方企勤 第三章 一元函数积分学 第8题

教材习题

📝 题目

例 8 设 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 上二阶连续可微,且 ${f}^{\prime \prime }\left( x\right) > 0$ ,求证

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x - \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) \mathrm{d}x $$

$$ = \frac{1}{2}{\int }_{a}^{b}{f}^{\prime \prime }\left( x\right) \left( {x - a}\right) \left( {x - b}\right) \mathrm{d}x. \tag{3.5} $$

💡 答案解析

证 由分部积分公式, 我们有

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x = {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}\left( {x - a}\right) $$

$$ = {\left. f\left( x\right) \left( x - a\right) \right| }_{a}^{b} - {\int }_{a}^{b}\left( {x - a}\right) {f}^{\prime }\left( x\right) \mathrm{d}x, \tag{3.6} $$

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x = {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}\left( {x - b}\right) $$

$$ = {\left. f\left( x\right) \left( x - b\right) \right| }_{a}^{b} - {\int }_{a}^{b}\left( {x - b}\right) {f}^{\prime }\left( x\right) \mathrm{d}x, \tag{3.7} $$

(3.6) 与 (3.7) 式相加除以 2, 得

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x = \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) $$

$$ - \frac{1}{2}{\int }_{a}^{b}\left( {x - a + x - b}\right) {f}^{\prime }\left( x\right) \mathrm{d}x $$

$$ = \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) $$

$$ - \frac{1}{2}{\int }_{a}^{b}{f}^{\prime }\left( x\right) \mathrm{d}\left( {x - a}\right) \left( {x - b}\right) $$

$$ = \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) $$

$$ + \frac{1}{2}{\int }_{a}^{b}{f}^{\prime \prime }\left( x\right) \left( {x - a}\right) \left( {x - b}\right) \mathrm{d}x. \tag{3.8} $$

评注 (3.5)式给出梯形公式误差的积分表示, 也就是

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x \approx \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) $$

的误差. 注意到 $\left( {x - a}\right) \left( {x - b}\right) < 0\left( {x \in \left( {a,b}\right) }\right)$ ,如果 ${f}^{\prime \prime }\left( x\right) > 0$ ,即 $f\left( x\right)$ 是凹函数,那么 (3.8) 式给出

$$ {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x < \frac{1}{2}\left( {b - a}\right) \left( {f\left( a\right) + f\left( b\right) }\right) . $$

从几何意义上看, 这正表明凹弧下的曲边梯形面积, 小于它所对的弦下的梯形面积.

\subsubsection{三、含定积分的不等式证明}

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:利用分部积分将 ∫f(x)dx 表示为含有 f'(x) 的形式
将 ∫_a^b f(x) dx 写成 ∫_a^b f(x) d(x-a),应用分部积分得:∫_a^b f(x) dx = f(x)(x-a)|_a^b - ∫_a^b (x-a) f'(x) dx = f(b)(b-a) - ∫_a^b (x-a) f'(x) dx。
公式:∫_a^b f(x) dx = f(b)(b-a) - ∫_a^b (x-a) f'(x) dx
提示:分部积分时选择 u=f(x), dv=d(x-a)
步骤 2/5
目标:类似地,将 ∫f(x)dx 表示为另一种形式
将 ∫_a^b f(x) dx 写成 ∫_a^b f(x) d(x-b),分部积分得:∫_a^b f(x) dx = f(x)(x-b)|_a^b - ∫_a^b (x-b) f'(x) dx = f(a)(a-b) - ∫_a^b (x-b) f'(x) dx。
公式:∫_a^b f(x) dx = f(a)(a-b) - ∫_a^b (x-b) f'(x) dx
提示:注意 (x-b) 在 a 和 b 处的值
步骤 3/5
目标:将两个表达式相加并除以2,得到对称形式
将 (3.6) 和 (3.7) 相加除以2:∫_a^b f(x) dx = (1/2)[f(b)(b-a) + f(a)(a-b)] - (1/2)∫_a^b [(x-a)+(x-b)] f'(x) dx = (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) - (1/2)∫_a^b (2x-a-b) f'(x) dx。
公式:∫_a^b f(x) dx = (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) - (1/2)∫_a^b (2x-a-b) f'(x) dx
提示:注意 (x-a)+(x-b)=2x-a-b
步骤 4/5
目标:将积分项写成微分形式,再次分部积分
注意到 d[(x-a)(x-b)] = (2x-a-b) dx,所以 ∫_a^b (2x-a-b) f'(x) dx = ∫_a^b f'(x) d[(x-a)(x-b)]。分部积分得:f'(x)(x-a)(x-b)|_a^b - ∫_a^b (x-a)(x-b) f''(x) dx = -∫_a^b (x-a)(x-b) f''(x) dx,因为 (x-a)(x-b) 在端点为零。代入上式得:∫_a^b f(x) dx = (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) + (1/2)∫_a^b (x-a)(x-b) f''(x) dx。
公式:∫_a^b f(x) dx = (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) + (1/2)∫_a^b (x-a)(x-b) f''(x) dx
提示:分部积分后边界项为零,注意符号
步骤 5/5
目标:移项得到所需等式
将上一步结果移项即得:∫_a^b f(x) dx - (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) = (1/2)∫_a^b f''(x)(x-a)(x-b) dx。
公式:∫_a^b f(x) dx - (1/2)(b-a)(f(a)+f(b)) = (1/2)∫_a^b f''(x)(x-a)(x-b) dx
提示:这就是要证明的 (3.5) 式

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