题目
269综合题 设函数f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且f(0)=f((1)/(2))=1,f(1)=2.证明:存在一点xiin(0,1),使得f'(xi)=(e^xi)/(2f(xi)).
269综合题 设函数f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且$f(0)=f(\frac{1}{2})=1$,f(1)=2.证明:存在一点$\xi\in(0,1)$,使得$f'(\xi)=\frac{e^{\xi}}{2f(\xi)}$.
题目解答
答案
为了证明存在一点 $\xi \in (0,1)$ 使得 $f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2f(\xi)}$,我们首先定义一个辅助函数。令 $g(x) = f(x)^2 e^{-x}$。我们将在区间 $[0,1]$ 上对 $g(x)$ 应用罗尔定理。
首先,我们计算 $g(x)$ 在区间端点的值:
\[
g(0) = f(0)^2 e^0 = 1^2 \cdot 1 = 1,
\]
\[
g(1) = f(1)^2 e^{-1} = 2^2 \cdot \frac{1}{e} = \frac{4}{e}.
\]
由于 $g(0) = 1$ 和 $g(1) = \frac{4}{e}$,我们不能直接在 $[0,1]$ 上对 $g(x)$ 应用罗尔定理。但是,我们可以使用 $f\left(\frac{1}{2}\right) = 1$ 的事实。让我们计算 $g\left(\frac{1}{2}\right)$:
\[
g\left(\frac{1}{2}\right) = f\left(\frac{1}{2}\right)^2 e^{-\frac{1}{2}} = 1^2 \cdot e^{-\frac{1}{2}} = \frac{1}{\sqrt{e}}.
\]
现在,我们有 $g(0) = 1$ 和 $g\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{\sqrt{e}}$。由于 $g(0) \neq g\left(\frac{1}{2}\right)$,我们不能直接在 $[0, \frac{1}{2}]$ 上对 $g(x)$ 应用罗尔定理。但是,我们可以使用 $g\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1}{\sqrt{e}}$ 和 $g(1) = \frac{4}{e}$。由于 $\frac{1}{\sqrt{e}} \approx 0.6065$ 和 $\frac{4}{e} \approx 1.4715$,存在 $c \in \left(\frac{1}{2}, 1\right)$ 使得 $g(c) = \frac{1}{\sqrt{e}}$。因此,我们可以在 $\left[\frac{1}{2}, c\right]$ 上对 $g(x)$ 应用罗尔定理。
现在,我们计算 $g(x)$ 的导数:
\[
g'(x) = \frac{d}{dx} \left( f(x)^2 e^{-x} \right) = 2 f(x) f'(x) e^{-x} - f(x)^2 e^{-x} = f(x) e^{-x} \left( 2 f'(x) - f(x) \right).
\]
根据罗尔定理,存在 $\xi \in \left(0, \frac{1}{2}\right)$ 使得 $g'(\xi) = 0$。因此,我们有:
\[
f(\xi) e^{-\xi} \left( 2 f'(\xi) - f(\xi) \right) = 0.
\]
由于 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续且 $f(0) = f\left(\frac{1}{2}\right) = 1$,$f(\xi) \neq 0$。因此,我们有:
\[
2 f'(\xi) - f(\xi) = 0 \implies f'(\xi) = \frac{f(\xi)}{2}.
\]
然而,我们需要 $f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2 f(\xi)}$。让我们考虑 $h(x) = f(x)^2 - e^x$). 我们计算 $h(x)$ 在区间端点的值:
\[
h(0) = f(0)^2 - e^0 = 1 - 1 = 0,
\]
\[
h(1) = f(1)^2 - e^1 = 4 - e.
\]
由于 $h(0) = 0$,存在 $c \in (0,1)$ 使得 $h(c) = 0$. 因此,我们可以在 $[0, c]$ 上对 $h(x)$ 应用罗尔定理.
现在,我们计算 $h(x)$ 的导数:
\[
h'(x) = \frac{d}{dx} \left( f(x)^2 - e^x \right) = 2 f(x) f'(x) - e^x.
\]
根据罗尔定理,存在 $\xi \in (0,1)$ 使得 $h'(\xi) = 0$. 因此, we have:
\[
2 f(\xi) f'(\xi) - e^{\xi} = 0 \implies f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2 f(\xi)}.
\]
因此,存在 $\xi \in (0,1)$ 使得 $f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2 f(\xi)}$. $\boxed{\xi \in (0,1)}$.
解析
考查要点:本题主要考查罗尔定理的应用及辅助函数的构造能力。关键在于通过构造合适的辅助函数,将原问题转化为罗尔定理的适用条件,从而找到满足条件的点$\xi$。
解题核心思路:
- 构造辅助函数:通过观察目标方程$f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2f(\xi)}$,将其变形为$2f(\xi)f'(\xi) = e^{\xi}$,联想到$f(x)^2$和$e^x$的导数形式,构造$h(x) = f(x)^2 - e^x$。
- 应用中间值定理:利用已知条件$f(0)=1$和$f(1)=2$,计算$h(x)$在端点及中间点的值,找到$h(x)=0$的点$c$。
- 应用罗尔定理:在区间$[0,c]$上,$h(0)=h(c)=0$,从而存在$\xi \in (0,c)$使得$h'(\xi)=0$,进而得到目标方程。
破题关键点:
- 辅助函数的选择是核心,需使导数形式与目标方程匹配。
- 中间值定理用于确定$h(x)=0$的点$c$,为罗尔定理的应用创造条件。
构造辅助函数
定义函数$h(x) = f(x)^2 - e^x$,则其导数为:
$h'(x) = 2f(x)f'(x) - e^x.$
分析端点值
- 计算$h(0)$:
$h(0) = f(0)^2 - e^0 = 1^2 - 1 = 0.$ - 计算$h\left(\frac{1}{2}\right)$:
$h\left(\frac{1}{2}\right) = f\left(\frac{1}{2}\right)^2 - e^{\frac{1}{2}} = 1^2 - \sqrt{e} \approx -0.648.$ - 计算$h(1)$:
$h(1) = f(1)^2 - e^1 = 2^2 - e = 4 - e \approx 1.282.$
应用中间值定理
- 在区间$\left[\frac{1}{2}, 1\right]$上,$h\left(\frac{1}{2}\right) < 0$而$h(1) > 0$,根据中间值定理,存在$c \in \left(\frac{1}{2}, 1\right)$使得$h(c) = 0$。
应用罗尔定理
- 在区间$[0, c]$上,$h(0) = h(c) = 0$,且$h(x)$在$[0,c]$上连续、可导,因此存在$\xi \in (0, c) \subset (0,1)$使得$h'(\xi) = 0$。
- 代入导数表达式:
$2f(\xi)f'(\xi) - e^{\xi} = 0 \implies f'(\xi) = \frac{e^{\xi}}{2f(\xi)}.$