方企勤 第三章 一元函数积分学 第19题

教材习题

📝 题目

例 19 设 $f\left( x\right)$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上可微,且 $0 < {f}^{\prime }\left( x\right) < 1(\forall x \in$

$\left( {0,1}\right) ),f\left( 0\right) = 0$ . 求证:

$$ {\left( {\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2} > {\int }_{0}^{1}{f}^{3}\left( x\right) \mathrm{d}x. \tag{3.29} $$

💡 答案解析

证法 1 问题就是要证明

$$ \frac{{\left( {\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2}}{{\int }_{0}^{1}{f}^{3}\left( x\right) \mathrm{d}x} > 1. \tag{3.30} $$

作辅助函数

$$ F\left( x\right) = {\left( {\int }_{0}^{x}f\left( t\right) \mathrm{d}t\right) }^{2},\;G\left( x\right) = {\int }_{0}^{x}{f}^{3}\left( t\right) \mathrm{d}t, $$

则根据柯西中值定理可知 (3.30) 式左端

$$ \frac{{\left( {\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2}}{{\int }_{0}^{1}{f}^{3}\left( x\right) \mathrm{d}x} = \frac{F\left( 1\right) - F\left( 0\right) }{G\left( 1\right) - G\left( 0\right) } = \frac{{F}^{\prime }\left( \xi \right) }{{G}^{\prime }\left( \xi \right) } $$

$$ = \frac{{2f}\left( \xi \right) {\int }_{0}^{\xi }f\left( t\right) \mathrm{d}t}{{f}^{3}\left( \xi \right) } = \frac{2{\int }_{0}^{\xi }f\left( t\right) \mathrm{d}t}{{f}^{2}\left( \xi \right) }\left( {0 < \xi < 1}\right) $$

$$ = \frac{2{\int }_{0}^{\xi }f\left( t\right) \mathrm{d}t - 2{\int }_{0}^{0}f\left( t\right) \mathrm{d}t}{{f}^{2}\left( \xi \right) - {f}^{2}\left( 0\right) } = \frac{{2f}\left( \eta \right) }{{2f}\left( \eta \right) {f}^{\prime }\left( \eta \right) } $$

$$ = \frac{1}{{f}^{\prime }\left( \eta \right) } > 1\left( {0 < \eta < \xi < 1}\right) . $$

证法 2 问题就是要证明

$$ {\left( {\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2} - {\int }_{0}^{1}{f}^{3}\left( x\right) \mathrm{d}x > 0. \tag{3.31} $$

作辅助函数

$$ F\left( x\right) = {\left( {\int }_{0}^{x}f\left( t\right) \mathrm{d}t\right) }^{2} - {\int }_{0}^{x}{f}^{3}\left( t\right) \mathrm{d}t, $$

因为 $F\left( 0\right) = 0$ ,所以只要证明 ${F}^{\prime }\left( x\right) > 0\left( {\forall x \in \left( {0,1}\right) }\right)$ . 事实上,

$$ {F}^{\prime }\left( x\right) = {2f}\left( x\right) {\int }_{0}^{x}f\left( t\right) \mathrm{d}t - {f}^{3}\left( x\right) $$

$$ = f\left( x\right) \left\lbrack {2{\int }_{0}^{x}f\left( t\right) \mathrm{d}t - {f}^{2}\left( x\right) }\right\rbrack . \tag{3.32} $$

因为 $f\left( 0\right) = 0,0 < {f}^{\prime }\left( x\right) < 1\left( {\forall x \in \left( {0,1}\right) }\right)$ ,所以 $f\left( x\right) > 0(\forall x \in$ $\left( {0,1}\right) )$ .

由此可见, 只要再证明 (3.32) 式中方括弧内的函数大于零, 即有 ${F}^{\prime }\left( x\right) > 0$ . 事实上,记

$$ g\left( x\right) = 2{\int }_{0}^{x}f\left( t\right) \mathrm{d}t - {f}^{2}\left( x\right) , $$

因为 $g\left( 0\right) = 0$ ,所以

$$ {g}^{\prime }\left( x\right) = {2f}\left( x\right) - {2f}\left( x\right) \cdot {f}^{\prime }\left( x\right) = {2f}\left( x\right) \left\lbrack {1 - {f}^{\prime }\left( x\right) }\right\rbrack > 0 $$

$$ \left( {\forall x \in \left( {0,1}\right) }\right) \text{ , } $$

即得 $g\left( x\right) > 0$ ,也就是 (3.32) 式中方括弧内的函数大于零.

\subsubsection{四、含定积分的中值命题}

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将待证不等式转化为比值形式,以便应用中值定理
要证 (∫₀¹ f(x) dx)² > ∫₀¹ f³(x) dx,等价于证明 (∫₀¹ f(x) dx)² / ∫₀¹ f³(x) dx > 1。
公式:\frac{\left(\int_0^1 f(x) dx\right)^2}{\int_0^1 f^3(x) dx} > 1
提示:注意分母为正,因为 f(x)>0。
步骤 2/5
目标:构造辅助函数 F(x) 和 G(x),应用柯西中值定理
令 F(x) = (∫₀ˣ f(t) dt)²,G(x) = ∫₀ˣ f³(t) dt。则 F(0)=0,G(0)=0。由柯西中值定理,存在 ξ∈(0,1) 使得 (F(1)-F(0))/(G(1)-G(0)) = F'(ξ)/G'(ξ)。
公式:\frac{F(1)-F(0)}{G(1)-G(0)} = \frac{F'(\xi)}{G'(\xi)}
提示:柯西中值定理要求分母不为零,这里 G'(x)=f³(x)>0。
步骤 3/5
目标:计算 F'(ξ) 和 G'(ξ) 并化简
F'(x)=2f(x)∫₀ˣ f(t) dt,G'(x)=f³(x)。所以 F'(ξ)/G'(ξ) = 2f(ξ)∫₀^ξ f(t) dt / f³(ξ) = 2∫₀^ξ f(t) dt / f²(ξ)。
公式:\frac{F'(\xi)}{G'(\xi)} = \frac{2\int_0^\xi f(t) dt}{f^2(\xi)}
提示:注意 f(ξ)>0。
步骤 4/5
目标:再次应用柯西中值定理,引入 η
考虑函数 h(x)=∫₀ˣ f(t) dt 和 k(x)=f²(x)。由柯西中值定理,存在 η∈(0,ξ) 使得 (h(ξ)-h(0))/(k(ξ)-k(0)) = h'(η)/k'(η)。h'(η)=f(η),k'(η)=2f(η)f'(η)。所以 2∫₀^ξ f(t) dt / f²(ξ) = 2f(η)/(2f(η)f'(η)) = 1/f'(η)。
公式:\frac{2\int_0^\xi f(t) dt}{f^2(\xi)} = \frac{1}{f'(\eta)}
提示:注意 f(0)=0,所以 f²(0)=0。
步骤 5/5
目标:利用条件 0
由条件知 01。因此原不等式成立。
公式:\frac{1}{f'(\eta)} > 1
提示:f'(η) 在 (0,1) 内,倒数大于1。

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