题目
4.试证明|arctan b - arctan a|≤|b-a|.
4.试证明|arctan b - arctan a|≤|b-a|.
题目解答
答案
设函数 $ f(x) = \arctan x $,其导数为 $ f'(x) = \frac{1}{1 + x^2} $。根据拉格朗日中值定理,存在 $ \xi \in (a, b) $,使得
\[
\arctan b - \arctan a = f'(\xi)(b - a) = \frac{1}{1 + \xi^2}(b - a).
\]
由于 $ 1 + \xi^2 \geq 1 $,故 $ \left| \frac{1}{1 + \xi^2} \right| \leq 1 $。因此,
\[
|\arctan b - \arctan a| = \left| \frac{1}{1 + \xi^2} \right| |b - a| \leq |b - a|.
\]
命题得证。
\[
\boxed{|\arctan b - \arctan a| \leq |b - a|}
\]
解析
考查要点:本题主要考查利用导数性质证明不等式,核心思路是拉格朗日中值定理的应用,以及对反正切函数导数的分析。
关键思路:
- 构造函数:设$f(x) = \arctan x$,其导数为$f'(x) = \frac{1}{1+x^2}$。
- 应用中值定理:通过中值定理将函数值的差转化为导数与自变量差的乘积。
- 估计导数范围:利用$1+x^2 \geq 1$,得出$|f'(x)| \leq 1$,从而建立不等式。
步骤1:构造函数并求导
设函数$f(x) = \arctan x$,其导数为:
$f'(x) = \frac{1}{1+x^2}$
步骤2:应用拉格朗日中值定理
根据拉格朗日中值定理,若$f(x)$在区间$[a,b]$上连续且可导,则存在$\xi \in (a,b)$,使得:
$\arctan b - \arctan a = f'(ξ)(b-a) = \frac{1}{1+ξ^2}(b-a)$
步骤3:分析导数的绝对值
由于$1+ξ^2 \geq 1$,可得:
$\left| \frac{1}{1+ξ^2} \right| \leq 1$
步骤4:建立不等式
取绝对值得:
$|\arctan b - \arctan a| = \left| \frac{1}{1+ξ^2} \right| \cdot |b-a| \leq |b-a|$