题目
6.证明方程 sin x - x cos x = 0 在 (pi, (3)/(2) pi) 内至少有一个实根.
6.证明方程 $\sin x - x \cos x = 0$ 在 $(\pi, \frac{3}{2} \pi)$ 内至少有一个实根.
题目解答
答案
令 $ f(x) = \sin x - x \cos x $,显然 $ f(x) $ 在区间 $[\pi, \frac{3\pi}{2}]$ 上连续。
计算端点值:
\[
f(\pi) = \sin \pi - \pi \cos \pi = 0 - \pi(-1) = \pi > 0,
\]
\[
f\left(\frac{3\pi}{2}\right) = \sin\left(\frac{3\pi}{2}\right) - \frac{3\pi}{2} \cos\left(\frac{3\pi}{2}\right) = -1 - 0 = -1 < 0.
\]
由 $ f(\pi) > 0 $ 和 $ f\left(\frac{3\pi}{2}\right) < 0 $,根据零点存在定理,$ f(x) $ 在区间 $(\pi, \frac{3\pi}{2})$ 内至少有一个零点。
因此,方程 $\sin x - x \cos x = 0$ 在 $(\pi, \frac{3\pi}{2})$ 内至少有一个实根。
解析
本题考查零点存在定理的应用。解题思路是先构造一个与方程相关的函数,判断该函数在给定区间上的连续性,然后计算函数在区间端点处的值,最后根据零点存在定理来证明方程在该区间内至少有一个实根。
- 构造函数并判断连续性:
令$f(x)=\sin x - x\cos x$。因为正弦函数$y = \sin x$和余弦函数$y=\cos x$在$R$上都是连续的,一次函数$y = x$在$R$上也连续,根据连续函数的四则运算性质,两个连续函数的和、差、积、商(分母不为零)仍然是连续函数,所以$f(x)=\sin x - x\cos x$在区间$[\pi,\frac{3\pi}{2}]$上连续。 - 计算区间端点的函数值:
- 计算$f(\pi)$:
根据三角函数特殊值$\sin\pi = 0$,$\cos\pi=-1$,将其代入$f(x)$可得:
$f(\pi)=\sin\pi-\pi\cos\pi=0 - \pi\times(-1)=\pi>0$ - 计算$f(\frac{3\pi}{2})$:
根据三角函数特殊值$\sin\frac{3\pi}{2}=-1$,$\cos\frac{3\pi}{2}=0$,将其代入$f(x)$可得:
$f(\frac{3\pi}{2})=\sin\frac{3\pi}{2}-\frac{3\pi}{2}\cos\frac{3\pi}{2}=-1-\frac{3\pi}{2}\times0=-1 < 0$
- 计算$f(\pi)$:
- 应用零点存在定理:
零点存在定理为:如果函数$y = f(x)$在闭区间$[a,b]$上连续,且$f(a)\cdot f(b)<0$,那么在开区间$(a,b)$内至少存在一个点$\xi$,使得$f(\xi)=0$。
由于$f(x)$在$[\pi,\frac{3\pi}{2}]$上连续,且$f(\pi)>0$,$f(\frac{3\pi}{2})<0$,即$f(\pi)\cdot f(\frac{3\pi}{2})<0$,所以由零点存在定理可知,$f(x)$在区间$(\pi,\frac{3\pi}{2})$内至少有一个零点。
而函数$f(x)$的零点就是方程$f(x)=0$,即$\sin x - x\cos x = 0$的实根,所以方程$\sin x - x\cos x = 0$在$(\pi,\frac{3\pi}{2})$内至少有一个实根。