方企勤 第二章 一元函数微分学 第13题

教材习题

📝 题目

例 13 设 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 上一阶可导,在(a, b)内二阶可导,且

$$ f\left( a\right) = f\left( b\right) = 0,\;{f}^{\prime }\left( a\right) \cdot {f}^{\prime }\left( b\right) > 0, $$

试证:

(1)存在 $\xi \in \left( {a,b}\right)$ ,使 $f\left( \xi \right) = 0$ ;

(2)存在 $\eta \in \left( {a,b}\right)$ ,使 ${f}^{\prime \prime }\left( \eta \right) = f\left( \eta \right)$ .

💡 答案解析

解(1)依题意,存在 ${x}_{1},{x}_{2}$ 满足 $a < {x}_{1} < {x}_{2} < b$ ,使得

$$ \left. \begin{array}{l} \frac{f\left( {x}_{1}\right) }{{x}_{1} - a}{f}^{\prime }\left( a\right) > 0 \\ \frac{f\left( {x}_{2}\right) }{{x}_{2} - b}{f}^{\prime }\left( b\right) > 0 \end{array}\right\} \Rightarrow \frac{f\left( {x}_{1}\right) f\left( {x}_{2}\right) }{\left( {{x}_{1} - a}\right) \left( {{x}_{2} - b}\right) } > 0 $$

$$ \Rightarrow f\left( {x}_{1}\right) f\left( {x}_{2}\right) < 0\text{ . } $$

故存在 $\xi \in \left( {{x}_{1},{x}_{2}}\right) \subset \left( {a,b}\right)$ ,使 $f\left( \xi \right) = 0$ .

(2)令 $F\left( x\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }{\mathrm{e}}^{x}f\left( x\right)$ ,注意到 ${F}^{\prime }\left( x\right) = {\mathrm{e}}^{x}\left( {{f}^{\prime }\left( x\right) - f\left( x\right) }\right)$ . 因为 $F\left( a\right) = F\left( \xi \right) = F\left( b\right) = 0$ ,所以根据罗尔定理,存在 ${\xi }_{1} \in \left( {a,\xi }\right)$ , ${\xi }_{2} \in \left( {\xi ,b}\right)$ ,使得

$$ {F}^{\prime }\left( {\xi }_{1}\right) = {F}^{\prime }\left( {\xi }_{2}\right) = 0 \Rightarrow {f}^{\prime }\left( {\xi }_{1}\right) = f\left( {\xi }_{1}\right) ,{f}^{\prime }\left( {\xi }_{2}\right) = f\left( {\xi }_{2}\right) . $$

再令 $G\left( x\right) = {f}^{\prime }\left( x\right) - f\left( x\right)$ ,并改写 ${f}^{\prime \prime }\left( x\right) - f\left( x\right) = {G}^{\prime }\left( x\right) + G\left( x\right)$ ,则因为

$$ G\left( {\xi }_{1}\right) = G\left( {\xi }_{2}\right) = 0\overset{\text{ 罗尔定理 }}{ \rightarrow }\exists \eta \in \left( {{\xi }_{1},{\xi }_{2}}\right) , $$

使得 ${\left. {\left\lbrack {\mathrm{e}}^{x}G\left( x\right) \right\rbrack }^{\prime }\right| }_{x = \eta } = 0$ . 即得 ${f}^{\prime \prime }\left( \eta \right) - f\left( \eta \right) = {G}^{\prime }\left( \eta \right) + G\left( \eta \right) = 0$ .

\subsubsection{四、用反证法}

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:证明存在ξ∈(a,b)使f(ξ)=0
由f'(a)·f'(b)>0,不妨设f'(a)>0且f'(b)>0(若均负,同理)。根据导数定义,存在x1∈(a,b)使得(f(x1)-f(a))/(x1-a)=f(x1)/(x1-a)>0,故f(x1)>0;存在x2∈(a,b)使得(f(x2)-f(b))/(x2-b)=f(x2)/(x2-b)>0,由于x2-b<0,故f(x2)<0。因此f(x1)f(x2)<0,由零点定理,存在ξ∈(x1,x2)⊂(a,b)使f(ξ)=0。
公式:f(x1)/(x1-a)>0, f(x2)/(x2-b)>0 ⇒ f(x1)f(x2)<0
提示:注意x2-b的符号,确保f(x2)与f'(b)异号。
步骤 2/2
目标:证明存在η∈(a,b)使f''(η)=f(η)
令F(x)=e^{-x}f(x),则F'(x)=e^{-x}(f'(x)-f(x))。由F(a)=F(ξ)=F(b)=0,根据罗尔定理,存在ξ1∈(a,ξ),ξ2∈(ξ,b)使得F'(ξ1)=F'(ξ2)=0,即f'(ξ1)=f(ξ1),f'(ξ2)=f(ξ2)。再令G(x)=f'(x)-f(x),则G(ξ1)=G(ξ2)=0。考虑H(x)=e^{x}G(x),则H'(x)=e^{x}(G'(x)+G(x))。由罗尔定理,存在η∈(ξ1,ξ2)使得H'(η)=0,即G'(η)+G(η)=0,而G'(η)+G(η)=f''(η)-f(η),故f''(η)=f(η)。
公式:F(x)=e^{-x}f(x), H(x)=e^{x}G(x), G(x)=f'(x)-f(x)
提示:构造辅助函数是关键,注意两次使用罗尔定理。

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