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三、费马引理与罗尔定理

小题​

  1. 【1996-5-5 分】 设 在 上连续,在 内可导,且

求证:在 内至少存在一点 ,使 。

查看答案与解析

答案: 在 内至少存在一点 ,使 。

解析: 构造函数

因为 在 上连续,所以 在 上连续,在 内可导,并且

由题设条件

可得

于是

且

由罗尔定理,存在 ,使

即

再对函数 在区间 上应用罗尔定理。由于 ,故存在 ,使

因此结论成立。

大题​

  1. 【1991-12-7 分】 设函数 在 上连续,在 内可导,且

证明在 内存在一点 ,使 。

查看答案与解析

答案: 在 内至少存在一点 ,使 。

解析: 因为 在 上连续,由积分中值定理,存在一点

使得

因此

结合题设条件,得到

由于 ,故 。函数 在 上连续,在 内可导,并且端点函数值相等。由罗尔定理,存在一点

使得

因此结论成立。


  1. 【1993-4-6 分】 假设函数 在 上连续,在 内二阶可导,过点 与 的直线与曲线 相交于点 ,其中 。证明:在 内至少存在一点 ,使 。
查看答案与解析

答案: 在 内至少存在一点 ,使 。

解析: 过点 与 的直线方程为

构造函数

由于直线 与曲线 在 三处相交,故

在区间 上应用罗尔定理,存在一点

使

在区间 上应用罗尔定理,存在一点

使

显然 。由于 在 上连续,在 内可导,并且

再次应用罗尔定理,存在一点

使

又因为 是一次函数,所以 ,从而

因此


  1. 【1996-3-8 分】 设 在区间 上具有二阶导数,且 ,,试证明:存在 和 ,使 及 。
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答案: 存在 ,分别满足 与 。

解析: 由

知 与 同号。分两种情形讨论。

情形一: ,。

由导数定义,当 且充分接近 时,

由于 且 ,故此时 。

同理,当 且充分接近 时,

由于 且 ,故此时 。

于是函数 在区间内部既取正值又取负值。由连续函数的零点定理,存在一点

使

情形二: ,。

同理可知,当 且充分接近 时,;当 且充分接近 时,。由零点定理仍可得到存在 ,使 。

因此,无论哪种情形,均存在内部零点 。

现在利用

在区间 上应用罗尔定理,存在一点 ,使

在区间 上应用罗尔定理,存在一点 ,使

因为 ,对函数 在区间 上再次应用罗尔定理,存在一点

使

故所证结论成立。


  1. 【2000-1234-8 分】 设函数 在 上连续,且

试证:在 内至少存在两个不同的点 ,使 。

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答案: 在 内至少存在两个不同的零点。

解析: 若 ,则结论显然成立。以下设 不恒为零。

先证明 在 内至少有一个零点。若没有零点,则由连续性知 在 内恒正或恒负,从而

与题设矛盾。

下面用反证法证明零点不可能只有一个。假设 在 内只有一个零点 。

由于

且 不恒为零,函数在 两侧必异号。否则, 在整个区间上同号,积分不可能为零。不妨设

由于 在 上严格递减,所以

且

因此在 与 上均有

又因 不恒为零,故

但由题设两个积分条件,

矛盾。

若 在 上、 在 上,则上述乘积恒为负,同样与积分等于零矛盾。

因此, 在 内不可能只有一个零点,故至少存在两个不同的点 ,使


  1. 【2003-3-8 分】 设函数 在 上连续,在 内可导,且

试证必存在 ,使 。

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答案: 必存在 ,使 。

解析: 由

分两种情形讨论。

若 中至少有一个等于 ,设 ,其中 ,则

函数 在 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在

使得

若 均不等于 ,由于三者的平均值为 ,它们不可能全大于 ,也不可能全小于 。因此必存在 ,使

或

由连续函数的介值定理,在 与 之间存在一点 ,使

再对 在 上应用罗尔定理,存在 ,使

故结论成立。


  1. 【2007-34-11 分】 设函数 在 上连续,在 内二阶可导,且分别在 内取得相等的最大值,又 ,。证明:

(1)存在 ,使得 ;

(2)存在 ,使得 。

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答案: 结论(1)、(2)均成立。

解析: 设两函数在 内取得的公共最大值为 ,分别取最大值点 ,使

令

则

若 或 ,结论(1)立即成立;否则 、。由连续函数的零点定理,在 与 之间存在 ,使

即

又由题设

分别在 和 上对 应用罗尔定理,存在

使

再在 上对 应用罗尔定理,存在 ,使

因此


  1. 【2007-12-11 分】 设函数 在 上连续,在 内具有二阶导数,且在 内存在相等的最大值,,。证明:存在 ,使得 。
查看答案与解析

答案: 存在 ,使 。

解析: 设两函数在 内取得的公共最大值为 ,分别取最大值点 ,使

令 ,则

由介值定理,存在 ,使 。结合

分别在 、 上应用罗尔定理,得到 、,使

再在 上对 应用罗尔定理,存在 ,使

故


  1. 【2010-3-10 分】 设函数 在 上连续,在 内存在二阶导数,且

(Ⅰ)证明存在 ,使 ;

(Ⅱ)证明存在 ,使 。

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答案: (Ⅰ)存在 ,使 ;(Ⅱ)存在 ,使 。

解析: (Ⅰ)由积分中值定理,存在 ,使

结合题设

得到

(Ⅱ)由 ,在区间 上应用罗尔定理,存在 ,使

另一方面,由题设及(Ⅰ)可得

即 是 与 的算术平均值。因此, 介于 与 之间。由连续函数的介值定理,存在

使

由于 ,对 在 上应用罗尔定理,存在

使

此时 。函数 在 上连续、在 内可导,因此再次应用罗尔定理,存在

使


  1. 【2017-12-11 分】 设函数 在区间 上具有二阶导数,且 ,

证明:

(Ⅰ)方程 在区间 内至少存在一个实根;

(Ⅱ)方程

在区间 内至少存在两个不同实根。

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答案: (Ⅰ) 在 内至少有一个实根;(Ⅱ)所给方程在 内至少有两个不同实根。

解析: 记

由于该极限为有限数,且 在 处连续,所以必有

并且

因此存在 ,使得当 时,

(Ⅰ)取 ,则 ,而题设给出 。由 在 上连续,根据零点定理,存在 ,使

(Ⅱ)取 为(Ⅰ)中得到的一个零点。因为 ,且 在某个右邻域内成立,所以 在 上不恒为零,并在该区间内取得负的最小值。设最小值点为 ,则

构造辅助函数

由于

可得

在区间 上对 应用罗尔定理,存在 ,使

在区间 上再次应用罗尔定理,存在 ,使

显然 。又

因此

故方程

在 内至少存在两个不同实根。