常数 K 值法
简要介绍 ¶
涉及中值定理的题,往往需要构造辅助函数,然而有一些辅助函数的构造又令人费解。常数 \(K\) 值法是适用于一类中值定理题目的构造方法,通过将中值变元之外的常数部分设为 \(K\),然后再利用主元法或分离端点,再结合其他的中值定理就可以完成证明。
Tip
主元法是通法,能用分离端点做的题基本上都能用主元法做。但分离端点在部分题目中计算量较小,都需要熟练掌握!两种方法具体怎么用,如何根据题目进行选择,相信你学完本文的例题就都明白了!
例题 ¶
例 1 ¶
Example
设 \(f(x)\) 为 \([a,b]\) 上的可导函数,求证:\(\exists\xi\in (a,b)\) 满足:
主元法 ¶
分离常数,并令常数部分为 \(K\),即:
整理得:\(f(b)-f(a)-K(b-a)=0\),选 \(b\) 为主元,构造辅助函数:
显然有 \(F(a)=F(b)=0\),根据罗尔定理,存在 \(\xi\in(a,b)\),使得 \(F'(\xi)=0\),即 \(f'(\xi)=K\),得证!
Tip
使用主元法,往往观察到变量的对称性,而且有一个天然条件 \(F(a) = 0\)
分离端点 ¶
根据法一得到:\(f(b)-f(a)-K(b-a)=0\),分离端点得到:
左右为相同结构,故构造辅助函数 \(F(x)=f(x)-Kx\),则上式即为 \(F(a)=F(b)\),根据罗尔定理,存在 \(\xi\in(a,b)\),使得 \(F'(\xi)=0\),即 \(f'(\xi)=K\),得证!
Tip
分离端点,有点像高中学的 " 同构 "
例 2 ¶
Example
\(b>a>0\),设 \(f(x)\) 为 \([a,b]\) 上的可导函数,求证:\(\exists\xi\in (a,b)\) 满足:
主元法 ¶
设 \(\dfrac{bf(a)-af(b)}{b-a} = K\),整理得:
选择 \(b\) 为主元,故构造辅助函数:
那么,恭喜你!掉入陷阱,因为根据 \(F(a)=F(b)=0\) 结合罗尔定理我们只能证明出:
这和我们的目标不一致,故在构造辅助函数的时候我们应当进行变形,考虑对原辅助函数同除 \(ax\) 得新辅助函数:
则 \(F(a)=F(b)=0\),根据罗尔定理,存在 \(\xi\in(a,b)\),使得 \(F'(\xi)=0\),即:
化简得:\(K=f(\xi)-\xi f'(\xi)\) 得证!
分离端点 ¶
对法一得到的 \(bf(a) - af(b) = K(b-a)\) 同除 \(ab\) 得:
左右两边为相同结构,故构造辅助函数:
于是有:\(F(a)=F(b)\),根据罗尔定理,存在 \(\xi\in(a,b)\),使得 \(F'(\xi)=0\),即:
化简得:\(K=f(\xi)-\xi f'(\xi)\) 得证!
例 3 ¶
Example
设 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续,在 \((a,b)\) 内二阶可导,证明:\(\exists\xi\in (a,b)\),使得:
令常数 \(K=f''(\xi)\),选择 \(b\) 为主元,构造如下辅助函数:
则有:\(F(a)=F(b)=0\),根据罗尔定理:存在 \(\eta\in(a,b)\) 使得 \(F'(\eta)=0\),即:
由于我们要证明的式子是二阶导,所以考虑对上式中一阶导的差使用拉格朗日中值定理:
其中 \(\xi\in(a,b)\),整理得 \(K=f''(\xi)\),得证!
Tip
很多同学会认为使用主元法最后只要无脑罗尔就行了,但是像本题,直接无脑罗尔是做不出来的。所以对其他微分中值定理也要熟悉,不要陷入思维定式。
例 4 ¶
Example
\(b>a>0\),设 \(f(x)\) 为 \([a,b]\) 上的可导函数,求证 \(\exists\xi\in (a,b)\) 使得:
设 \(K=\dfrac{ab[f(b) - f(a)]}{b-a}\),整理得:
很明显分离端点是很方便的,即:
故构造辅助函数:
于是有:\(F(a)=F(b)\),根据罗尔定理,存在 \(\xi\in(a,b)\),使得 \(F'(\xi)=0\),即:
化简得:\(K=\xi^{2}f'(\xi)\) 得证!
例 5 ¶
Example
已知 \(a<b<c\),\(f(x)\) 二阶可导,证明 \(\exists\xi\in(a,b)\),使得:
设 \(K = \dfrac{f(a)}{(a-c)(a-b)}+\dfrac{f(b)}{(b-c)(b-a)}+\dfrac{f(c)}{(c-b)(c-a)}\)
同乘 \((a-b)(b-c)(c-a)\) 得:
我们选择 \(a\) 为主元,则构造辅助函数:
则有连等式 \(F(a) = F(b) = F(c) = 0\),接下来连续使用罗尔定理就做完了。
由罗尔定理 \(\exists m_1\in(a,b),m_2\in(b,c)\),使得 \(F'(m_1) = F'(m_2) = 0\)
由罗尔定理 \(\exists\xi\in(m_1,m_2)\),使得 \(F''(\xi) = 0\)
即:\(F''(x) = (c-b)f''(x) - (c-b)2K \Rightarrow f''(\xi) = 2K\),得证!
