题目
2.设f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且f(0)=0,而当xin(0,1)时,f(x)≠0,证明:对任意自然数n,存在xiin(0,1)使得(nf'(xi))/(f(xi))=(f'(1-xi))/(f(1-xi)).
2.设f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且$f(0)=0$,而当$x\in(0,1)$时,f(x)≠0,证明:对任意自然数n,存在$\xi\in(0,1)$使得$\frac{nf'(\xi)}{f(\xi)}=\frac{f'(1-\xi)}{f(1-\xi)}$.
题目解答
答案
定义辅助函数 $ F(x) = [f(x)]^n f(1-x) $。
由于 $ f(x) $ 在 $[0,1]$ 上连续,在 $(0,1)$ 内可导,且 $ f(0) = 0 $,
则 $ F(0) = F(1) = 0 $。
由罗尔定理,存在 $\xi \in (0,1)$ 使得 $ F'(\xi) = 0 $。
计算导数:
\[ F'(x) = [f(x)]^{n-1} \left[ n f'(x) f(1-x) - f(x) f'(1-x) \right]. \]
令 $ F'(\xi) = 0 $,得
\[ n f'(\xi) f(1-\xi) = f(\xi) f'(1-\xi). \]
两边除以 $ f(\xi) f(1-\xi) $(非零),得
\[ \frac{n f'(\xi)}{f(\xi)} = \frac{f'(1-\xi)}{f(1-\xi)}. \]
**答案:**
\[
\boxed{\frac{nf'(\xi)}{f(\xi)} = \frac{f'(1-\xi)}{f(1-\xi)}}
\]
解析
考查要点:本题主要考查罗尔定理的应用以及辅助函数的构造能力。关键在于通过构造适当的辅助函数,将问题转化为罗尔定理的条件,从而找到所需的点$\xi$。
解题核心思路:
- 构造辅助函数:利用题目中的条件$f(0)=0$和$f(x)\neq0$(在$(0,1)$内),构造一个在端点处函数值相等的辅助函数$F(x)$。
- 应用罗尔定理:通过验证$F(x)$满足罗尔定理的条件(连续、可导、端点值相等),得出存在$\xi$使得$F'(\xi)=0$。
- 导数分析:对$F(x)$求导后,通过代数变形得到目标等式。
破题关键点:
- 辅助函数的选择:选择$F(x)=[f(x)]^n f(1-x)$,使得$F(0)=F(1)=0$,并利用其导数形式与题目目标等式相关联。
- 非零性保证:利用$f(x)\neq0$(在$(0,1)$内)确保除法运算的合法性。
步骤1:构造辅助函数
定义辅助函数:
$F(x) = [f(x)]^n f(1-x)$
由于$f(x)$在$[0,1]$上连续且可导,$F(x)$在$[0,1]$上连续,在$(0,1)$内可导。
步骤2:验证端点值相等
计算$F(0)$和$F(1)$:
- $F(0) = [f(0)]^n f(1) = 0^n \cdot f(1) = 0$
- $F(1) = [f(1)]^n f(0) = [f(1)]^n \cdot 0 = 0$
因此,$F(0) = F(1) = 0$,满足罗尔定理的条件。
步骤3:应用罗尔定理
根据罗尔定理,存在$\xi \in (0,1)$,使得$F'(\xi) = 0$。
步骤4:计算导数$F'(x)$
对$F(x)$求导:
$\begin{aligned}F'(x) &= \frac{d}{dx} \left( [f(x)]^n f(1-x) \right) \\&= n [f(x)]^{n-1} f'(x) \cdot f(1-x) + [f(x)]^n \cdot (-f'(1-x)) \\&= [f(x)]^{n-1} \left[ n f'(x) f(1-x) - f(x) f'(1-x) \right]\end{aligned}$
步骤5:令$F'(\xi)=0$并变形
由$F'(\xi)=0$得:
$n f'(\xi) f(1-\xi) - f(\xi) f'(1-\xi) = 0$
移项并两边除以$f(\xi) f(1-\xi)$(非零):
$\frac{n f'(\xi)}{f(\xi)} = \frac{f'(1-\xi)}{f(1-\xi)}$
即得所证等式。