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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

  1. ,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:

上,,故

所以 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

  1. 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

时,,所以

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

  1. 为连续函数,,证明: 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:,则令

由变上、下限积分求导公式,

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 为周期。

  1. 连续,证明:

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答案:

该恒等式成立。

解析:

,则 ,且

对左端分部积分:

因此

结论得证。

  1. 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:

上连续、在 内可导,并且

对函数 应用罗尔定理,存在 ,使 。而

等价于

  1. 证明:

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答案:

两积分均为

解析:

中作代换 ,则

于是

分别积分得

从而

  1. 已知函数 可导,且 ,则( )

A.
B.
C.
D.

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答案:

C。

解析:

。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。

  1. 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

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

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。

  1. 上连续,,证明:当 时,

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答案:

不等式成立。

解析:

又由

。而

结论得证。

  1. 上连续,且 ,证明:

其中

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答案:

不等式成立。

解析:

,对

因此

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

强化部分

  1. 上可导,当 时,,则( )

A.
B.
C.
D.

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答案:

B。

解析:

先证明 。令

所以 ,从而

因此可以将题设不等式除以

上积分,得

  1. 设函数 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:

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。

  1. 上的可导函数,,则( )

A.
B.
C.
D.

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答案:

C。

解析:

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

  1. 证明:

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答案:

积分值为

解析:

积分区域为

可得

交换积分次序:

再计算

  1. 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

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

  1. 上可导,且 连续,,证明:

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答案:

不等式成立。

解析:

由柯西—施瓦茨不等式,

进一步有

两端在 上积分:

故结论成立。

  1. 上单调增加的连续函数,则( )

A.
B.
C.
D.

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答案:

B。

解析:

,则

由于

时,,且 ;当 时,,且

因此右端非负,即

  1. 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

时,,故 ,即 上严格减少。又 ,所以正根只有

时,,故 ,即 上严格增加。由于 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

  1. 上具有二阶导数,,记曲线 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 上增加,在 上减少。记

。曲线弧长为

利用

并注意 不恒为零,得

由于 先增后减,

因此