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第6章 一元函数微分学的应用(二)——中值定理、微分等式与微分不等式

基础部分​

  1. 设函数 ,则方程 的实根个数为()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

函数 是三次多项式,且有三个互不相同的实根

。

由罗尔定理,在区间 与 内, 各至少有一个实根。

另一方面, 是二次多项式,实根至多有两个。因此 恰有两个实根。

  1. 若方程 在 上有解,则 的最小值为()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

令

。

方程有解等价于 属于 的值域。由于

,

所以 在 上严格递减,其最小值在 处取得:

。

故 的最小值为 。

  1. 设函数 有两个零点,则 的取值范围是()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

D。

解析:

零点方程为

,

即

。

因左端若为正,则零点只能满足 。令

,

则

。

所以 在 上递减,在 上递增,并在 处取得最小值 。

水平直线 与曲线 有两个交点的充要条件为

。

  1. 已知函数 有两个零点,则 的取值范围是()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

D。

解析:

令

。

则

。

故 在 上递增,在 上递减,并且

。

同时,

。

方程 即 有两个零点,当且仅当 ,即

。

  1. 设存在 ,使得

,

则

查看答案与解析

答案:

。

解析:

由拉格朗日中值定理,确有某个 使

。

当 时,

,

而

。

比较 的系数得

,

故

。

由于 ,所以

。

  1. 设 ,证明

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

对函数 在区间 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

。

因为

,

所以

。

两边同乘 ,即得

。

  1. 设 ,证明

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

在上一题不等式中令 ,则

。

于是

,

即

。

  1. 设函数 可导,且 ,,证明

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

由拉格朗日中值定理,存在 ,使得

。

所以

。

由三角不等式,

。

  1. 设函数 在 上一阶导数连续,,则()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

由拉格朗日中值定理,存在 ,使得

。

当 时,,故

。

因此

。

而 并不能保证 有界,也不能保证跨度为 的差 趋于零。例如 即可排除其余选项。

  1. 设函数 在 处一阶导数连续,且 ,则

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答案:

。

解析:

将原式写为

。

当 时,

,

且

。

故原极限为 。

  1. 设 ,计算

,

并指出与第10题的区别。

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答案:

。

解析:

由 的定义,

。

又

,

所以

。

与第10题相比,本题只要求 存在,不要求 在 处连续。由此可见,第10题中“一阶导数连续”的条件比求该极限实际所需的条件更强。

  1. (1)将 在 处展开成一阶带拉格朗日余项的泰勒公式;

(2)证明

。

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答案:

(1),其中 位于 与 之间;

(2)结论成立。

解析:

对 在 处使用一阶泰勒公式,得

,

即

。

当 时,

。

所以

。

  1. 求曲线 与曲线 的交点个数。
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答案:

个。

解析:

交点满足

,

等价于

。

因 只可能发生在

。

先考察 。有

,

而

。

又

,

其中

。

在 上,

,

且 ,,故 在该区间恰有一个零点。因此 先增后减,结合 ,方程 在 内恰有两个根。

在 上,,且 ,故 。又 ,,所以该区间恰有一个根。

综上,共有 个交点。

  1. 设 是连续可导函数,当 时,恒有 ,则()

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

令

。

则

。

因此 在 上严格递减。由 得

,

即

。

  1. 方程 有两个不等的实根,则 的取值满足()

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

令

。

则

,

故 在 上递减,在 上递增,并在 处取得最小值

。

原方程等价于 。要使水平直线 与曲线 有两个不同交点,应有

,

即

。

  1. 设常数 ,函数

在 内的间断点个数为()

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

令

。

则

,

所以 在 上递增,在 上递减,并在 处取得最大值

。

同时

。

因此方程 恰有两个正根,原函数在这两个点分母为零,故有两个间断点。

  1. 设 为恒大于零的可导函数,且

,

则当 时,下列不等式恒成立的是()

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

因为 ,所以

。

故 严格递减。由 ,有

,

即

。

  1. 设 ,,证明

。

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答案:

结论成立。

解析:

令

。

则

。

所以 在 上递减,在 上递增。

其最小值为

,

最大值为

。

故

。

  1. 对于 的不同取值情况,确定方程

实根的个数,并证明你的结论。

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答案:

时有三个不同实根;

时有两个不同实根,其中一个为二重根;

时只有一个实根。

解析:

令

。

则

。

所以 在 上递增,在 上递减,在 上递增。

两个极值为

。

又

。

因此:

