方企勤 第三章 一元函数积分学 第20题

教材习题

📝 题目

例 20 设 $f\left( x\right) \geq 0$ 在 $\left\lbrack {0,1}\right\rbrack$ 上连续, $f\left( 1\right) = 0$ . 求证: 存在 $\xi \in$ (0,1),使得

$$ f\left( \xi \right) = {\int }_{0}^{\xi }f\left( x\right) \mathrm{d}x. \tag{3.33} $$

💡 答案解析

证(1)如果 $f\left( x\right) \equiv 0$ ,则 (3.33) 式显然成立.

(2)如果 $f\left( x\right) ≢ 0$ ,则

$$ M = \mathop{\max }\limits_{{x \in \left\lbrack {0,1}\right\rbrack }}f\left( x\right) > 0,\;\text{ 且 }\;{\int }_{0}^{1}f\left( x\right) \mathrm{d}x > 0. $$

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

$$ F\left( 1\right) = f\left( 1\right) - {\int }_{0}^{1}f\left( t\right) \mathrm{d}t < 0. \tag{3.34} $$

设 ${x}_{M} \in \lbrack 0,1)$ ,使得 $f\left( {x}_{M}\right) = M$ ,则

$$ F\left( {x}_{M}\right) = M - {\int }_{0}^{{x}_{M}}f\left( t\right) \mathrm{d}t\left\{ \begin{array}{ll} = M > 0, & {x}_{M} = 0, \\ \geq \left( {1 - {x}_{M}}\right) M > 0, & {x}_{M} > 0. \end{array}\right. $$

(3.35)

联合 (3.34) 与 (3.35) 式,根据连续函数的中间值定理可知存在 $\xi \in$ $\left( {{x}_{M},1}\right)$ ,使得 ${F}^{\prime }\left( \xi \right) = 0$ ,即 (3.33) 式成立.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:考虑平凡情况
如果 f(x) ≡ 0,则对于任意 ξ ∈ (0,1),左边 f(ξ)=0,右边 ∫₀^ξ f(x)dx=0,等式成立。
提示:先处理恒为零的简单情形。
步骤 2/5
目标:构造辅助函数 F(x)
若 f(x) 不恒为零,则最大值 M>0 且 ∫₀¹ f(x)dx>0。令 F(x)=f(x)-∫₀^x f(t)dt。
公式:F(x)=f(x)-∫₀^x f(t)dt
提示:辅助函数通常由结论变形得到。
步骤 3/5
目标:计算 F(1) 的符号
由 f(1)=0 得 F(1)=0-∫₀¹ f(t)dt < 0。
公式:F(1)=f(1)-∫₀¹ f(t)dt = -∫₀¹ f(t)dt < 0
提示:注意 f(1)=0 和积分大于零。
步骤 4/5
目标:找到一点使 F(x)>0
设 x_M ∈ [0,1) 使 f(x_M)=M。若 x_M=0,则 F(0)=M>0;若 x_M>0,则 F(x_M)=M-∫₀^{x_M} f(t)dt ≥ M - M x_M = M(1-x_M) > 0。
公式:F(x_M) = M - ∫₀^{x_M} f(t)dt ≥ M(1-x_M) > 0
提示:利用 f(t) ≤ M 放缩积分。
步骤 5/5
目标:应用零点定理
由 F(x_M)>0 和 F(1)<0,且 F 在 [x_M,1] 上连续,由介值定理存在 ξ ∈ (x_M,1) 使 F(ξ)=0,即 f(ξ)=∫₀^ξ f(x)dx。
公式:F(ξ)=0 ⇒ f(ξ)=∫₀^ξ f(x)dx
提示:注意区间端点异号。

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