $F(0)=\int_{0}^{1} f(0) \mathrm{d} t=0$ ,所以 $\displaystyle F^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{F(x)-F(0)}{x}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=1$ . 所以 $\displaystyle F^{\prime}(x)=\left\{\begin{array}{l}\frac{x f(x)-\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}, x \neq 0, \\ 1, x=0 .\end{array}\right.$ 而 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} F^{\prime}(x)=\lim _{x \rightarrow 0}\left(\frac{f(x)}{x}-\frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}\right)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=1=F^{\prime}(0)$ ,所以 $F^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 连续,从而在 $\mathbf{R}$上连续. (5)因为 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-\sin x}{x}=1$ ,所以 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{x}=2$ .所以当 $x \neq 0$ 时,令 $u=x t$ ,则 $$ \begin{gathered} F(x)=\int_{0}^{1} f(t x) \mathrm{d} t=\frac{1}{x} \int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u \\ F^{\prime}(x)=\frac{f(x)}{x}-\frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}} \end{gathered} $$ 于是 又 $F(0)=\int_{0}^{1} f(0) \mathrm{d} t=0$ ,所以 $\displaystyle F^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{F(x)-F(0)}{x}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=1$ . 所以 $\displaystyle F^{\prime}(x)=\left\{\begin{array}{l}\frac{x f(x)-\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}, x \neq 0, \\ 1, x=0 .\end{array}\right.$ 而 $\displaystyle \lim _{x \rightarrow 0} F^{\prime}(x)=\lim _{x \rightarrow 0}\left(\frac{f(x)}{x}-\frac{\int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u}{x^{2}}\right)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)}{2 x}=1=F^{\prime}(0)$ ,所以 $F^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 连续,从而在 $\mathbf{R}$ t.连续. (6)当 $x \neq 0$ 时,令 $u=x^{2} t$ ,则 $\displaystyle f(x)=\int_{0}^{\sin x} g\left(x^{2} t\right) \mathrm{d} t=\frac{1}{x^{2}} \int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u$ ,且 $f(0)=0$ . $$ \begin{aligned} & f^{\prime}(x)=\frac{\left(x^{2} \sin x\right)^{\prime}}{x^{2}} g\left(x^{2} \sin x\right)-\frac{2}{x^{3}} \int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u=\frac{2 \sin x+x \cos x}{x} g\left(x^{2} \sin x\right)-\frac{2}{x^{3}} \int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u . \\ & f^{\prime}(0)=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{f(x)-f(0)}{x}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u}{x^{3}}=\lim _{x \rightarrow 0} \frac{\left(2 x \sin x+x^{2} \cos x\right) g\left(x^{2} \sin x\right)}{3 x^{2}}=g(0) \end{aligned} $$ 于是 $\displaystyle \quad f^{\prime}(x)=\left\{\begin{array}{l}\frac{2 \sin x+x \cos x}{x} g\left(x^{2} \sin x\right)-\frac{2}{x^{3}} \int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u, x \neq 0, \\ g(0), x=0 .\end{array}\right.$ $$ \begin{aligned} \lim _{x \rightarrow 0} f^{\prime}(x) & =\lim _{x \rightarrow 0}\left(\frac{2 \sin x+x \cos x}{x} g\left(x^{2} \sin x\right)-\frac{2}{x^{3}} \int_{0}^{x^{2} \sin x} g(u) \mathrm{d} u\right) \\ & =3 g(0)-2 \lim _{x \rightarrow 0} \frac{\left(2 x \sin x+x^{2} \cos x\right) g\left(x^{2} \sin x\right)}{3 x^{2}}=3 g(0)-2 g(0)=g(0) \end{aligned} $$ 所以 $f^{\prime}(x)$ 在 $x=0$ 连续,从而 $f^{\prime}(x)$ 在 $(-\infty,+\infty)$ 上连续.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:化简φ(x)表达式
当 $x \neq 0$ 时,令 $u = x t$,则 $t = u/x$,$\mathrm{d}t = \mathrm{d}u / x$,积分限从 $t=0$ 到 $t=1$ 变为 $u=0$ 到 $u=x$,于是 $\varphi(x) = \int_0^1 f(xt) \mathrm{d}t = \frac{1}{x} \int_0^x f(u) \mathrm{d}u$。
公式:$\varphi(x) = \frac{1}{x} \int_0^x f(u) \mathrm{d}u$
提示:注意积分变量替换时上下限的变化,以及 $x$ 不能为零的条件。
步骤 2/4
目标:求φ'(x) (x≠0)
对 $\varphi(x) = \frac{1}{x} \int_0^x f(u) \mathrm{d}u$ 求导,使用商的求导法则:$\varphi'(x) = \frac{x f(x) - \int_0^x f(u) \mathrm{d}u}{x^2}$。
公式:$\varphi'(x) = \frac{x f(x) - \int_0^x f(u) \mathrm{d}u}{x^2}$
提示:注意分子中 $\int_0^x f(u) \mathrm{d}u$ 的导数是 $f(x)$。
步骤 3/4
目标:求φ'(0)
由 $\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x} = A$ 及 $f$ 连续得 $f(0)=0$,$\varphi(0)=0$。利用导数定义:$\varphi'(0) = \lim_{x \to 0} \frac{\varphi(x)-\varphi(0)}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x f(u) \mathrm{d}u}{x^2}$。应用洛必达法则,$\lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{2x} = \frac{A}{2}$,故 $\varphi'(0) = \frac{A}{2}$。
公式:$\varphi'(0) = \frac{A}{2}$
提示:使用洛必达法则时需验证条件,此处 $\int_0^x f(u) \mathrm{d}u$ 和 $x^2$ 在 $x=0$ 处均为0。
步骤 4/4
目标:讨论φ'(x)在x=0处的连续性
计算 $\lim_{x \to 0} \varphi'(x) = \lim_{x \to 0} \frac{x f(x) - \int_0^x f(u) \mathrm{d}u}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{f(x)}{x} - \lim_{x \to 0} \frac{\int_0^x f(u) \mathrm{d}u}{x^2} = A - \frac{A}{2} = \frac{A}{2} = \varphi'(0)$,因此 $\varphi'(x)$ 在 $x=0$ 处连续。
公式:$\lim_{x \to 0} \varphi'(x) = \varphi'(0)$
提示:注意将极限拆分为两个已知极限的和,并正确使用已知条件。

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