方企勤 第七章 典型综合题分析 第11题

教材习题

📝 题目

例 11 设 $f\left( x\right)$ 在 $\left( {-\infty , + \infty }\right)$ 上二次连续可微,

$$ \left| {f\left( x\right) }\right| \leq 1,\;{\left| f\left( 0\right) \right| }^{2} + {\left| {f}^{\prime }\left( 0\right) \right| }^{2} = 4. $$

求证: $\exists \xi \in \mathbf{R}$ ,使得 $f\left( \xi \right) + {f}^{\prime \prime }\left( \xi \right) = 0$ .

💡 答案解析

证 考虑函数 $F\left( x\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }{\left| f\left( x\right) \right| }^{2} + {\left| {f}^{\prime }\left( x\right) \right| }^{2}$ ,则 $F\left( 0\right) = 4$ ,

$$ {F}^{\prime }\left( x\right) = 2{f}^{\prime }\left( x\right) \left\lbrack {f\left( x\right) + {f}^{\prime \prime }\left( x\right) }\right\rbrack . $$

为了证明结论,只要找到一个点 $\xi$ ,它既是 ${F}^{\prime }\left( x\right)$ 的零点,又是 ${f}^{\prime }\left( x\right)$ 的非零点就行了.

$\forall X > 0$ ,由题设 $\left| {f\left( x\right) }\right| \leq 1$ ,利用微分中值定理, $\exists {\xi }_{1} \in \left( {-X,0}\right)$ 及 ${\xi }_{2} \in \left( {0,X}\right)$ ,使得

$$ \left| {{f}^{\prime }\left( {\xi }_{1}\right) }\right| = \left| \frac{f\left( 0\right) - f\left( {-X}\right) }{X}\right| \leq \frac{2}{X}, $$

$$ \left| {{f}^{\prime }\left( {\xi }_{2}\right) }\right| = \left| \frac{f\left( X\right) - f\left( 0\right) }{X}\right| \leq \frac{2}{X}. $$

由此可见,如果取 $X = 2$ ,那么

$$ \max \left( {F\left( {\xi }_{1}\right) ,F\left( {\xi }_{2}\right) }\right) \leq 1 + \frac{4}{{X}^{2}} = 2 < F\left( 0\right) . $$

因此 $\exists \xi \in \left( {{\xi }_{1},{\xi }_{2}}\right)$ ,使得 $F\left( \xi \right) = \mathop{\max }\limits_{{{\xi }_{1} \leq x \leq {\xi }_{2}}}F\left( x\right)$ . 因为 $\xi$ 是极值点,所以 ${F}^{\prime }\left( \xi \right) = 0$ . 另外

$$ {\left| {f}^{\prime }\left( \xi \right) \right| }^{2} = F\left( \xi \right) - {\left| f\left( \xi \right) \right| }^{2} \geq F\left( 0\right) - 1 = 3, $$

所以 ${f}^{\prime }\left( \xi \right) \neq 0$ . 于是有 $f\left( \xi \right) + {f}^{\prime \prime }\left( \xi \right) = \frac{{F}^{\prime }\left( \xi \right) }{2{f}^{\prime }\left( \xi \right) } = 0$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/7
目标:构造辅助函数F(x)
定义F(x)=|f(x)|^2+|f'(x)|^2,则F(0)=4。
公式:F(x)=|f(x)|^2+|f'(x)|^2
提示:F(x)的构造是为了将f(x)+f''(x)与F'(x)联系起来。
步骤 2/7
目标:求F'(x)并联系目标
求导得F'(x)=2f'(x)[f(x)+f''(x)]。要证存在ξ使f(ξ)+f''(ξ)=0,只需证存在ξ使F'(ξ)=0且f'(ξ)≠0。
公式:F'(x)=2f'(x)[f(x)+f''(x)]
提示:注意f'(x)不能为零,否则无法从F'(ξ)=0推出f(ξ)+f''(ξ)=0。
步骤 3/7
目标:利用微分中值定理估计f'(ξ1)和f'(ξ2)
取X=2,由微分中值定理,存在ξ1∈(-2,0)和ξ2∈(0,2),使得|f'(ξ1)|=|f(0)-f(-2)|/2 ≤ 2/2=1,同理|f'(ξ2)|≤1。
公式:|f'(ξ1)|≤2/X, |f'(ξ2)|≤2/X
提示:利用|f(x)|≤1得到分子≤2。
步骤 4/7
目标:比较F(ξ1), F(ξ2)与F(0)
计算F(ξ1)=|f(ξ1)|^2+|f'(ξ1)|^2 ≤ 1+1=2,同理F(ξ2)≤2,而F(0)=4,所以F(0)大于F(ξ1)和F(ξ2)。
公式:F(ξ1)≤2, F(ξ2)≤2, F(0)=4
提示:因此F(x)在[ξ1,ξ2]上的最大值在内部取得。
步骤 5/7
目标:找到极值点ξ
由于F(x)在[ξ1,ξ2]上连续,存在最大值点ξ∈(ξ1,ξ2),且F(ξ)≥F(0)=4,故ξ为极大值点,从而F'(ξ)=0。
公式:F'(ξ)=0
提示:极值点处导数为零。
步骤 6/7
目标:证明f'(ξ)≠0
由F(ξ)≥4,且|f(ξ)|≤1,得|f'(ξ)|^2 = F(ξ)-|f(ξ)|^2 ≥ 4-1=3,所以|f'(ξ)|≥√3>0,即f'(ξ)≠0。
公式:|f'(ξ)|^2 ≥ 3
提示:利用F(ξ)≥F(0)=4。
步骤 7/7
目标:得出结论
由F'(ξ)=2f'(ξ)[f(ξ)+f''(ξ)]=0且f'(ξ)≠0,得f(ξ)+f''(ξ)=0。
公式:f(ξ)+f''(ξ)=0
提示:证毕。

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