题目
(1)设f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,试证存在xiin(a,b),使f'(xi)=(f(xi)-f(a))/(b-xi).
(1)设f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,试证存在$\xi\in(a,b)$,使
$f'(\xi)=\frac{f(\xi)-f(a)}{b-\xi}.$
题目解答
答案
为了证明存在$\xi \in (a, b)$使得 $f'(\xi) = \frac{f(\xi) - f(a)}{b - \xi}$,我们可以使用罗尔定理。首先,我们定义一个辅助函数 $g(x)$。
令 $g(x) = (b - x)(f(x) - f(a))$。现在,我们检查 $g(x)$ 在区间 $[a, b]$ 上的性质。
1. **连续性**: 由于 $f(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续,而 $b - x$ 是一个线性函数,因此 $g(x)$ 在 $[a, b]$ 上连续。
2. **可导性**: 由于 $f(x)$ 在 $(a, b)$ 内可导,而 $b - x$ 是一个线性函数,因此 $g(x)$ 在 $(a, b)$ 内可导。
接下来,我们计算 $g(a)$ 和 $g(b)$:
\[ g(a) = (b - a)(f(a) - f(a)) = 0, \]
\[ g(b) = (b - b)(f(b) - f(a)) = 0. \]
由于 $g(a) = g(b) = 0$,根据罗尔定理,存在 $\xi \in (a, b)$ 使得 $g'(\xi) = 0$。
现在,我们计算 $g'(x)$:
\[ g'(x) = \frac{d}{dx}[(b - x)(f(x) - f(a))] = (b - x)f'(x) + (f(x) - f(a))(-1) = (b - x)f'(x) - (f(x) - f(a)). \]
设 $g'(\xi) = 0$,我们得到:
\[ (b - \xi)f'(\xi) - (f(\xi) - f(a)) = 0. \]
解这个方程,我们得到:
\[ (b - \xi)f'(\xi) = f(\xi) - f(a), \]
\[ f'(\xi) = \frac{f(\xi) - f(a)}{b - \xi}. \]
因此,存在 $\xi \in (a, b)$ 使得 $f'(\xi) = \frac{f(\xi) - f(a)}{b - \xi}$。证毕。
最终答案是 $\boxed{\xi \in (a, b)}$ 使得 $f'(\xi) = \frac{f(\xi) - f(a)}{b - \xi}$.
解析
考查要点:本题主要考查罗尔定理的应用,以及通过构造辅助函数解决导数方程的能力。
解题核心思路:
题目要求证明存在一点$\xi \in (a,b)$,使得导数$f'(\xi)$等于特定表达式。这类问题通常需要构造一个辅助函数,使其满足罗尔定理的条件(端点函数值相等),从而利用罗尔定理得出导数为零的点,进而建立方程。
破题关键点:
- 构造辅助函数:将目标方程变形为$(b-\xi)f'(\xi) = f(\xi)-f(a)$,并构造$g(x) = (b-x)(f(x)-f(a))$,使其导数形式与方程相关联。
- 验证罗尔定理条件:确认$g(x)$在$[a,b]$上连续,在$(a,b)$内可导,且$g(a)=g(b)=0$。
- 应用罗尔定理:得出存在$\xi$使$g'(\xi)=0$,从而推导出原方程。
步骤1:构造辅助函数
定义辅助函数:
$g(x) = (b - x)(f(x) - f(a))$
关键点:
- 当$x=a$时,$g(a) = (b-a)(f(a)-f(a)) = 0$;
- 当$x=b$时,$g(b) = 0 \cdot (f(b)-f(a)) = 0$。
因此,$g(a) = g(b) = 0$,满足罗尔定理的端点条件。
步骤2:验证函数性质
- 连续性:$f(x)$在$[a,b]$上连续,$b-x$是线性函数,故$g(x)$在$[a,b]$上连续。
- 可导性:$f(x)$在$(a,b)$内可导,$b-x$可导,故$g(x)$在$(a,b)$内可导。
步骤3:应用罗尔定理
根据罗尔定理,存在$\xi \in (a,b)$,使得$g'(\xi) = 0$。
步骤4:计算导数并化简
计算$g'(x)$:
$\begin{aligned}g'(x) &= \frac{d}{dx}[(b - x)(f(x) - f(a))] \\&= (b - x)f'(x) + (f(x) - f(a)) \cdot (-1) \\&= (b - x)f'(x) - (f(x) - f(a)).\end{aligned}$
令$g'(\xi) = 0$,得:
$(b - \xi)f'(\xi) - (f(\xi) - f(a)) = 0.$
整理得:
$f'(\xi) = \frac{f(\xi) - f(a)}{b - \xi}.$