方企勤 第二章 一元函数微分学 第15题

教材习题

📝 题目

例 15 设 $f\left( x\right)$ 是非负函数,在 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 上二阶可导,且 ${f}^{\prime \prime }\left( x\right) \neq 0$ , 求证: 方程 $f\left( x\right) = 0$ 在(a, b)内如果有根,就只能有一个根.

💡 答案解析

证 设 ${x}_{0} \in \left( {a,b}\right)$ ,使得 $f\left( {x}_{0}\right) = 0$ . 首先,我们有 ${f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = 0$ . 事实上,由假设 $f\left( x\right) \geq 0$ ,

$$ \left. \begin{array}{l} {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = {f}_{ - }^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow {x}_{0} - }}\frac{f\left( x\right) - f\left( {x}_{0}\right) }{x - {x}_{0}} \leq 0 \\ {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = {f}_{ + }^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow {x}_{0} + }}\frac{f\left( x\right) - f\left( {x}_{0}\right) }{x - {x}_{0}} \geq 0 \end{array}\right\} \Rightarrow {f}^{\prime }\left( {x}_{0}\right) = 0. $$

其次,我们假定存在 ${x}_{1},{x}_{2} \in \left( {a,b}\right) ,{x}_{1} \neq {x}_{2}$ (不妨设 ${x}_{1} < {x}_{2}$ ),使得 $f\left( {x}_{1}\right) = f\left( {x}_{2}\right) = 0$ . 那么根据上述证明,我们有 ${f}^{\prime }\left( {x}_{1}\right) = {f}^{\prime }\left( {x}_{2}\right) = 0$ . 再在 $\left\lbrack {{x}_{1},{x}_{2}}\right\rbrack$ 上对 ${f}^{\prime }\left( x\right)$ 用罗尔中值定理,则存在 $\xi \in \left( {{x}_{1},{x}_{2}}\right)$ ,使得 ${f}^{\prime \prime }\left( \xi \right) = 0$ . 这与 ${f}^{\prime \prime }\left( x\right) \neq 0$ 的假定矛盾.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明若存在根,则导数在该点为零
设 x0 ∈ (a,b) 使得 f(x0)=0。由于 f(x)≥0,考虑左右导数:左导数 f'_-(x0)=lim_{x→x0-} (f(x)-f(x0))/(x-x0) ≤ 0,右导数 f'_+(x0)=lim_{x→x0+} (f(x)-f(x0))/(x-x0) ≥ 0。因此 f'(x0)=0。
公式:f'(x0)=0
提示:利用非负性和极值点性质
步骤 2/3
目标:反证法假设存在两个根
假设存在两个不同的根 x1
步骤 3/3
目标:应用罗尔中值定理得到矛盾
在 [x1,x2] 上对 f'(x) 应用罗尔中值定理,存在 ξ∈(x1,x2) 使得 f''(ξ)=0,与已知 f''(x)≠0 矛盾。
公式:f''(ξ)=0
提示:注意罗尔定理的条件

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