方企勤 第三章 一元函数积分学 第18题

教材习题

📝 题目

例 18 设 $f\left( x\right)$ 是在 $\left( {-\infty , + \infty }\right)$ 上的周期函数,周期为 $T$ ,并满足:

(1) $\left| {f\left( x\right) - f\left( y\right) }\right| \leq L\left| {x - y}\right| \left( {\forall x,y \in \left( {-\infty , + \infty }\right) }\right)$ ,其中 $L$ 为常数;

(2) $\displaystyle{\int }_{0}^{T}f\left( x\right) \mathrm{d}x = 0$ .

求证: $\mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {0,T}\right\rbrack }}\left| {f\left( x\right) }\right| \leq \frac{1}{2}{LT}$ .

💡 答案解析

证 由条件 (1) 成立推出 $f\left( x\right)$ 连续,进而知存在 ${x}_{M} \in \left\lbrack {0,T}\right\rbrack$ ,使得

$$ f\left( {x}_{M}\right) = \mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {0,T}\right\rbrack }}\left| {f\left( x\right) }\right| ; $$

又由条件 (2) 及积分中值定理可知,存在 ${x}_{0} \in \left( {0,T}\right)$ ,使得

$$ f\left( {x}_{0}\right) = \frac{1}{T}{\int }_{0}^{T}f\left( x\right) \mathrm{d}x\overset{\text{ 条件 ( 2 ) }}{ = }0. $$

以下分三种情况讨论:

(1) 当 ${x}_{M} = {x}_{0}$ 时,

$$ f\left( {x}_{M}\right) = f\left( {x}_{0}\right) = 0 \Rightarrow \mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {0,T}\right\rbrack }}\left| {f\left( x\right) }\right| = 0, $$

显然要证的不等式成立.

(2)当 ${x}_{M} > {x}_{0}$ 时,这时由 $f\left( x\right)$ 的周期性,有

$$ 2\left| {f\left( {x}_{0}\right) - f\left( {x}_{M}\right) }\right| = \left| {f\left( {x}_{0}\right) - f\left( {x}_{M}\right) }\right| $$

$$ + \left| {f\left( {{x}_{0} + T}\right) - f\left( {x}_{M}\right) }\right| $$

$$ \leq L\left( {{x}_{M} - {x}_{0}}\right) + L\left( {{x}_{0} + T - {x}_{M}}\right) $$

$$ = {LT}\text{ , } $$

即要证的不等式成立.

(3)当 ${x}_{M} < {x}_{0}$ 时,这时还由 $f\left( x\right)$ 的周期性,有

$$ 2\left| {f\left( {x}_{0}\right) - f\left( {x}_{M}\right) }\right| = \left| {f\left( {x}_{M}\right) - f\left( {x}_{0}\right) }\right| $$

$$ + \left| {f\left( {{x}_{M} + T}\right) - f\left( {x}_{0}\right) }\right| $$

$$ \leq L\left( {{x}_{0} - {x}_{M}}\right) + L\left( {{x}_{M} + T - {x}_{0}}\right) $$

$$ = {LT}\text{ , } $$

即要证的不等式也成立.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:由条件(1)推出f(x)连续,并利用条件(2)和积分中值定理找到零点x0
由条件(1)知f(x)满足Lipschitz条件,故f(x)连续。由条件(2)及积分中值定理,存在x0∈(0,T)使得f(x0)=0。
公式:f(x0) = (1/T)∫_0^T f(x)dx = 0
提示:注意积分中值定理要求连续函数,这里由Lipschitz条件保证连续性。
步骤 2/5
目标:设xM为|f(x)|在[0,T]上的最大值点,分三种情况讨论
由于f(x)连续,存在xM∈[0,T]使得|f(xM)|=max|f(x)|。分xM=x0, xM>x0, xM
提示:最大值点存在性由连续函数在闭区间上的性质保证。
步骤 3/5
目标:情况1: xM=x0时,不等式显然成立
此时f(xM)=0,故max|f(x)|=0≤(1/2)LT。
提示:直接代入即可。
步骤 4/5
目标:情况2: xM>x0时,利用周期性构造两个差值的和,并用Lipschitz条件放缩
由周期性,f(x0+T)=f(x0)=0。则2|f(xM)| = |f(x0)-f(xM)| + |f(x0+T)-f(xM)| ≤ L(xM-x0) + L(x0+T-xM) = LT,故|f(xM)|≤LT/2。
公式:2|f(xM)| ≤ L(xM-x0) + L(x0+T-xM) = LT
提示:关键是将2|f(xM)|拆成两个差值的和,利用周期性和零点。
步骤 5/5
目标:情况3: xM
由周期性,f(xM+T)=f(xM)。则2|f(xM)| = |f(xM)-f(x0)| + |f(xM+T)-f(x0)| ≤ L(x0-xM) + L(xM+T-x0) = LT,故|f(xM)|≤LT/2。
公式:2|f(xM)| ≤ L(x0-xM) + L(xM+T-x0) = LT
提示:注意此时利用f(xM+T)=f(xM)构造。

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