设 f(x) 在 [0,2] 上连续且 f(0)=f(2),证明:必存在一点 xi in (0,2),使 f(xi)=f(xi+1)。
设 $f(x)$ 在 $[0,2]$ 上连续且 $f(0)=f(2)$,证明:必存在一点 $\xi \in (0,2)$,使 $f(\xi)=f(\xi+1)$。
题目解答
答案
我们来证明这个题目:
题目:
设函数 $ f(x) $ 在区间 $[0,2]$ 上连续,且满足 $ f(0) = f(2) $。
证明:必存在一点 $ \xi \in (0,2) $,使得
$f(\xi) = f(\xi + 1)$
解题思路:
我们要找一个点 $ \xi \in (0,2) $,使得 $ f(\xi) = f(\xi + 1) $。
注意:由于 $ \xi \in (0,2) $,那么 $ \xi + 1 \in (1,3) $。
但函数 $ f(x) $ 只在 $[0,2]$ 上有定义,因此 $ \xi + 1 $ 必须不超过 2,即 $ \xi \leq 1 $。
所以 $ \xi \in (0,1] $,这样 $ \xi + 1 \in (1,2] $,都在定义域内。
于是我们只需在区间 $[0,1]$ 上寻找这样的点。
构造辅助函数:
定义一个新函数 $ g(x) $,定义在区间 $[0,1]$ 上,如下:
$g(x) = f(x + 1) - f(x), \quad x \in [0,1]$
由于 $ f(x) $ 在 $[0,2]$ 上连续,所以 $ f(x+1) $ 在 $[0,1]$ 上也连续(因为 $ x+1 \in [1,2] $),因此 $ g(x) $ 是两个连续函数的差,故 $ g(x) $ 在 $[0,1]$ 上连续。
分析 $ g(x) $ 的值:
我们计算 $ g(0) $ 和 $ g(1) $:
- $ g(0) = f(1) - f(0) $
- $ g(1) = f(2) - f(1) $
但题目给出:$ f(0) = f(2) $,所以:
$g(1) = f(2) - f(1) = f(0) - f(1) = - (f(1) - f(0)) = -g(0)$
即:
$g(1) = -g(0)$
分情况讨论:
情况 1: $ g(0) = 0 $
则 $ f(1) - f(0) = 0 $,即 $ f(1) = f(0) $
此时我们看 $ \xi = 0 $ 是否满足 $ f(\xi) = f(\xi + 1) $,即 $ f(0) = f(1) $,成立。
但 $ \xi = 0 $ 不在开区间 $ (0,2) $ 内,不符合要求。
不过我们还可以看 $ \xi = 1 $:
$ f(1) = f(2) $?不一定。但我们知道 $ f(0) = f(2) $,而 $ f(1) = f(0) $,所以 $ f(1) = f(2) $,即 $ f(1) = f(2) $,所以
$ f(1) = f(1+1) $,即 $ \xi = 1 $ 满足条件。
而 $ \xi = 1 \in (0,2) $,满足!
所以此时取 $ \xi = 1 $ 即可。
情况 2: $ g(0) \ne 0 $
则 $ g(0) $ 与 $ g(1) = -g(0) $ 异号。
即:$ g(0) > 0 $ 时,$ g(1) < 0 $;反之亦然。
由于 $ g(x) $ 在 $[0,1]$ 上连续,且 $ g(0) $ 与 $ g(1) $ 异号,根据介值定理,存在某个 $ \xi \in (0,1) $,使得
$g(\xi) = 0$
即:
$f(\xi + 1) - f(\xi) = 0 \quad \Rightarrow \quad f(\xi) = f(\xi + 1)$
而 $ \xi \in (0,1) \subset (0,2) $,满足条件。
总结:
- 若 $ g(0) = 0 $,则 $ f(0) = f(1) $,结合 $ f(0) = f(2) $,得 $ f(1) = f(2) $,取 $ \xi = 1 \in (0,2) $,有 $ f(\xi) = f(\xi + 1) $
- 若 $ g(0) \ne 0 $,则 $ g(0) $ 与 $ g(1) $ 异号,由介值定理,存在 $ \xi \in (0,1) \subset (0,2) $,使得 $ g(\xi) = 0 $,即 $ f(\xi) = f(\xi+1) $
结论:
无论哪种情况,都存在 $ \xi \in (0,2) $,使得
$f(\xi) = f(\xi + 1)$
证毕。
答案:
$\boxed{\text{存在 } \xi \in (0,2) \text{ 使得 } f(\xi) = f(\xi + 1)}$