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数学
题目

9.证明:若f与g都在[a,b]上可积,且g(x)在[a,b]上不变号,M,m分别为f(x)在[a,b]上的上、下确界,则必存在某实数μ(m≤μ≤M),使得int_(a)^bf(x)g(x)dx=muint_(a)^bg(x)dx.

9.证明:若f与g都在[a,b]上可积,且g(x)在[a,b]上不变号,M,m分别为f(x)在[a,b]上的上、下确界,则必存在某实数μ(m≤μ≤M),使得 $\int_{a}^{b}f(x)g(x)dx=\mu\int_{a}^{b}g(x)dx.$

题目解答

答案

不妨设 $g(x) \geq 0$($g(x) \leq 0$ 情况类似)。由 $m \leq f(x) \leq M$,得 \[ mg(x) \leq f(x)g(x) \leq Mg(x). \] 积分得 \[ m \int_a^b g(x) \, dx \leq \int_a^b f(x)g(x) \, dx \leq M \int_a^b g(x) \, dx. \] 若 $\int_a^b g(x) \, dx = 0$,则 $\int_a^b f(x)g(x) \, dx = 0$,任意 $\mu \in [m, M]$ 满足条件。 若 $\int_a^b g(x) \, dx > 0$,令 \[ \mu = \frac{\int_a^b f(x)g(x) \, dx}{\int_a^b g(x) \, dx}, \] 则 $m \leq \mu \leq M$,且 \[ \int_a^b f(x)g(x) \, dx = \mu \int_a^b g(x) \, dx. \] 综上,存在 $\mu \in [m, M]$ 满足结论。 \[ \boxed{\int_a^b f(x)g(x) \, dx = \mu \int_a^b g(x) \, dx} \]

解析

考查要点:本题主要考查积分中值定理的推广形式,涉及可积函数的性质、积分的比较定理以及确界概念的应用。

解题核心思路:

  1. 利用g(x)不变号的性质,将问题简化为非负情况处理,避免符号干扰。
  2. 通过f(x)的上下确界建立不等式链,将积分范围限制在特定区间内。
  3. 分情况讨论积分$\int_a^b g(x)dx$是否为零,分别构造满足条件的$\mu$,确保其存在性。

破题关键点:

  • 关键不等式:由$m \leq f(x) \leq M$推导出$mg(x) \leq f(x)g(x) \leq Mg(x)$,并积分得到整体范围。
  • 分类讨论:当$\int_a^b g(x)dx = 0$时,直接取任意$\mu \in [m, M]$;当积分不为零时,通过比值构造$\mu$。

步骤1:假设g(x)非负
不妨设$g(x) \geq 0$(若$g(x) \leq 0$,可类似处理,仅需调整符号方向)。

步骤2:建立不等式链
由$f(x)$的上、下确界$m \leq f(x) \leq M$,两边同乘非负$g(x)$得:
$mg(x) \leq f(x)g(x) \leq Mg(x).$

步骤3:积分不等式
对上述不等式在$[a,b]$上积分,利用积分的保序性:
$m \int_a^b g(x)dx \leq \int_a^b f(x)g(x)dx \leq M \int_a^b g(x)dx.$

步骤4:分情况讨论

  • 情况1:若$\int_a^b g(x)dx = 0$,则由不等式可知$\int_a^b f(x)g(x)dx = 0$。此时任意$\mu \in [m, M]$均满足等式。
  • 情况2:若$\int_a^b g(x)dx > 0$,定义$\mu = \frac{\int_a^b f(x)g(x)dx}{\int_a^b g(x)dx}$。由积分不等式可得$m \leq \mu \leq M$,且等式成立。

结论:无论哪种情况,均存在$\mu \in [m, M]$使得等式成立。

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