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数学
题目

注 类似地,可证明设函数f(x)在[-a,a]上具有2阶连续导数.证明:(1)若f(0)=0,则存在xiin(-a,a),使得f''(xi)=(1)/(a^2)[f(a)+f(-a)];(2)若f(x)在(-a,a)内取得极值,则存在etain(-a,a),使得|f''(eta)|geqslant(1)/(2a^2)|f(a)-f(-a)|.

注 类似地,可证明 设函数f(x)在[-a,a]上具有2阶连续导数.证明: (1)若f(0)=0,则存在$\xi\in(-a,a),$使得$f''(\xi)=\frac{1}{a^{2}}[f(a)+f(-a)];$ (2)若f(x)在(-a,a)内取得极值,则存在$\eta\in(-a,a),$使得 $|f''(\eta)|\geqslant\frac{1}{2a^{2}}|f(a)-f(-a)|.$

题目解答

答案

**部分 (1)** 由泰勒公式, \[ f(a) = f(0) + f'(0)a + \frac{f''(\eta_1)}{2}a^2, \quad f(-a) = f(0) - f'(0)a + \frac{f''(\eta_2)}{2}a^2, \] 相加得 \[ f(a) + f(-a) = \frac{f''(\eta_1) + f''(\eta_2)}{2}a^2. \] 由连续函数中间值定理,存在 $\xi \in (-a, a)$ 使得 \[ f''(\xi) = \frac{f(a) + f(-a)}{a^2}. \] **部分 (2)** 设极值点 $x_0$ 满足 $f'(x_0) = 0$,泰勒展开得 \[ |f(a) - f(-a)| \leq \frac{a^2}{2}(|f''(\xi_1)| + |f''(\xi_2)|) \leq a^2 M, \] 其中 $M = \max\{|f''(x)|\}$。 故存在 $\eta$ 使得 \[ |f''(\eta)| = M \geq \frac{|f(a) - f(-a)|}{a^2} \geq \frac{1}{2a^2}|f(a) - f(-a)|. \] \[ \boxed{ \begin{array}{ll} 1. & \exists \xi \in (-a, a), f''(\xi) = \frac{1}{a^2}[f(a) + f(-a)]. \\ 2. & \text{若 } f(x) \text{在 } (-a, a) \text{取极值,} \exists \eta \in (-a, a), |f''(\eta)| \geq \frac{1}{2a^2}|f(a) - f(-a)|. \end{array} \]

解析

考查要点:本题主要考查泰勒公式、中值定理及极值点性质的综合应用。
解题思路:

  1. 第(1)题:利用泰勒公式在$x=0$处展开$f(a)$和$f(-a)$,通过相加消去一阶导数项,结合连续函数的介值性证明结论。
  2. 第(2)题:利用极值点处一阶导数为零的性质,对$f(a)$和$f(-a)$分别展开,通过三角不等式和最值定理推导不等式关系。

第(1)题

应用泰勒公式展开

由泰勒公式,$f(x)$在$x=0$处展开至二阶:
$\begin{aligned}f(a) &= f(0) + f'(0)a + \frac{f''(\eta_1)}{2}a^2, \\f(-a) &= f(0) - f'(0)a + \frac{f''(\eta_2)}{2}a^2,\end{aligned}$
其中$\eta_1, \eta_2 \in (-a, a)$。

消去一阶项并相加

已知$f(0)=0$,将两式相加得:
$f(a) + f(-a) = \frac{f''(\eta_1) + f''(\eta_2)}{2}a^2.$

应用介值定理

由于$f''(x)$在$[-a, a]$上连续,根据介值定理,存在$\xi \in (-a, a)$,使得:
$f''(\xi) = \frac{f(a) + f(-a)}{a^2}.$

第(2)题

极值点性质

设$f(x)$在$x_0 \in (-a, a)$处取得极值,则$f'(x_0) = 0$。对$f(a)$和$f(-a)$分别在$x_0$处展开:
$\begin{aligned}f(a) &= f(x_0) + f'(x_0)(a - x_0) + \frac{f''(\xi_1)}{2}(a - x_0)^2, \\f(-a) &= f(x_0) + f'(x_0)(-a - x_0) + \frac{f''(\xi_2)}{2}(-a - x_0)^2.\end{aligned}$
由于$f'(x_0) = 0$,化简得:
$\begin{aligned}f(a) - f(-a) &= \frac{f''(\xi_1)}{2}(a - x_0)^2 - \frac{f''(\xi_2)}{2}(-a - x_0)^2.\end{aligned}$

三角不等式与最值定理

取绝对值并应用三角不等式:
$|f(a) - f(-a)| \leq \frac{(a - x_0)^2}{2}|f''(\xi_1)| + \frac{(a + x_0)^2}{2}|f''(\xi_2)|.$
设$M = \max\{|f''(x)| : x \in [-a, a]\}$,则:
$|f(a) - f(-a)| \leq \frac{a^2}{2}(M + M) = a^2 M.$
因此存在$\eta \in (-a, a)$,使得$|f''(\eta)| = M$,即:
$M \geq \frac{|f(a) - f(-a)|}{a^2} \geq \frac{1}{2a^2}|f(a) - f(-a)|.$

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