方企勤 第一章 分析基础 第2题

教材习题

📝 题目

例 2 . 设 $f\left( x\right) \in C\left( {a,b}\right) ,{x}_{1},{x}_{2},\cdots ,{x}_{n} \in \left( {a,b}\right)$ . 求证: $\exists \xi \in$ (a, b),使得

$$ f\left( \xi \right) = \frac{1}{n}\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{n}f\left( {x}_{k}\right) . \tag{5.1} $$

💡 答案解析

证 设

$$ f\left( {x}_{{k}_{m}}\right) = \min \left\{ {f\left( {x}_{1}\right) ,f\left( {x}_{2}\right) ,\cdots ,f\left( {x}_{n}\right) }\right\} , $$

$$ f\left( {x}_{{k}_{M}}\right) = \max \left\{ {f\left( {x}_{1}\right) ,f\left( {x}_{2}\right) ,\cdots ,f\left( {x}_{n}\right) }\right\} . $$

如果 ${x}_{{k}_{m}} = {x}_{{k}_{M}}$ ,则有

$$ f\left( {x}_{{k}_{m}}\right) = f\left( {x}_{{k}_{M}}\right) \Rightarrow f\left( {x}_{1}\right) = f\left( {x}_{2}\right) = \cdots = f\left( {x}_{n}\right) . $$

这时任取 ${x}_{k}\left( {k = 1,2,\cdots }\right)$ 为 $\xi$ ,都符合要求.

当 ${x}_{{k}_{m}} \neq {x}_{{k}_{M}}$ 时,令

$$ \alpha = \min \left\{ {{x}_{{k}_{m}},{x}_{{k}_{M}}}\right\} ,\;\beta = \max \left\{ {{x}_{{k}_{m}},{x}_{{k}_{M}}}\right\} , $$

则有

$$ f\left( {x}_{{k}_{m}}\right) \leq f\left( {x}_{k}\right) \leq f\left( {x}_{{k}_{M}}\right) \;\left( {k = 1,2,\cdots }\right) . $$

由此推出 $f\left( {x}_{{k}_{m}}\right) \leq \frac{1}{n}\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{n}f\left( {x}_{k}\right) \leq f\left( {x}_{{k}_{M}}\right)$ ,在区间 $\left\lbrack {\alpha ,\beta }\right\rbrack$ 上应用介值定理,则 $\exists \xi \in \left\lbrack {\alpha ,\beta }\right\rbrack \subset \left( {a,b}\right)$ ,使得 (5.1) 成立.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:确定最小值和最大值对应的点
设 f(x_{k_m}) = min{f(x_1), f(x_2), ..., f(x_n)},f(x_{k_M}) = max{f(x_1), f(x_2), ..., f(x_n)}。
提示:注意最小值和最大值可能对应同一个点。
步骤 2/4
目标:处理所有函数值相等的情况
如果 x_{k_m} = x_{k_M},则所有 f(x_k) 相等,此时任取一个 x_k 作为 ξ 即可。
提示:这种情况直接得到结论。
步骤 3/4
目标:处理最小值与最大值不相等的情况
当 x_{k_m} ≠ x_{k_M} 时,令 α = min{x_{k_m}, x_{k_M}},β = max{x_{k_m}, x_{k_M}}。由于 f(x_{k_m}) ≤ f(x_k) ≤ f(x_{k_M}) 对所有 k 成立,因此 f(x_{k_m}) ≤ (1/n)∑f(x_k) ≤ f(x_{k_M})。
公式:f(x_{k_m}) ≤ (1/n)∑_{k=1}^n f(x_k) ≤ f(x_{k_M})
提示:利用不等式性质得到平均值介于最小值和最大值之间。
步骤 4/4
目标:应用介值定理
在区间 [α, β] 上,f 连续,且 f(α) 和 f(β) 分别为最小值和最大值(或反之),由介值定理,存在 ξ ∈ [α, β] ⊂ (a,b) 使得 f(ξ) = (1/n)∑f(x_k)。
提示:介值定理要求函数在闭区间上连续。

📷 拍照上传批改

拍照上传批改功能已预留入口,后续接入图片上传、OCR识别与AI批改。