证明方程 x = a sin x + b, (a > 0, b > 0) 至少有一个不超过 a + b 的正根.
证明方程 $x = a \sin x + b, (a > 0, b > 0)$ 至少有一个不超过 $a + b$ 的正根.
题目解答
答案
我们要证明:方程
$x = a \sin x + b \quad \text{(其中 } a > 0, b > 0\text{)}$
至少有一个不超过 $ a + b $ 的正根。
第一步:定义函数
令
$f(x) = x - a \sin x - b$
我们要求的是这个函数的零点,即解方程
$f(x) = 0$
第二步:考虑函数在区间 $[0, a + b]$ 上的行为
我们将在区间 $[0, a + b]$ 上研究函数 $ f(x) $ 的值,以应用介值定理(Intermediate Value Theorem)。
1. 在 $ x = 0 $ 处:
$f(0) = 0 - a \sin 0 - b = -b < 0$
2. 在 $ x = a + b $ 处:
$f(a + b) = (a + b) - a \sin(a + b) - b = a(1 - \sin(a + b))$
因为 $ \sin(a + b) \leq 1 $,所以
$1 - \sin(a + b) \geq 0
\Rightarrow f(a + b) \geq 0$
特别地,除非 $ \sin(a + b) = 1 $,否则 $ f(a + b) > 0 $。
第三步:应用介值定理
我们已经知道:
- $ f(0) = -b < 0 $
- $ f(a + b) \geq 0 $
因此,根据介值定理,在区间 $ (0, a + b] $ 内,函数 $ f(x) $ 必定取到 0,即存在某个 $ x_0 \in (0, a + b] $,使得
$f(x_0) = 0 \quad \Rightarrow \quad x_0 = a \sin x_0 + b$
这说明方程至少有一个正根,并且这个正根不超过 $ a + b $。
✅ 结论:
方程
$x = a \sin x + b \quad (a > 0, b > 0)$
至少有一个不超过 $ a + b $ 的正根。
最终答案:
$\boxed{\text{方程 } x = a \sin x + b \text{ 至少有一个不超过 } a + b \text{ 的正根。}}$