  • 当 时, 且 ,三个单调区间各有一个零点,共三个不同实根;
  • 当 或 时,一个极值点恰为零点,产生一个二重根,另有一个单根,共两个不同实根;
  • 当 或 时,两个极值同号,曲线只与 轴相交一次,故只有一个实根。
  1. 设 在 上连续,在 内可导,,证明:在 内,方程

至少有一个实根。

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答案:

结论成立。

解析:

对函数 与 在 上应用柯西中值定理,存在 ,使得

。

整理得

。

故 是所给方程在 内的一个实根。

  1. 设

,

其中 为实数,,则在区间 内,方程

()

A. 没有实根

B. 至少有一个实根

C. 仅有一个实根

D. 是否有实根不能判定

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答案:

B。

解析:

令

。

则

。

若 在 内没有零点,由连续性知它在 上只能恒正或恒负,除非 。前两种情形都会使积分非零;若恒等于零,则区间内任一点都是根。

因此方程在 内至少有一个实根。

  1. 设函数 在 上可导,,证明:

(1)存在一点 ,使得

;

(2)存在一点 ,使得

,

且 。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

(1)在 上应用拉格朗日中值定理,存在 ,使得

。

(2)记三条割线斜率为

。

显然

,

所以 位于 之间。

由中值定理,可取

,

使得

。

若 ,直接在 中取满足 的点,则 。

若 ,则 严格位于 之间。导函数具有介值性,因此在 内存在 ,使

。

由于 ,可得 。于是

。

强化部分​

  1. 设 在 内可导,对于以下结论:

①若 存在,则 存在;

②若 存在,则 存在;

③若 ,则 在 时无界;

④若 ,则 在 时有界。

正确的个数为()

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

①错误。例如

满足 ,但

不存在极限。

②错误。例如 ,有 ,但 不存在有限极限。

③正确。若 ,则当 足够大时, 与 同号,且 。由中值定理或积分估计可知 ,故无界。

④错误。例如 ,有 ,但 无界。

因此只有③正确。

  1. 设 在 内可导,对于以下结论:

①若 存在, 存在,则 ;

②若 存在,则 。

正确的说法是()

A. ①正确,②错误

B. ①错误,②正确

C. ①与②均正确

D. ①与②均错误

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答案:

C。

解析:

①设

。

由中值定理,存在 ,使

。

左端趋于 ,而 ,故右端趋于 ,所以 。

②设

。

令

,

则 。由一阶线性方程的积分因子法,固定 ,有

。

第一项趋于零;第二项可由 分段估计得也趋于零。因此 ,即 。

于是

。

故①②均正确。

  1. 设 在区间 上可导,,,且 不恒等于 ,证明:存在 ,使得 。
查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

令

。

则

,

且 不恒等于零。

若存在 使 ,则在 上由中值定理,存在 ,使

。

若存在 使 ,则在 上由中值定理,存在 ,使

。

两种情形均有

,

即 。

  1. 设函数 在 上可导。

(1)若 ,求证:存在 ,使 ;

(2)若

,

求证:存在 ,使

。

查看答案与解析

答案:

两问结论均成立。

解析:

(1)若 ,结论显然成立。

若不恒为零,取 使 。不妨设 。因 ,可取充分大的 ,使 。函数在 上连续,故最大值在某个内点 处取得,于是 。若 ,对最小值作同样论证即可。

(2)令

,

则

。

由 可知

。

令 ,则

。

由(1),存在 使 ,即

。

而

,

故结论成立。

  1. 设正值函数 二阶可导且满足

,

函数 在 处取得极值 ,证明

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

因 在 处取得极值 ,故

,

即

。

令

。

由于 ,有

。

因此 是严格凹函数,其图像位于任一点切线的下方。特别地,在 处,

。

所以

。

即

,

从而

。

  1. 设 在 上二阶可导,且 ,证明:

(1)对于任意 ,有

;

(2)若存在常数 ,使得任意 均有 ,则 为常值函数。

查看答案与解析

答案:

两问结论均成立。

解析:

(1)因为 ,所以 单调不减。

当 时,由中值定理,存在 ,使

。

当 时,存在 ,使

。

此时 且 ,仍有

。

(2)若存在 使 ,由(1),当 时,

,

与有界性矛盾。

若存在 使 ,由(1),当 时,右端趋于 ,同样矛盾。

故任意 均有 ,所以 为常值函数。

  1. 设 在 上二阶可导,,,,,证明:

(1),;

(2)若 ,则 ,。

查看答案与解析

答案:

两问结论均成立。

解析:

(1)由 ,有

。

因此对任意 ,

。

由中值定理,

。

故

。

(2)在区间 上,函数两端值均为零,按(1)的同样证明,区间长度为 ,可得

。

在区间 上同理有

。

因此在整个 上,

。

  1. 设函数 在区间 上可导,且

,

则()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

B。

解析:

