方企勤 第一章 分析基础 第28题

教材习题

📝 题目

例 28 设函数 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 上单调上升, $f\left( a\right) > a,f\left( b\right) < b$ . 求证: $\exists c \in \left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ ,使得 $f\left( c\right) = c$ .

💡 答案解析

证 将 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 二等分,分点记为 ${c}_{0}$ ,

$$ \left\{ \begin{array}{l} \text{ 若 }f\left( {c}_{0}\right) = {c}_{0},\text{ 取 }c = {c}_{0}\text{ 即符合要求, } \\ \text{ 若 }f\left( {c}_{0}\right) > {c}_{0},\text{ 取 }\left\lbrack {{a}_{1},{b}_{1}}\right\rbrack = \left\lbrack {{c}_{0},b}\right\rbrack , \\ \text{ 若 }f\left( {c}_{0}\right) < {c}_{0},\text{ 取 }\left\lbrack {{a}_{1},{b}_{1}}\right\rbrack = \left\lbrack {a,{c}_{0}}\right\rbrack , \end{array}\right. $$

$$ \Rightarrow f\left( {a}_{1}\right) > {a}_{1},f\left( {b}_{1}\right) < {b}_{1}\text{ . } $$

将 $\left\lbrack {{a}_{1},{b}_{1}}\right\rbrack$ 二等分,分点记为 ${c}_{1}$ ,

$$ \left\{ \begin{array}{l} \text{ 若 }f\left( {c}_{1}\right) = {c}_{1},\text{ 取 }c = {c}_{1}\text{ 即符合要求, } \\ \text{ 若 }f\left( {c}_{1}\right) > {c}_{1},\text{ 取 }\left\lbrack {{a}_{2},{b}_{2}}\right\rbrack = \left\lbrack {{c}_{1},{b}_{1}}\right\rbrack , \\ \text{ 若 }f\left( {c}_{1}\right) < {c}_{1},\text{ 取 }\left\lbrack {{a}_{2},{b}_{2}}\right\rbrack = \left\lbrack {{a}_{1},{c}_{1}}\right\rbrack , \end{array}\right. $$

$$ \Rightarrow f\left( {a}_{2}\right) > {a}_{2},f\left( {b}_{2}\right) < {b}_{2}. $$

如此继续下去,要么到某一步时,取到一个分点 ${c}_{n}$ ,使得 $f\left( {c}_{n}\right) = {c}_{n}$ $\Rightarrow c = {c}_{n}$ ; 要么这些步骤可无限进行下去,产生一串闭区间 $\left\lbrack {{a}_{n},{b}_{n}}\right\rbrack$ , 并具有如下三条性质:

$$ \left\lbrack {{a}_{n + 1},{b}_{n + 1}}\right\rbrack \subset \left\lbrack {{a}_{n},{b}_{n}}\right\rbrack \;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) ; $$

$$ {b}_{n} - {a}_{n} = \frac{1}{{2}^{n}}\left( {b - a}\right) \rightarrow 0\;\left( {n \rightarrow \infty }\right) ; $$

$$ f\left( {a}_{n}\right) > {a}_{n},\;f\left( {b}_{n}\right) < {b}_{n}. $$

因此,根据区间套定理, $\exists c$ 使得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{a}_{n} = c = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{b}_{n}}$ . 并由 $f\left( x\right)$ 的单调性, 有

$$ f\left( {c - 0}\right) = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}f\left( {a}_{n}\right) \geq \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{a}_{n} = c, $$

$$ f\left( {c + 0}\right) = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}f\left( {b}_{n}\right) \leq \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{b}_{n} = c. $$

由此,利用 $f\left( x\right)$ 的单调性,得到

$$ c \leq f\left( {c - 0}\right) \leq f\left( c\right) \leq f\left( {c + 0}\right) \leq c $$

$$ \Rightarrow f\left( c\right) = c\text{ . } $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:构造区间套序列
将区间 [a,b] 二等分,分点为 c0。若 f(c0)=c0,则取 c=c0 即得证。否则,若 f(c0)>c0,取 [a1,b1]=[c0,b];若 f(c0)a1 且 f(b1)an,f(bn)
公式:b_n - a_n = \frac{b-a}{2^n}
提示:注意每次选取子区间时保持端点处函数值与端点值的不等关系不变。
步骤 2/3
目标:应用区间套定理得到极限点
由区间套定理,存在唯一一点 c 使得 lim an = c = lim bn。
公式:\lim_{n\to\infty} a_n = c = \lim_{n\to\infty} b_n
提示:区间套定理保证极限点存在且唯一。
步骤 3/3
目标:利用单调性推导函数值的不等式
由 f 的单调上升性,有 f(c-0)=lim f(an) ≥ lim an = c,以及 f(c+0)=lim f(bn) ≤ lim bn = c。再由单调性得 c ≤ f(c-0) ≤ f(c) ≤ f(c+0) ≤ c,从而 f(c)=c。
公式:c \leq f(c-0) \leq f(c) \leq f(c+0) \leq c
提示:注意 f(c-0) 和 f(c+0) 分别表示左右极限,由单调性保证存在。

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