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数学
题目

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.

$\int_{0}^{1}f^{2}(x)dx\leqslant\int_{0}^{1}xdx\cdot\int_{0}^{1}f^{\prime}{}^{2}(t)dt=\frac{1}{2}\int_{0}^{1}f^{\prime}{}^{2}(t)dt.$ 注 本题若再加一个条件f(1)=0,便可证明 $\int_{0}^{1}f^{2}(x)dx\leqslant\frac{1}{4}\int_{0}^{1}f^{\prime}{}^{2}(x)dx$及$\int_{0}^{1}f^{2}(x)dx\leqslant\frac{1}{8}\int_{0}^{1}f^{\prime}{}^{2}(x)dx.$

题目解答

答案

1. **利用导数表示原函数**: 由 $f(0) = 0$,得 $f(x) = \int_0^x f'(t) \, dt$。 2. **应用柯西-施瓦茨不等式**: \[ f^2(x) \leq x \int_0^x [f'(t)]^2 \, dt \] 3. **积分并交换顺序**: \[ \int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \int_0^1 x \int_0^x [f'(t)]^2 \, dt \, dx = \int_0^1 [f'(t)]^2 \cdot \frac{1 - t^2}{2} \, dt \] 4. **放缩得结论**: \[ \frac{1 - t^2}{2} \leq \frac{1}{2} \quad \Rightarrow \quad \int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{2} \int_0^1 [f'(t)]^2 \, dt \] **添加条件 $f(1) = 0$ 时**: 同理可得 \[ \boxed{\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{4} \int_0^1 [f'(x)]^2 \, dx} \] 和 \[ \boxed{\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{8} \int_0^1 [f'(x)]^2 \, dx} \] **答案**: \[ \boxed{\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{2} \int_0^1 [f'(x)]^2 \, dx} \] \[ \boxed{\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{4} \int_0^1 [f'(x)]^2 \, dx} \] \[ \boxed{\int_0^1 f^2(x) \, dx \leq \frac{1}{8} \int_0^1 [f'(x)]^2 \, dx} \]

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:

  1. 通过原函数表达式将$f(x)$与$f'(x)$联系起来;
  2. 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;
  3. 交换积分顺序简化表达式;
  4. 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:

  1. $\frac{1}{4}$系数:利用对称性优化积分区域;
  2. $\frac{1}{8}$系数:结合两种表达式进一步放缩。

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