令

。

则

。

所以 严格递增。由 ,有

,

即

。

由于 ,故

。

  1. 若可导函数 满足 ,则当 时,有()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

B。

解析:

令

。

则

,

故 严格递减。

因为 ,所以 ,从而

。

即

。

整理得

。

  1. 设

。

(1)证明

;

(2)求 。

查看答案与解析

答案:

(1)结论成立;

(2)。

解析:

(1)由积分中值定理,存在 ,使得

。

令 ,则 。又

,

所以

。

(2)由

。

当 时,左端展开为

。

右端为

。

比较 项得

。

因 ,故

。

  1. 设 在 上一阶可导且 ,,证明:

(1)对任意 ,均有 ;

(2)存在 ,使得

。

查看答案与解析

答案:

两问结论均成立。

解析:

(1)由中值定理,对任意 ,存在 ,使

。

又 ,故

。

(2)由(1)知 。而

。

函数

在 上连续,且 。因此在 的某个右邻域内仍有 。从该邻域中任取 ,即得所需不等式。

  1. 设函数 在区间 内二阶可导,且其图像在 内有三个点满足关系

,

证明:必然存在一点 ,使得

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

设三个点的横坐标为

。

令

。

则

。

由罗尔定理,存在

,

使得

。

再对 在 上应用罗尔定理,存在 ,使

。

即

,

故 。

  1. 设函数 在 上二阶可导,且

,

则()

A. 当 时,

B. 当 时,

C. 当 时,

D. 当 时,

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答案:

D。

解析:

当 时, 为严格凸函数。对任意 ,有

,

其中严格不等号来自严格凸性,除端点外成立。

两边在 上积分,得

。

所以

。

其余选项均不必成立。例如线性函数可使积分为零而中点值等于零。

  1. 设函数 在 上连续且 ,在 内二阶可导且 ,记

。

(1)证明对任意正整数 ,存在唯一的 ,使得

;

(2)对(1)中得到的 ,证明 存在,且

。

查看答案与解析

答案:

两问结论均成立。

解析:

因 ,所以 严格递减, 严格凹。

又 ,故对任意 有 。因此 ,且最大值在唯一内点 处取得,并有

。

(1)在 上应用中值定理,存在 ,使得

。

而

。

由导函数的介值性,在 内存在 ,使

。

由于 严格递减,该点唯一。

(2)因为

,

而 严格递减,所以

。

因此 单调递增,且 ,故极限存在。设

。

若 ,取 。当 充分大时 ,由 严格递减,

,

与 矛盾。因此 。

由 连续,

。

  1. 设函数 在 上二次可微,证明:对任意 及适当小的正数 ,使 ,不等式

成立的充要条件是

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

充分性:若 ,则 单调不减。由中值定理,存在

,

使得

,

。

由于 ,有 。所以

,

即

。

必要性:若对任意充分小的 均有

,

则

。

令 ,由二阶导数定义得

。

  1. 确定常数 的取值范围,使方程

在 内有实根。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

令

。

则方程有根等价于 属于 的值域。

计算

。

令

。

则 ,且

。

故 ,从而 。因此 在 上严格递减。

又

,

。

由于 不在定义区间内而 在区间内,故值域为

。

  1. 设方程

在 内有实根,则常数 的取值范围为()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

C。

解析:

令

。

则

。

令 ,则

,

且 ,故 ,从而 。

因此 在 上严格递增,且

,

。

故 的取值范围为

。

  1. 设 ,则()

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案:

A。

解析:

令

。

则

。

由 ,可得

,

故 ,即 严格递减。

因为 ,所以

。

由于 ,两边同乘 时不等号反向,得到

。

再同乘 ,得

,

即选项A成立。

  1. 设 ,证明

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

因为 ,函数

在 上满足

,

故

。

整理得

。

两边同乘 ,得到

。

另一方面,由 ,有

。

因此

。

综上,

。

  1. 设 且

,

证明

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

由

,

可将函数在 处连续补充定义为 ,并有

。

由于 ,函数 为严格凹函数,其图像位于任一点切线的下方。取 处的切线,得

。

  1. 设 , 存在且

,

证明:对于任意 ,有

。

查看答案与解析

答案:

结论成立。

解析:

因为 ,所以 单调不增。

反设存在 ,使 。则对任意 ,有

。

由中值定理,或直接利用凹函数的切线估计,

。

当 足够大时,右端为负,从而 ,这与已知 矛盾。

故不存在 的点,因此对任意 ,均有

。