例 6 ¶
Example
设 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上二阶可导,\(f(a) = f(b) = 0\),求证:对于任意 \(x\in(a,b)\),存在 \(\xi\in(a,b)\),使得:
对任意 \(x\in(a,b)\),记常数 \(K=K(x) = \dfrac{f(x)}{(x-a)(x-b)}\)
选择 \(x\) 作为主元,构造如下辅助函数:
则有连等 \(F(a) = F(x) = F(b) = 0\),两次罗尔即可得到:
\(\exists\xi\in(a,b)\) 使得 \(F''(\xi) = 0\) 即 \(f''(\xi) = 2K\),得证!
Tip
注意 \(K\) 的选取依赖于 \(x\),但是对于区间内选定的 \(x\),就变成了一个给定的常数,因此千万不要误以为 \(K\) 的表达式中的 \(x\) 是自变量!
例 7 ¶
Example
设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上三阶连续可导,且有 \(f(0)=-1,f'(0)=0,f(1)=0\),证明对任意 \(x\in(0,1)\),存在 \(\xi\in(0,1)\) 使得:
对任意 \(x\in(0,1)\),记常数 \(K=K(x) = \dfrac{f(x)+1-x^{2}}{x^{2}(x-1)}\),整理得:
选取 \(x\) 作为主元,构造如下辅助函数:
则有:\(F(0)=F(x)=F(1)=0\),根据罗尔定理,存在 \(\xi_{1}\in(0,x),\xi_{2}\in(x,1)\) 使得 \(F'(\xi_{1})=F'(\xi_{2})=0\),又因为:
显然有 \(F'(0)=0\),故 \(F'(t)\) 在 \([0,1]\) 上至少存在 3 个零点;再次罗尔定理:\(F''(t)\) 在 \([0,1]\) 上至少存在 2 个零点;再次罗尔定理:\(F'''(t)\) 在 \([0,1]\) 上至少存在 1 个零点 .
即存在 \(\xi\in(0,1)\) 使得 \(F'''(\xi)=0\),即:
得证!
Tip
本题的本质是 \(\mathrm{Hermite}\) 插值,感兴趣的朋友可以自行了解。
例 8 ¶
Example
设 \(a_1 < a_2 < \cdots < a_n\) 为 \(n\) 个不同的实数,\(f(x)\) 在 \([a_ 1, a_n]\) 上有 \(n\) 阶导数,且 \(f(a_1) = f(a_2) = \cdots = f(a_n) = 0\)。求证:对 \(\forall c \in [a_1, a_n]\),\(\exists \xi \in (a_1, a_n)\) 使得:
Case 1:若 \(c = a_k (k = 1,2,\cdots,n)\),则 \(f(c) = 0\);从而,对 \(\forall \xi \in (a_1, a_n)\) 结论均成立。
Case 2:若 \(c \neq a_k\) ( 对 \(\forall k = 1,2,\cdots,n\)),记 \(K=\dfrac{f(c)}{(c - a_1)(c - a_2)\cdots(c - a_n)}\).
令 \(F(x) = f(x) - K(x - a_1)(x - a_2)\cdots(x - a_n)\),则:\(F(x)\) 在 \([a_1, a_n]\) 上有 \(n\) 阶导数 .
且 \(F(a_1) = F(a_2) = \cdots = F(a_n) = 0\),\(F(c) = 0\),即 \(F(x)\) 在 \([a_1, a_n]\) 有 \((n + 1)\) 个零点。
由罗尔定理,\(\exists \xi \in (a_1, a_n)\) 使得 \(F^{(n)}(\xi) = 0\);而 \(F^{(n)}(x) = f^{(n)}(x) - n!K\)。
因此,\(\exists \xi \in (a_1, a_n)\) 使得 \(K=\dfrac{f^{(n)}(\xi)}{n!}\),得证!
Summary
常数 \(K\) 值法通过把一大堆常数设成 \(K\),不仅简化了题面,还对构造函数有着辅助作用。构造函数需要观察函数的对称性质。
习题 ¶
Q 1¶
Question
若 \(a<b<c\),\(f(x),g(x)\) 在 \([a,c]\) 上二阶可导,证明:\(\exists \xi\in(a,c)\),使得:
Hint
主元法 \(+\) 柯西中值定理
Q 2¶
Question
设 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上三阶可导,证明 \(\exists \xi\in(a,b)\),使得:
Hint
主元法 \(+\) 泰勒
Q 3¶
Question
设 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上二阶可导,证明:对于任意 \(x\in(a,b)\),存在 \(\xi\in(a,b)\) 使得:
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