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数学
题目

设不恒为常数的函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)内可导,且f(a)=f(b).证明在(a,b)内至少存在一点ξ,使得f′(ξ)>0..

设不恒为常数的函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)内可导,且f(a)=f(b).

证明在(a,b)内至少存在一点ξ,使得f′(ξ)>0.

.

题目解答

答案

证明:

∵在[a,b]连续的f(x)不恒为常数,且f(a)=f(b),

∴至少存在点c∈(a,b),使得:f(c)≠f(a)=f(b),

由题意知:f(x)在[a,c]和[c,b]满足拉格朗日中值定理,

∴存在点ξ1∈(a,c)、ξ2∈(c,b),使得:

f(c)−f(a)c−a=f′(ξ1),

f(b)−f(c)b−c=f′(ξ2),

又f(c)−f(a)和f(b)−f(c)中必有一个大于0,

∴f′(ξ1)、f′(ξ2)中必有一个大于0,

即:在(a,b)内至少存在一点ξ,使得:f′(ξ)>0,证毕。

.

解析

考查要点:本题主要考查拉格朗日中值定理的应用,以及函数在区间内极值点的存在性分析。关键在于利用函数不恒为常数的条件,结合导数的几何意义进行推导。

解题核心思路:

  1. 存在性分析:由于函数不恒为常数且端点值相等,必然存在某点$c$使得$f(c) \neq f(a)$。
  2. 分区间应用中值定理:将区间$[a,b]$分为$[a,c]$和$[c,b]$,分别应用拉格朗日中值定理,得到两个导数表达式。
  3. 符号分析:通过比较$f(c)$与端点值的大小关系,判断至少有一个导数必须为正。

破题关键点:

  • 函数不恒为常数保证了存在非端点值的极值点。
  • 分区间后平均变化率的符号差异是推导导数正负的核心。

步骤1:证明存在点$c$使得$f(c) \neq f(a)$
由于$f(x)$在$[a,b]$上连续且不恒为常数,而$f(a)=f(b)$,根据连续函数的性质,必然存在$c \in (a,b)$,使得$f(c) \neq f(a)$(否则函数恒为常数,与题设矛盾)。

步骤2:应用拉格朗日中值定理

  • 在区间$[a,c]$上,$f(x)$满足拉格朗日中值定理条件,存在$\xi_1 \in (a,c)$,使得:
    $f'(\xi_1) = \frac{f(c) - f(a)}{c - a}.$
  • 在区间$[c,b]$上,同理存在$\xi_2 \in (c,b)$,使得:
    $f'(\xi_2) = \frac{f(b) - f(c)}{b - c}.$

步骤3:分析导数的符号

  • 若$f(c) > f(a)$,则$\frac{f(c) - f(a)}{c - a} > 0$,故$f'(\xi_1) > 0$。
  • 若$f(c) < f(a)$,则$\frac{f(b) - f(c)}{b - c} = \frac{f(a) - f(c)}{b - c} > 0$(因$f(a) > f(c)$且$b > c$),故$f'(\xi_2) > 0$。
  • 无论哪种情况,至少存在一个导数大于0的点。

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