题目
设f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且f(x)≤0,F(x)=dfrac(1)(x-a)int_(a)^x(f(t)dt), 证明:在(a,b)内有F’(x)≤0.
设$f(x)$在$[a,b]$上连续,在$(a,b)$内可导,且$f(x)≤0$,$F(x)=\dfrac{1}{x-a}\int_{a}^{x}{f(t)dt}$, 证明:在$(a,b)$内有$F’(x)≤0$.
题目解答
答案
证明:$$F’(x)=\dfrac{1}{(x-a)^{2}}[(x-a)f(x)-\int_{a}^{x}{f(t)dt}]$$
=$$\dfrac{1}{(x-a)^{2}}[(x-a)f(x)-(x-a)f(\xi)]$$ 其中$$\xi\in(a,x)\subset[a,b]$$
=$$\dfrac{f(x)-f(\xi)}{x-a}$$
$$\because f'(x)\leqslant0\ \ \ x\gt3$$
$$\therefore f(x)-f(\xi)\leqslant0$$ $$F'(x)\leqslant0$$ 得证
=$$\dfrac{1}{(x-a)^{2}}[(x-a)f(x)-(x-a)f(\xi)]$$ 其中$$\xi\in(a,x)\subset[a,b]$$
=$$\dfrac{f(x)-f(\xi)}{x-a}$$
$$\because f'(x)\leqslant0\ \ \ x\gt3$$
$$\therefore f(x)-f(\xi)\leqslant0$$ $$F'(x)\leqslant0$$ 得证
解析
考查要点:本题主要考查导数的计算、积分中值定理的应用,以及利用函数单调性判断导数符号的能力。
解题核心思路:
- 求导:利用商的导数法则对$F(x)$求导,得到$F'(x)$的表达式。
- 积分中值定理:将积分$\int_{a}^{x}f(t)dt$转化为$f(\xi)(x-a)$的形式,其中$\xi \in (a,x)$。
- 单调性分析:通过$f'(x) \leq 0$(即$f(x)$单调递减)得出$f(x) \leq f(\xi)$,从而判断$F'(x)$的符号。
破题关键点:
- 正确应用商的导数法则,注意分子部分的展开。
- 积分中值定理的使用,将积分表达式转化为函数值与区间长度的乘积。
- 利用$f(x)$的单调性,通过$\xi$的位置关系比较$f(x)$与$f(\xi)$的大小。
步骤1:求$F(x)$的导数
根据商的导数法则:
$F'(x) = \frac{(x-a)f(x) - \int_{a}^{x}f(t)dt}{(x-a)^2}$
步骤2:应用积分中值定理
由于$f(x)$在$[a,b]$上连续,对任意$x \in (a,b)$,存在$\xi \in (a,x)$,使得:
$\int_{a}^{x}f(t)dt = f(\xi)(x-a)$
步骤3:代入化简
将积分表达式代入导数公式:
$F'(x) = \frac{(x-a)f(x) - f(\xi)(x-a)}{(x-a)^2} = \frac{f(x) - f(\xi)}{x-a}$
步骤4:分析$f(x)$与$f(\xi)$的大小关系
由$f'(x) \leq 0$知$f(x)$在$(a,b)$内单调递减。由于$\xi \in (a,x)$,即$\xi < x$,故:
$f(\xi) \geq f(x) \quad \Rightarrow \quad f(x) - f(\xi) \leq 0$
步骤5:结论
分子$f(x) - f(\xi) \leq 0$,分母$x-a > 0$,因此:
$F'(x) = \frac{f(x) - f(\xi)}{x-a} \leq 0$