方企勤 第七章 典型综合题分析 第13题

教材习题

📝 题目

例 13 设 $f\left( x\right)$ 在 $\left( {-\infty , + \infty }\right)$ 可微, $f\left( 0\right) = 0$ ,且处处有 $\left| {{f}^{\prime }\left( x\right) }\right|$ $\leq \left| {f\left( x\right) }\right|$ . 求证: $f\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \in \mathbf{R}}\right)$ .

💡 答案解析

证 (1) 证 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,1}\right\rbrack }\right)$ . 对 $\forall x > 0$ ,利用微分中值定理, 推出

$$ \left| {f\left( x\right) }\right| = \left| {f\left( x\right) - f\left( 0\right) }\right| = \left| {{f}^{\prime }\left( {x}_{1}\right) }\right| x \leq \left| {f\left( {x}_{1}\right) }\right| x $$

$$ \left( {0 < {x}_{1} < x}\right) \text{ . } $$

用 ${x}_{1}$ 代替上式中的 $x$ ,有 $\left| {f\left( {x}_{1}\right) }\right| \leq \left| {f\left( {x}_{2}\right) }\right| {x}_{1}\left( {0 < {x}_{2} < {x}_{1}}\right)$ . 同理

$$ \left| {f\left( {x}_{2}\right) }\right| \leq \left| {f\left( {x}_{3}\right) }\right| {x}_{2}\;\left( {0 < {x}_{3} < {x}_{2}}\right) ,\;\cdots $$

$$ \left| {f\left( {x}_{n - 1}\right) }\right| \leq \left| {f\left( {x}_{n}\right) }\right| {x}_{n - 1}\;\left( {0 < {x}_{n} < {x}_{n - 1}}\right) . $$

将以上几个不等式的左边和右边分别相乘, 得

$$ \left| {f\left( x\right) }\right| \leq x \cdot {x}_{1} \cdot \cdots \cdot {x}_{n - 1}\left| {f\left( {x}_{n}\right) }\right| \leq {x}^{n}\left| {f\left( {x}_{n}\right) }\right| . $$

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

$$ \left| {f\left( x\right) }\right| \leq {M}_{1}\;\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,1}\right\rbrack }\right) . $$

于是,当 $0 \leq x < 1$ 时,有 $\left| {f\left( x\right) }\right| \leq {M}_{1}{x}^{n} \rightarrow 0\left( {\text{ 当 }n \rightarrow \infty }\right)$ . 由此得出 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {0 \leq x < 1}\right)$ . 又由连续性,有 $f\left( 1\right) = 0$ . 从而

$$ f\left( x\right) \equiv 0\;\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,1}\right\rbrack }\right) . $$

(2)证 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {x \geq 0}\right)$ . 用数学归纳法. (1) 已证 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 中恒等于 0,今设 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,n}\right\rbrack$ 上恒等于 0 . 令 ${f}_{n}\left( x\right) = f\left( {x + n}\right)$ , 则有

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

用 (1) 的结果,便可推出 ${f}_{n}\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,1}\right\rbrack }\right)$ ,即

$$ f\left( x\right) \equiv 0\;\left( {\forall x \in \left\lbrack {n,n + 1}\right\rbrack }\right) . $$

从而 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,n + 1}\right\rbrack }\right)$ . 这样利用数学归纳法原理便可推得 $\forall n \in \mathbf{N}$ ,有 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \in \left\lbrack {0,n}\right\rbrack }\right)$ ,这显然蕴含着 $f\left( x\right)$ 在 $\lbrack 0,\infty )$ 上恒等于 0 .

(3) 证 $f\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \leq 0}\right)$ . 令 ${f}_{ - }\left( x\right) = f\left( {-x}\right)$ ,则有 ${f}_{ - }\left( 0\right) = 0$ , 且

$$ \left| {{f}_{ - }^{\prime }\left( x\right) }\right| = \left| {{f}^{\prime }\left( {-x}\right) }\right| \leq \left| {f\left( {-x}\right) }\right| = \left| {{f}_{ - }\left( x\right) }\right| . $$

利用 (2) 的结果,便可推出 ${f}_{ - }\left( x\right) \equiv 0\left( {\forall x \geq 0}\right)$ ,即

$$ f\left( x\right) \equiv 0\;\left( {\forall x \leq 0}\right) . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明f(x)在[0,1]上恒为零
对任意x∈(0,1],由微分中值定理,存在ξ₁∈(0,x)使得|f(x)|=|f(x)-f(0)|=|f'(ξ₁)|x≤|f(ξ₁)|x。反复应用,得到|f(x)|≤x·x₁·...·x_{n-1}|f(x_n)|≤x^n|f(x_n)|。由于f在[0,1]上连续,存在M₁>0使得|f(x)|≤M₁,故|f(x)|≤M₁x^n→0当n→∞,因此f(x)=0对x∈[0,1)成立。由连续性,f(1)=0。
公式:|f(x)| ≤ x^n |f(x_n)|, 0≤x<1
提示:注意x<1时x^n趋于0,利用夹逼定理
步骤 2/3
目标:证明f(x)在x≥0上恒为零
用数学归纳法。已证f在[0,1]上恒为零。假设f在[0,n]上恒为零,考虑g(x)=f(x+n),则g(0)=0,|g'(x)|=|f'(x+n)|≤|f(x+n)|=|g(x)|。由(1)知g在[0,1]上恒为零,即f在[n,n+1]上恒为零。因此f在[0,n+1]上恒为零。由归纳法,f在[0,∞)上恒为零。
公式:g(x)=f(x+n), |g'(x)|≤|g(x)|
提示:利用平移变换将区间[0,n]上的结论推广到[0,n+1]
步骤 3/3
目标:证明f(x)在x≤0上恒为零
令h(x)=f(-x),则h(0)=0,|h'(x)|=|f'(-x)|≤|f(-x)|=|h(x)|。由(2)知h在[0,∞)上恒为零,即f在(-∞,0]上恒为零。
公式:h(x)=f(-x), |h'(x)|≤|h(x)|
提示:利用对称性将负半轴转化为正半轴问题

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