题目
5.3.1 设函数f(x)在[0,1]上连续,且f(1)=1,证明:对于任意λ∈(0,1),存在ξ∈(0,1),使f(xi)=(lambda)/(xi^2)
5.3.1 设函数f(x)在[0,1]上连续,且f(1)=1,
证明:对于任意λ∈(0,1),存在ξ∈(0,1),使$f(\xi)=\frac{\lambda}{\xi^{2}}$
题目解答
答案
定义函数 $g(x) = f(x) - \frac{\lambda}{x^2}$,其中 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续,且 $f(1) = 1$。
- 连续性:$g(x)$ 在 $(0,1]$ 上连续。
- 端点值:
- $g(1) = f(1) - \lambda = 1 - \lambda > 0$(因 $\lambda \in (0,1)$)。
- 当 $x \to 0^+$ 时,$\frac{\lambda}{x^2} \to +\infty$,故 $g(x) \to -\infty$(因 $f(x)$ 有限)。
- 介值定理:由连续性及端点值,存在 $\xi \in (0,1)$,使 $g(\xi) = 0$,即 $f(\xi) = \frac{\lambda}{\xi^2}$。
结论:对于任意 $\lambda \in (0,1)$,存在 $\xi \in (0,1)$,满足 $f(\xi) = \frac{\lambda}{\xi^2}$。
$\boxed{\text{原命题成立}}$
解析
本题考查函数的连续性以及介值定理的应用。解题的关键思路是构造一个合适的辅助函数,利用函数的连续性和极限性质,结合介值定理来证明存在满足条件的 $\xi$。
- 构造辅助函数:
定义函数 $g(x) = f(x) - \frac{\lambda}{x^2}$,其中 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续,且 $f(1) = 1$。 - 分析辅助函数的连续性:
因为 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续,而函数 $y = \frac{\lambda}{x^2}$ 在 $(0,1]$ 上连续,两个连续函数的差仍然是连续函数,所以 $g(x)$ 在 $(0,1]$ 上连续。 - 计算辅助函数在端点的值:
将 $x = 1$ 代入 $g(x)$ 可得:
$g(1) = f(1) - \lambda$
已知 $f(1) = 1$,且 $\lambda \in (0,1)$,所以 $g(1) = 1 - \lambda > 0$。 - 分析辅助函数在 $x \to 0^+$ 时的极限:
当 $x \to 0^+$ 时,对于函数 $y = \frac{\lambda}{x^2}$,因为 $\lambda > 0$,分母 $x^2$ 趋近于 $0$ 且为正,所以 $\frac{\lambda}{x^2} \to +\infty$。
又因为 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续,所以 $f(x)$ 是有限值,那么 $g(x) = f(x) - \frac{\lambda}{x^2} \to -\infty$。 - 应用介值定理:
由于 $g(x)$ 在 $(0,1]$ 上连续,且 $g(1) > 0$,当 $x \to 0^+$ 时 $g(x) \to -\infty$,这意味着在区间 $(0,1)$ 内必然存在一点 $\xi$,使得 $g(\xi) = 0$。
即 $f(\xi) - \frac{\lambda}{\xi^2} = 0$,移项可得 $f(\xi) = \frac{\lambda}{\xi^2}$。