题目
27.设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,当x∈(a,b)时,|f'(x)|≤M且int_(a)^bf(x)dx=0,证明:|f(a)|+|f(b)|≤M(b-a).
27.设函数f(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,当x∈(a,b)时,|f'(x)|≤M且$\int_{a}^{b}f(x)dx=0$,证明:|f(a)|+|f(b)|≤M(b-a).
题目解答
答案
由积分中值定理,存在 $ c \in [a, b] $ 使得 $\int_a^b f(x) \, dx = f(c)(b-a) = 0$,故 $ f(c) = 0 $。
在区间 $[a, c]$ 和 $[c, b]$ 上分别应用拉格朗日中值定理:
- 存在 $ \xi_1 \in (a, c) $,满足 $ f(a) = -f'(\xi_1)(c-a) $,从而 $ |f(a)| \leq M|c-a| $;
- 存在 $ \xi_2 \in (c, b) $,满足 $ f(b) = f'(\xi_2)(b-c) $,从而 $ |f(b)| \leq M|b-c| $。
将两式相加得:
\[
|f(a)| + |f(b)| \leq M(|c-a| + |b-c|) = M(b-a).
\]
**答案:**
\[
\boxed{|f(a)| + |f(b)| \leq M (b-a)}
\]
解析
考查要点:本题主要考查积分中值定理和拉格朗日中值定理的综合应用,结合导数的界来估计函数值的线性组合。
解题核心思路:
- 利用积分中值定理:由$\int_{a}^{b}f(x)dx=0$,找到一点$c \in [a,b]$,使得$f(c)=0$。
- 应用拉格朗日中值定理:在区间$[a,c]$和$[c,b]$上分别展开,将$f(a)$和$f(b)$用导数表示,结合$|f'(x)| \leq M$进行放缩。
- 不等式叠加:将两个区间的估计结果相加,得到最终结论。
破题关键点:
- 构造中间点$c$:通过积分中值定理确定$f(c)=0$,将原区间拆分为$[a,c]$和$[c,b]$。
- 导数的界控制函数值:通过拉格朗日中值定理将函数值与导数关联,利用$|f'(x)| \leq M$进行绝对值估计。
步骤1:应用积分中值定理
由题设$\int_{a}^{b}f(x)dx=0$,根据积分中值定理,存在$c \in [a,b]$,使得:
$\int_{a}^{b}f(x)dx = f(c)(b-a) = 0 \implies f(c) = 0.$
步骤2:在$[a,c]$上应用拉格朗日中值定理
在区间$[a,c]$上,$f(x)$连续且可导,由拉格朗日中值定理,存在$\xi_1 \in (a,c)$,使得:
$f(c) - f(a) = f'(\xi_1)(c - a).$
由于$f(c)=0$,整理得:
$f(a) = -f'(\xi_1)(c - a).$
取绝对值并利用$|f'(\xi_1)| \leq M$,得:
$|f(a)| \leq M(c - a).$
步骤3:在$[c,b]$上应用拉格朗日中值定理
同理,在区间$[c,b]$上,存在$\xi_2 \in (c,b)$,使得:
$f(b) - f(c) = f'(\xi_2)(b - c).$
由于$f(c)=0$,整理得:
$f(b) = f'(\xi_2)(b - c).$
取绝对值并利用$|f'(\xi_2)| \leq M$,得:
$|f(b)| \leq M(b - c).$
步骤4:叠加不等式
将上述两式相加:
$|f(a)| + |f(b)| \leq M(c - a) + M(b - c) = M(b - a).$