方企勤 第三章 一元函数积分学 第14题

教材习题

📝 题目

例 14 设 ${f}^{\prime }\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上连续,求证:

$$ {\int }_{0}^{1}\left| {f\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x \leq \max \left\{ {{\int }_{0}^{1}\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x,\left| {{\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x}\right| }\right\} . $$

💡 答案解析

证 分两种情况讨论. (1) 如果 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上不变号,则

$$ {\int }_{0}^{1}\left| {f\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x = \left| {{\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x}\right| $$

$$ \leq \max \left\{ {{\int }_{0}^{1}\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x,\left| {{\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x}\right| }\right\} , $$

即要证的不等式成立.

(2)如果 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上变号,则存在 ${x}_{0} \in \left( {0,1}\right)$ ,使得

$$ f\left( {x}_{0}\right) = 0. $$

又因为 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上连续,存在 ${x}_{M} \in \left( {0,1}\right)$ ,使得

$$ f\left( {x}_{M}\right) = \mathop{\max }\limits_{{x \in \left( {0,1}\right) }}\left| {f\left( x\right) }\right| > 0, $$

故有

$$ {\int }_{0}^{1}\left| {f\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x \leq \mathop{\max }\limits_{{x \in \left( {0,1}\right) }}\left| {f\left( x\right) }\right| = \left| {f\left( {x}_{M}\right) - f\left( {x}_{0}\right) }\right| $$

(用微积分基本定理)

$$ = \left| {{\int }_{{x}_{0}}^{{x}_{M}}{f}^{\prime }\left( x\right) \mathrm{d}x}\right| \leq {\int }_{0}^{1}\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x $$

$$ \leq \max \left\{ {{\int }_{0}^{1}\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right| \mathrm{d}x,\left| {{\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x}\right| }\right\} , $$

即要证的不等式成立.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:分情况讨论:f(x)在[0,1]上不变号或变号
由于结论涉及最大值,考虑f(x)是否变号。若不变号,则|f(x)|的积分等于f(x)积分的绝对值;若变号,则存在零点,利用导数积分估计。
提示:变号时,利用零点将函数值差转化为导数积分。
步骤 2/3
目标:情况1:f(x)不变号,证明不等式成立
若f(x)在[0,1]上不变号,则∫|f|dx = |∫f dx|,显然≤ max{∫|f'|dx, |∫f dx|}。
公式:∫_0^1 |f(x)|dx = |∫_0^1 f(x)dx|
提示:不变号时,绝对值可提到积分号外。
步骤 3/3
目标:情况2:f(x)变号,证明不等式成立
若f(x)变号,则存在x0∈(0,1)使f(x0)=0。设xM为|f(x)|的最大值点,则∫|f|dx ≤ |f(xM)| = |f(xM)-f(x0)| = |∫_{x0}^{xM} f'(x)dx| ≤ ∫_0^1 |f'(x)|dx ≤ max{∫|f'|dx, |∫f dx|}。
公式:|f(x_M)| = |∫_{x_0}^{x_M} f'(x)dx| ≤ ∫_0^1 |f'(x)|dx
提示:利用微积分基本定理将函数值差转化为导数积分。

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