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四、辅助函数的构造

小题

  1. 【1995-5-5 分】 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 上连续、在 内可导,所以 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

这类题的关键是观察结论右端 ,它恰好是乘积 的导数。

大题

  1. 【1995-12-8 分】 设函数 上存在二阶导数,并且

试证:

(1)在开区间

(2)在开区间 内至少存在一点 ,使

查看答案与解析

答案: (1) 内无零点;(2)存在 ,使

解析: (1)反设存在 ,使 。由

分别在 上应用罗尔定理,存在

使

再对 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。


  1. 【1996-4-6 分】 在区间 上可微,且满足条件

试证:存在 ,使

查看答案与解析

答案: 存在 ,使

解析: 构造

题设可写成

由于 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


  1. 【1998-12-8 分】 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 上可导,且

证明(1)中的 是唯一的。

查看答案与解析

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

又因为 不恒为零,所以存在某个 ,使

从而 。因此, 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 内的根。

求导得

由题设

,所以

从而

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。


  1. 【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

查看答案与解析

答案: (1)存在 ,使 ;(2)对任意 ,存在 ,使

解析: (1)令

由零点定理,存在

使

(2)固定任意实数 ,构造辅助函数

及(1)中 ,有

函数 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在 ,使

计算得

因为 ,所以

这里指数因子 的作用,是把目标式 组合成一个乘积的导数。


  1. 【2001-34-6 分】 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:

由题设

由于 上连续,根据积分中值定理,存在

使得

因此

又因 ,故

函数 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在

使得

计算

由于 ,故

本题的关键是根据目标式构造 ,使目标等式等价于


  1. 【2009-123-11 分】

(1)证明拉格朗日中值定理:若函数 上连续,在 内可导,则存在 ,使得

(2)证明:若函数 处连续,在 )内可导,且

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, 上连续,在 内可导,并且

因此

由罗尔定理,存在 ,使

(2)对任意 ,函数 上连续、在 内可导。由(1)的拉格朗日中值定理,存在

使

时,由

可知

又因

所以

于是

因此 存在,且


  1. 【2013-12-10 分】 设奇函数 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 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

由(Ⅰ)知 ,故

构造辅助函数

由于 上具有二阶导数,所以 上连续、在 内可导。由罗尔定理,存在

使

计算

,所以


  1. 【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

函数 上连续、在 内可导,由罗尔定理,存在 ,使

计算

因此

(2)在区间 上,对函数 应用柯西中值定理。由于

故存在 ,使

利用 以及 ,可得

因此