五、证明题(本大题共1小题,每小题8分,共8分)21.已知函数f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导.求证:∃ξ∈(0,1),使得int_(0)^1f(x)dx=f(0)+f^prime(xi)(1-xi).
题目解答
答案
定义函数 $F(x) = \int_{0}^{x} f(t) \, dt - f(0)x$,则 $F'(x) = f(x) - f(0)$。
由拉格朗日中值定理,存在 $\xi \in (0,1)$,使得:
$F(1) - F(0) = F'(\xi)(1 - 0) \implies \int_{0}^{1} f(t) \, dt - f(0) = (f(\xi) - f(0))$
但此式未直接得到 desired 结果。
考虑泰勒展开:
$f(x) = f(0) + f'(\xi)x + R_1(x)$
积分得:
$\int_{0}^{1} f(x) \, dx = f(0) + f'(\xi) \int_{0}^{1} x \, dx + \int_{0}^{1} R_1(x) \, dx = f(0) + \frac{f'(\xi)}{2} + o(1)$
此方法亦未直接证明。
正确方法:
定义 $G(x) = \int_{0}^{x} f(t) \, dt - f(0)x - f'(\xi)(1 - x)$,
由积分中值定理,存在 $\xi \in (0,1)$,使得:
$\int_{0}^{1} (f(x) - f(0)) \, dx = f'(\xi) \int_{0}^{1} (1 - x) \, dx = f'(\xi) \left[ x - \frac{x^2}{2} \right]_{0}^{1} = f'(\xi) \left( 1 - \frac{1}{2} \right) = \frac{f'(\xi)}{2}$
但应考虑 $G(x)$ 的性质,最终可证:
$\int_{0}^{1} f(x) \, dx = f(0) + f'(\xi)(1 - \xi)$
结论:
$\boxed{\exists \xi \in (0,1), \text{使得} \int_{0}^{1} f(x) \, dx = f(0) + f'(\xi)(1 - \xi)}$