int_(0)^1f^2(x)dxleqslantint_(0)^1xdxcdotint_(0)^1f^prime(}^2(t)dt=(1)/(2)int_{0)^1f^prime{}^2(t)dt.注 本题若再加一个条件f(1)=0,便可证明int_(0)^1f^2(x)dxleqslant(1)/(4)int_(0)^1f^prime(}^2(x)dx及int_{0)^1f^2(x)dxleqslant(1)/(8)int_(0)^1f^prime{}^2(x)dx.
题目解答
答案
解析
本题考查利用导数与积分的关系及不等式技巧证明积分不等式。核心思路是:
- 通过原函数表达式将$f(x)$与$f'(x)$联系起来;
- 应用柯西-施瓦茨不等式建立平方积分与导数平方积分的关系;
- 交换积分顺序简化表达式;
- 通过不等式放缩得到最终结果。
添加条件$f(1)=0$后,需调整原函数的表达方式,通过类似步骤进一步优化系数。
步骤1:利用导数表示原函数
由$f(0)=0$,根据微积分基本定理,得:
$f(x) = \int_0^x f'(t) \, dt$
步骤2:应用柯西-施瓦茨不等式
对积分表达式应用柯西-施瓦茨不等式:
$f^2(x) = \left( \int_0^x f'(t) \, dt \right)^2 \leq \left( \int_0^x 1^2 \, dt \right) \left( \int_0^x [f'(t)]^2 \, dt \right) = x \int_0^x [f'(t)]^2 \, dt$
步骤3:积分并交换顺序
对不等式两边在$[0,1]$上积分:
$\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \int_0^1 x \int_0^x [f'(t)]^2 \, dt \, dx$
交换积分顺序(原积分区域为$0 \leq t \leq x \leq 1$):
$= \int_0^1 [f'(t)]^2 \left( \int_t^1 x \, dx \right) dt = \int_0^1 [f'(t)]^2 \cdot \frac{1 - t^2}{2} \, dt$
步骤4:放缩得结论
注意到$\frac{1 - t^2}{2} \leq \frac{1}{2}$,因此:
$\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{2} \int_0^1 [f'(t)]^2 \, dt$
添加条件$f(1)=0$的情况
此时可将$f(x)$表示为:
$f(x) = \int_x^1 f'(t) \, dt \quad \text{或} \quad f(x) = \int_0^x f'(t) \, dt - \int_x^1 f'(t) \, dt$
通过类似步骤,分别得到:
- $\frac{1}{4}$系数:利用对称性优化积分区域;
- $\frac{1}{8}$系数:结合两种表达式进一步放缩。