四、辅助函数的构造
小题
- 【1995-5-5 分】 设 在区间 上连续,在 内可导,证明:在 内至少存在一点 ,使
查看答案与解析
答案: 存在 ,使
解析: 构造辅助函数
由于 在 上连续、在 内可导,所以 在 上连续、在 内可导。
由拉格朗日中值定理,至少存在一点 ,使
又因为
且
故
这类题的关键是观察结论右端 ,它恰好是乘积 的导数。
大题
- 【1995-12-8 分】 设函数 和 在 上存在二阶导数,并且 ,
试证:
(1)在开区间 内 ;
(2)在开区间 内至少存在一点 ,使
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答案: (1) 在 内无零点;(2)存在 ,使
解析: (1)反设存在 ,使 。由
分别在 与 上应用罗尔定理,存在
使
再对 在 上应用罗尔定理,存在 ,使
这与题设 矛盾。因此
(2)构造辅助函数
由端点条件可得
因此,由罗尔定理,存在 ,使
计算得
于是
由(1)知 ,题设又有 ,故
本题辅助函数本质上是两个函数的“朗斯基型”组合,其导数可使一阶导数的交叉项完全抵消。
- 【1996-4-6 分】 设 在区间 上可微,且满足条件
试证:存在 ,使
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答案: 存在 ,使 。
解析: 构造
题设可写成
由于 在 上连续,由积分中值定理,存在 ,使
因此
因为 ,在区间 上对 应用罗尔定理,存在 ,使
而
故
- 【1998-12-8 分】 设 是区间 上任一非负连续函数。
(1)试证存在 ,使得在区间 上以 为高的矩形的面积,等于在区间 上以 为曲边的曲边梯形的面积;
(2)又设 在 上可导,且
证明(1)中的 是唯一的。
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答案: (1)存在 ,使
(2)该 唯一。
解析: (1)若 ,则任取 都满足结论。
以下设 不恒为零。构造辅助函数
由于 ,故
且
又因为 不恒为零,所以存在某个 ,使
从而 。因此, 在 上的最大值必在某个内点 处取得。
由费马引理,
计算
于是
左端是曲边梯形面积,右端是底为 、高为 的矩形面积,故(1)成立。
(2)令
(1)中的 正是方程 在 内的根。
求导得
由题设
且 ,所以
从而
故 在 上严格单调减少,方程 至多有一个根。结合(1)中根的存在性,知 唯一。
- 【1999-3-7 分】 设函数 在区间 上连续,在 内可导,且
试证:
(1)存在 ,使 ;
(2)对任意实数 ,必存在 ,使
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答案: (1)存在 ,使 ;(2)对任意 ,存在 ,使
解析: (1)令
则
而
由零点定理,存在
使
即
(2)固定任意实数 ,构造辅助函数
由 及(1)中 ,有
函数 在 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在 ,使
计算得
因为 ,所以
即
这里指数因子 的作用,是把目标式 组合成一个乘积的导数。
- 【2001-34-6 分】 设 在 上连续,在 内可导,且满足
证明至少存在一点 ,使得
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答案: 至少存在 ,使
解析: 令
由题设
由于 在 上连续,根据积分中值定理,存在
使得
因此
又因 ,故
函数 在 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在
使得
计算
由于 ,故
即
本题的关键是根据目标式构造 ,使目标等式等价于 。
- 【2009-123-11 分】
(1)证明拉格朗日中值定理:若函数 在 上连续,在 内可导,则存在 ,使得
(2)证明:若函数 在 处连续,在 ()内可导,且
则 存在,且 。
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答案: (1)拉格朗日中值定理成立;(2) 存在,且
解析: (1)构造辅助函数
由题设, 在 上连续,在 内可导,并且
因此
由罗尔定理,存在 ,使
而
故
即
(2)对任意 ,函数 在 上连续、在 内可导。由(1)的拉格朗日中值定理,存在
使
当 时,由
可知
又因
所以
于是
因此 存在,且 。
- 【2013-12-10 分】 设奇函数 在 上具有二阶导数,且 。证明:
(Ⅰ)存在 ,使得
(Ⅱ)存在 ,使得
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答案: (Ⅰ)存在 ,使 ;(Ⅱ)存在 ,使
解析: (Ⅰ)因为 为奇函数,所以
函数 在 上连续、在 内可导,由拉格朗日中值定理,存在 ,使
(Ⅱ)由 为奇函数,且 可导,可知 为偶函数。事实上,由
两边对 求导,得
即
由(Ⅰ)知 ,故
构造辅助函数
则
由于 在 上具有二阶导数,所以 在 上连续、在 内可导。由罗尔定理,存在
使
计算
因 ,所以
即
- 【2020-2-11 分】 设函数
证明:
(1)存在 ,使得
(2)存在 ,使得
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答案: (1)存在 ,使 ;(2)存在 ,使
解析: 由变上限积分求导公式,得
并且
(1)构造辅助函数
则
且
函数 在 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在 ,使
计算
因此
即
(2)在区间 上,对函数 与 应用柯西中值定理。由于
故存在 ,使
利用 、 以及 ,可得
因此