由罗尔定理知:(1)可导函数在取得极值点处导数等于零;(2)方程:()0'=的一个根;f xf x=的两根之间至少有方程:()0(3)唯一性证明。
反证法:假设谬论,运用罗尔定理推出矛盾;(4)结论可能需多次运用罗尔定理。
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑾⑿⒀⒁⒂ 证明:(1)方程33x x C -+(这里C 为常数)在区间[0,1]内不可能有两个不同的实根;(2)方程n x px q ++(其中n 为正整数,,p q 为实数)当n 为偶数时至多 有两个实根,当n 为奇数时至多有三个实根.证明:(1)反证法。
设()f x 有两个不同的实根 1212,[0,1],x x x x ∈<,而()f x 在12[,]x x 上连续,在12(,)x x 内 可导,12()()f x f x =,则存在12(,)[0,1]x x ξ∈⊂,使:'()0f ξ=。
由于2'()33'()01f x x f x x =-⇒=⇒=±, 而1x =±都不在(0,1)内,即不可能存在12(,)[0,1]x x ξ∈⊂,使'()0f ξ=,矛盾。
(2)3n ≤结论成立,用反证法证明4n ≥情形。
2n k =:设方程有三个实根 123123,,,()x x x x x x <<,函数()f x 在12[,]x x 与23[,]x x 上分别满足罗尔定理。
故存在112223(,),(,)x x x x ξξ∈∈使12'()'()0f f ξξ==212'()2,'()0k f x kx p f x x -=+=⇒=12'()'()0f f ξξ==矛盾。
21n k =+:设方程有四个实根 12341234,,,,()x x x x x x x x <<<,函数()f x 在12[,]x x ,23[,]x x ,34[,]x x 上分别满足罗尔定理。
故存在1(,)k k k x x ξ-∈使:'()0,(1,2,3)k f k ξ== 而2'()(21)0k f x k x p =++=,由于0,0,0p p p >=<分别有两个,一个,没有不同实数,矛盾,即n 为奇数时至多有三个实根。
16. 设()f x 在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且1(0)(1)0,()12f f f ===,证明:必存在一点(0,1)ξ∈,使()1f ξ'=。
证明:令:()()F x f x x =- ,由:(1)10F =-< ,11()022F =>,且:()F x 在[0,1]连续知必存在一点1(,1)2c ∈,使得:()0F c = ,于是,()F x 在[0,]c 上连续,在(0,)c 可导,且:(0)()0F F c == ,满足罗尔定理的条件,故必存在一点(0,)(0,1)c ξ∈⊂,使()0F ξ'=,即:()1f ξ'= 。
17. 设,,a b c 为实数,证明方程:2x e ax bx c =++至多有三个实根。
证明:用反证法,连续运用罗尔定理可证结论。
18. 设(),()f x g x 在[,]a b 上存在二阶导数,且()0g x ''≠,()()()()0f a f b g a g b ====证明:(1)在(,)a b 内()0g x ≠;(2)至少存在一点(,)a b ξ∈使得:()()()()f fg g ξξξξ''=''。
证明:(1)用反证法。
假设存在一点(,)c a b ∈,使:()0g c = ,则()g x 分别在[,],[,]a c c b 上 满足罗尔定理,则必存在一点12(,),(,)a c c b ξξ∈∈使得:12()()0g g ξξ''== ,且:12ξξ<, 同理,()g x '在12[,]ξξ上满足罗尔定理,则必存在一点12(,)(,)a b ξξξ∈⊂使得:()0g ξ''=, 与已知条件矛盾。
(2)取:()()()()()F x f x g x f x g x ''=- ,由题设可知()F x 在[,]a b 上连续,在(,)a b 内可导,且:()()0F a F b == ,由罗尔定理知:必存在一点(,)a b ξ∈ ,使得:()0F ξ'= , 即:()()()()0f g f g ξξξξ''''-= ,从而:()()()()f fg g ξξξξ''='' 。
19. 设(),()f x g x 在[,]a b 上连续,在(,)a b 内可导,且对(,)a b 内任一点x ,有()()()()0f x g x f x g x ''-≠,证明:在(,)a b 内()f x 的两个零点之间,()g x 至少有一个零点。
证明:用反证法。
