第11章 一元函数积分学的应用(二)——积分等式与积分不等式
基础部分
- 设 ,则在 上方程
的实根个数为( )
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
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答案:
B。
解析:
令
。
在 上,,故
。
所以 在 上严格增加。又
,
。
由连续函数零点定理,方程在 内至少有一个实根;由严格单调性知该实根唯一。因此实根个数为 。
- 设函数 具有二阶导数,,,记
,
,
则( )
A.
B.
C.
D.
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答案:
D。
解析:
由于 ,函数 严格增加。将 的负半轴积分变换到正半轴,得
。
当 时, 且 ,所以 。
对 分部积分:
,
从而
。
由于 ,故 严格减少。对 ,有 ,因此被积函数中方括号为负,进而 。
- 设 为连续函数,,证明: 以 为周期的充分必要条件是任给常数 , 为常数。
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答案:
该命题成立。
解析:
必要性: 若 ,则令
。
由变上、下限积分求导公式,
,
故 为常数。
充分性: 若对任意 , 均为同一常数,则 。由连续性,
,
所以对任意 均有 ,即 以 为周期。
- 设 连续,证明:
。
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答案:
该恒等式成立。
解析:
令
,则 ,且 。
对左端分部积分:
,
即
。
因此
,
结论得证。
- 设 连续,,证明至少存在一点 ,使
。
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答案:
至少存在一个满足条件的 。
解析:
令
,
。
则 在 上连续、在 内可导,并且
,。
对函数 应用罗尔定理,存在 ,使 。而
。
故 等价于
。
- 证明:
。
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答案:
两积分均为 。
解析:
记
,
。
在 中作代换 ,则
。
于是
。
因
,
且
,
故
。
分别积分得
,
从而
。
- 已知函数 可导,且 ,,则( )
A.
B.
C.
D.
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答案:
C。
解析:
令 。由复合函数求导法则,
,
所以 严格减少。于是对任意 ,有 ,从而 。因此
。
故选 C。其余各项不能由题设单调性必然推出。
- 设 在 上连续,则使得
成立的条件是( )
A. 均为增函数
B. 均为减函数
C. 为减函数, 为偶函数
D. 为奇函数, 为增函数
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答案:
按原题文字,四个选项均不能保证结论成立。若 C 项中的“偶函数”系“增函数”之误,则应选 C。
解析:
在区间长度为 时,有恒等式
。
若 同向单调,则右端非负,因此 A、B 一般给出的是
,
与题设方向相反。
C 按原文仅要求 为偶函数,不能保证其在 上与 反向单调。例如取
,,
则 为减函数, 为偶函数且在 上也为减函数,而
,
题设不等式不成立。D 同样缺少足够条件。
若 C 项原意为“ 为减函数, 为增函数”,则两函数反向单调,双重积分右端非正,题设不等式成立。
- 设 在 上连续,,证明:当 时,
。
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答案:
不等式成立。
解析:
由 ,
,
故
。
又由 ,
,
故
。
记
,,
则 。而
,
结论得证。
- 设 在 上连续,且 ,证明:
,
其中 。
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答案:
不等式成立。
解析:
由 ,对 有
,
故
。
因此
。
- 设
,
证明:当 时,有
。
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答案:
不等式成立。
解析:
利用
,
可写成
。
分部积分得
。
于是
。
而
,
故
。
强化部分
- 设 在 上可导,当 时,,,则( )
A.
B.
C.
D.
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答案:
B。
解析:
先证明 。令
。
则
。
所以 ,从而 。
因此可以将题设不等式除以 :
。
在 上积分,得
,
即
。
- 设函数 是 上的连续函数,利用分部积分法证明:
。
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答案:
该恒等式成立。
解析:
令
。
则左端为
。
第一项令 ,得
。
分部积分:
。
第二项令 ,得
。
再次分部积分:
。
两式相减,边界项相消,故
。
将积分变量 改写为 即得结论。
- 设 是 上的可导函数,,,则( )
A.
B.
C.
D.
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答案:
C。
解析:
由 及 ,
。
由 ,
。
所以
。
积分得
,
。
若左端取等号,则必须有 ,该函数在 处不可导,与题设矛盾;右端取等号时同理。因此
。
- 证明:
。
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答案:
积分值为 。
解析:
积分区域为
。
由 与 可得
,。
交换积分次序:
,
故
。
再计算
。
- 设函数 在区间 上连续,对任意 ,满足
,
证明:
。
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答案:
原命题按现有条件不成立,无法证明。
解析:
取区间 ,令
,。
则对任意 ,
,
而
,
所以题设条件成立。
但是
,
。
题目所要求的 显然不成立。因此原命题缺少必要条件或不等号方向有误。
若另加
,
则分部积分反而得到
。
- 设 在 上可导,且 连续,,证明:
。
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答案:
不等式成立。
解析:
由 ,
。
由柯西—施瓦茨不等式,
。
进一步有
。
两端在 上积分:
。
而
,
故结论成立。
- 设 是 上单调增加的连续函数,则( )
A.
B.
C.
D.
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答案:
B。
解析:
记
,则 。
令
。
由于
,
故
。
当 时,,且 ;当 时,,且 。
因此右端非负,即
。
- 设 在 上连续,在 内是函数 的一个原函数,。
(1)证明 ;
(2)求方程
的实根个数。
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答案:
(1);
(2)实根个数为 。
解析:
(1)在 内有 。由连续性及 ,
。
因此
。
(2)定义
,。
则
。
当 时,,故 ,即 在 上严格减少。又 ,所以正根只有 。
当 时, 且 ,故 ,即 在 上严格增加。由于 在 时有有限极限,而 ,故
。
又当 时,积分项有有限极限,而 ,故
。
由连续性和严格单调性,负半轴上恰有一个根。故实根总数为 。
- 设 在 上具有二阶导数,,,,记曲线 在 上的长度为 ,证明:
(1)存在 ,使得对任意 ,有 ;
(2)。
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答案:
两结论均成立。
解析:
(1)由 ,罗尔定理保证存在 ,使 。
又因 ,所以 严格减少。于是当 时,
。
(2)由于 严格减少且在 处为零,故 在 上增加,在 上减少。记
,
则 。曲线弧长为
。
利用
,,
并注意 不恒为零,得
。
由于 先增后减,
。
因此
。