设函数 f(x), g(x) 对一切 x in (-infty, +infty) 满足方程 f'(x) + g(x)f'(x) - f(x) = 0.又 f(a) = f(b) = 0,则在 (a, b) 内 f(x)()(A) 恒正.(B) 恒负.(C) 可正可负.(D) 恒为零.
设函数 $f(x)$, $g(x)$ 对一切 $x \in (-\infty, +\infty)$ 满足方程 $f'(x) + g(x)f'(x) - f(x) = 0$. 又 $f(a) = f(b) = 0$,则在 $(a, b)$ 内 $f(x)$() (A) 恒正. (B) 恒负. (C) 可正可负. (D) 恒为零.
题目解答
答案
我们来逐步分析这道题。
题目已知:
函数 $ f(x) $、$ g(x) $ 在 $ (-\infty, +\infty) $ 上有定义,满足微分方程:
$f'(x) + g(x)f'(x) - f(x) = 0$
即:
$f'(x)(1 + g(x)) - f(x) = 0$
整理得:
$f'(x)(1 + g(x)) = f(x)$
我们来分析这个微分方程。
第一步:整理微分方程
从:
$f'(x)(1 + g(x)) = f(x)$
假设 $ 1 + g(x) \ne 0 $,我们可以解出:
$f'(x) = \frac{f(x)}{1 + g(x)}$
这是一个一阶微分方程,形式为:
$f'(x) = h(x) f(x)$
其中 $ h(x) = \frac{1}{1 + g(x)} $,只要 $ 1 + g(x) \ne 0 $,这就是一个线性齐次微分方程。
这类方程的通解为:
$f(x) = C \exp\left( \int h(x)\,dx \right) = C \exp\left( \int \frac{1}{1 + g(x)}\,dx \right)$
这说明:在 $ 1 + g(x) \ne 0 $ 的区间上,$ f(x) $ 要么恒为零(当 $ C = 0 $),要么在任意区间内不会变号(因为指数函数恒正,乘以常数 $ C $ 后符号不变)。
但注意:我们还没有用到边界条件。
第二步:利用边界条件 $ f(a) = f(b) = 0 $
已知 $ f(a) = 0 $,$ f(b) = 0 $,且 $ a < b $。
我们考虑 $ f(x) $ 在区间 $ [a, b] $ 上的性质。
从微分方程:
$f'(x)(1 + g(x)) = f(x)$
我们考虑用反证法或唯一性定理来分析。
第三步:考虑唯一性
上述微分方程:
$f'(x) = \frac{1}{1 + g(x)} f(x)$
如果 $ \frac{1}{1 + g(x)} $ 在区间 $ [a, b] $ 上是连续函数(即 $ 1 + g(x) \ne 0 $ 且 $ g(x) $ 连续),那么根据一阶线性微分方程解的存在唯一性定理,初值问题的解是唯一的。
现在,考虑在 $ x = a $ 处,$ f(a) = 0 $。
考虑零函数 $ f(x) \equiv 0 $,显然满足方程:
- $ f'(x) = 0 $
- 代入方程:$ 0 + g(x) \cdot 0 - 0 = 0 $,成立。
所以零函数是一个解。
而根据唯一性定理,如果系数函数 $ \frac{1}{1 + g(x)} $ 是连续的(即 $ 1 + g(x) \ne 0 $),那么从 $ f(a) = 0 $ 出发的解只能是零解。
即:在包含 $ a $ 的区间上,$ f(x) \equiv 0 $。
同理,如果 $ f(x) $ 在 $ a $ 处为 0,且满足该微分方程,且系数良好(不出现奇点),则 $ f(x) $ 必须恒为零。
但题目中没有说明 $ g(x) $ 是否连续,或 $ 1 + g(x) $ 是否为零。
不过我们可以换个角度思考。
第四步:不依赖连续性,直接分析
我们回到原方程:
$f'(x)(1 + g(x)) = f(x)$
假设在某个点 $ x_0 \in (a, b) $,有 $ f(x_0) \ne 0 $。
我们来分析是否可能。
考虑函数 $ f(x) $ 在区间 $ [a, b] $ 上连续(因为可导),且 $ f(a) = f(b) = 0 $。
如果 $ f(x) $ 不恒为零,则在 $ (a, b) $ 内某点取得正最大值或负最小值。
设 $ f(x) $ 在 $ (a, b) $ 内某点 $ x_0 $ 处取得正最大值,即:
- $ f(x_0) > 0 $
- $ f'(x_0) = 0 $(因为是极大值点,且在内部)
代入方程:
$f'(x_0)(1 + g(x_0)) = f(x_0)
\Rightarrow 0 = f(x_0) > 0$
矛盾!
同理,若 $ f(x) $ 在 $ x_0 \in (a, b) $ 处取得负最小值,则:
- $ f(x_0) < 0 $
- $ f'(x_0) = 0 $
代入方程:
$0 = f(x_0) < 0$
也矛盾!
因此,$ f(x) $ 在 $ (a, b) $ 内既不能取得正最大值,也不能取得负最小值。
但 $ f(x) $ 在 $ [a, b] $ 上连续,必有最大值和最小值。
- 若 $ f(x) \not\equiv 0 $,则最大值 > 0 或最小值 < 0。
- 但最大值若 > 0,只能在内部达到(因为端点为 0),导致矛盾。
- 最小值若 < 0,也只能在内部达到,也矛盾。
因此,唯一可能是:在 $ [a, b] $ 上 $ f(x) \equiv 0 $
结论:
在 $ (a, b) $ 内,$ f(x) \equiv 0 $
所以正确答案是:
$\boxed{\text{(D) 恒为零}}$
答案:(D) 恒为零
解题总结:
- 从微分方程 $ f'(x)(1 + g(x)) = f(x) $ 出发。
- 利用 $ f(a) = f(b) = 0 $,假设 $ f $ 在 $ (a, b) $ 内不恒为零。
- 则 $ f $ 在内部某点取得正最大值或负最小值。
- 在该点导数为 0,代入方程得 $ 0 = f(x_0) \ne 0 $,矛盾。
- 故 $ f(x) $ 在 $ (a, b) $ 内恒为零。
无需假设 $ g(x) $ 的连续性,仅需 $ f $ 可导即可。