设()g x 在的()f x 的两个零点1212,()x x x x <之间无零点,12(),()g x g x 非零, 否则与()()()()0f x g x f x g x ''-≠矛盾,于是,设:()()()f x F xg x =,()F x 在12[,]x x 上连续,在12(,)x x 内可导,且:12()()0F x F x == ,由罗尔定理,则必存在一点12(,)(,)x x a b ξ∈⊂使得:2()()()()()0()f g f g F g ξξξξξξ''-'== ,也即:()()()()0f g f g ξξξξ''-= ,与已知矛盾。
20. 设函数()f x 在[0,3]上连续,在(0,3)内可导,且(0)(1)(2)3f f f ++=,证明:必存在(0,3)ξ∈使得:()0f ξ'=。
证明:因为函数()f x 在[0,3]上连续,必存在最大值M 和最小值m ,于是有: (0)m f M ≤≤ ,(1)m f M ≤≤,(2)m f M ≤≤ ,即有:(0)(2)(1)3f f f m M ++≤≤有介值定理知,必存在(0,3)c ∈,使得:1()[(0)(1)(2)]13f c f f f =++=, 因此,()f x 在[,3]c 上满足罗尔定理条件,必存在(,3)(0,3)c ξ∈⊂使得:()0f ξ'=21. 设函数()f x 在[1,2]上连续,在(1,2)内可导,且1(2)2,(1)2f f ==, 证明:必存在(1,2)ξ∈使得:2()()f f ξξξ'=。
证明:作辅助函数:2()()f x F x x = ,由题设可知()F x 在[1,2]上连续,在(1,2)内可导, 且:1(2)(1)2F F ==,()F x 在[1,2]上满足罗尔定理条件,必存在(1,2)ξ∈, 使得:24()2()()0f f F ξξξξξξ'-'== ,即:2()()f f ξξξ'= 。
22. 设()f x 在[0,1]上存在二阶导数,且(0)(1)0f f ==,证明:至少存在一点(0,1)ξ∈,使得:2()()1f f ξξξ'''=-。
证明:作辅助函数:()(1)()F x x f x =- ,由题设可知()F x 在[0,1]上连续,在(0,1)内可导, 且:(0)(1)0F F == ,()F x 在[0,1]上满足罗尔定理条件,必存在(0,1)c ∈,使得:()0F c '= ,而:()()(1)()F x f x x f x ''=-+-,可知:(1)0F '=, 再由罗尔定理知:必存在(,1)(0,1)c ξ∈⊂,使得:()0F ξ''=,即:2()()1f f ξξξ'''=- 。
23. 设函数()f x 在[,](0)a b a >上连续,在(,)a b 内可导,且()0f a =,证明:必存在(,)a b ξ∈使得:()()af f b ξξξ'=-。
证明:作辅助函数:()()()a F x b x f x =-,由题设知:()F x 在[,](0)a b a >上连续,在(,)a b 内可导,且:()()0F a F b == ,()F x 在[,](0)a b a >上满足罗尔定理条件,必存在(,)a b ξ∈,使得:1()()()()()0a a F a b f b f ξξξξξ-''=--+-=,即:()()af f b ξξξ'=- 。
24. 设(),()f x g x 在[,]a b 上连续, (1)(1)(),(),,(),(),(),,()n n f x f x f x g x g x g x --'''''' 在[,]a b 上存在且连续,()()(),()n n f x g x 在(,)a b 内存在,且:()(),f a g a =(1)(1)()(),,()()n n f a g a f a g a --''== ,()()f b g b =证明:至少存在一点(,)a b ξ∈,使得:()()()()n n f g ξξ=。
证明:作辅助函数:()()()F x f x g x =-,反复运用罗尔定理。
25. 设()f x 在[0,4]上存在二阶导数,且:(0)0,(1)1,(4)2f f f ===,证明:存在(0,4)ξ∈,使得:1()3f ξ''=-。
证明:把要证明的结论中ξ的换成x :1()3f x ''=-,可积分出:2121()6f x x c x c =-++,在由:(0)0,(1)1,(4)2f f f ===,得到:217()66f x x x =-+ ,作辅助函数:217()()66F x f x x x =+- ,易知:(0)(1)(4)0F F F ===,在[0,1]和[1,4]上分别应用罗尔定理,存在1(0,1)ξ∈,2(1,4)ξ∈使得:12()()0F F ξξ''== 再在12[,]ξξ上对()F x '运用罗尔定理,有12(,)(0,4)ξξξ∈⊂,使得:()0F ξ''=, 即:1()3f ξ''=- 。