每日一题#001

每日一题 #001

题目:

设f(x)在区间[a,b]连续,在(a,b)内可导证明:在(a,b)内至少存在一个ξ,使

bf(b)−af(a)=[f(ξ)+ξf′(ξ)](b−a)(1)bf(b) - af(a) = \left[f(\xi) + \xi f'(\xi)\right] (b - a) \tag{1}

[!NOTE]

关键点:常数 K 值法

PROOF:

将(1)变形为

bf(b)−af(a)b−a=f(ξ)+ξf′(ξ)(2)\frac{bf(b) - af(a)}{b - a} = f(\xi) + \xi f'(\xi) \tag{2}

令

K=bf(b)−af(a)b−a(3)K = \frac{bf(b) - af(a)}{b - a} \tag{3}

作

F(x)=xf(x)−af(a)−K(x−a)F(x) = x f(x) - af(a) - K(x - a)

可知

F(a)=F(b)F(a) = F(b)

应用罗尔定理可知,∃ξ∈(a,b),使

f(ξ)+ξf′(ξ)−K=0f(\xi) + \xi f'(\xi) - K = 0

原式得证


思路:

我们做中值定理证明题,本质要证的永远是一句话:

区间端点 a、b 的一堆函数值组成的固定常数,一定等于区间内某个中值 ξ 点的导数(或高阶导数)算出来的值。

而 K 值法的核心逻辑,就是把这个「端点常数」单独拎出来起个名字叫 K,把证明原题的目标,变成证明 K=ξ 点的导数式。再通过构造辅助函数,用罗尔定理(首尾函数值相等,中间必有一点导数为 0)把这个等式打通,全程流水线操作。

而完成常数 K 值法的固定套路如下:

步骤 通俗操作
1 分离 把原式变形,纯端点常数放一边,纯中值导数项放另一边
2 定 K 把分离出来的纯端点常数,设为 K
3 造辅助函数 把 K 的式子移项成「=0」的对称式,把所有 b 换成 x,左边就是 F (x)
4 罗尔定理收尾 验证 F (a)=F (b),用罗尔定理得 F’(ξ)=0,化简后还原原式

接下来我们以另一道例题一步一步详细阐述该方法

若f(x)f(x)在[a,b][a,b]上连续,在(a,b)(a,b)内二次可微,则必存在ξ∈(a,b)\xi\in(a,b),使得

f(b)−2f(a+b2)+f(a)=(b−a)24f′′(ξ)f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)=\frac{(b-a)^2}{4}f''(\xi)

步骤1:分离常数与中值项,定义常数K

K值法的核心前提是端点项与中值项完全分离,先对原式做恒等变形,将所有仅含区间端点a,ba,b的项移至等式一侧,仅含中值ξ\xi的二阶导数项留在另一侧:

4[f(b)−2f(a+b2)+f(a)](b−a)2=f′′(ξ)\frac{4\left[f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)\right]}{(b-a)^2}=f''(\xi)

等式左侧为仅与a,ba,b相关的固定常数,将其定义为KK:

K=4[f(b)−2f(a+b2)+f(a)](b−a)2K=\frac{4\left[f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)\right]}{(b-a)^2}

此时,证明原题的核心目标,转化为:证明存在ξ∈(a,b)\xi\in(a,b),使得K=f′′(ξ)K=f''(\xi)。

步骤2:构造符合罗尔定理的辅助函数F(x)F(x)

按照K值法的标准化规则构造辅助函数:

  1. 对KK的定义式交叉相乘、移项,整理为「等式左侧=0」的对称式:

    f(b)−2f(a+b2)+f(a)−(b−a)24K=0f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)-\frac{(b-a)^2}{4}K=0

    验证对称性:将式中所有bb替换为aa,原式变为f(a)−2f(a)+f(a)−0=0f(a)-2f(a)+f(a)-0=0,满足0=00=0的对称式要求,符合K值法使用条件。

  2. 将对称式中所有的端点bb替换为变量xx,等式左侧即为构造的辅助函数F(x)F(x):

    F(x)=f(x)−2f(a+x2)+f(a)−(x−a)24KF(x)=f(x)-2f\left(\frac{a+x}{2}\right)+f(a)-\frac{(x-a)^2}{4}K

步骤3:验证罗尔定理的核心条件

罗尔定理的应用前提是:函数在闭区间[a,b][a,b]连续、开区间(a,b)(a,b)可导,且区间端点函数值相等。

  • 连续性与可导性:f(x)f(x)在[a,b][a,b]连续、(a,b)(a,b)内二阶可导,因此f(x)f(x)、f(a+x2)f\left(\frac{a+x}{2}\right)、多项式项均满足连续可导要求,F(x)F(x)天然符合罗尔定理的连续、可导条件。

  • 端点函数值验证:

    1. 代入x=ax=a:

      F(a)=f(a)−2f(a+a2)+f(a)−(a−a)24K=f(a)−2f(a)+f(a)−0=0F(a)=f(a)-2f\left(\frac{a+a}{2}\right)+f(a)-\frac{(a-a)^2}{4}K = f(a)-2f(a)+f(a)-0=0

    2. 代入x=bx=b:

      F(b)=f(b)−2f(a+b2)+f(a)−(b−a)24KF(b)=f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)-\frac{(b-a)^2}{4}K

      结合步骤1中KK的定义,

      (b−a)24K=f(b)−2f(a+b2)+f(a)\frac{(b-a)^2}{4}K = f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)

      因此因此

      F(b)=0F(b)=0

综上,F(a)=F(b)=0F(a)=F(b)=0,完全满足罗尔定理的应用条件。

步骤4:第一次应用罗尔定理,推导一阶导数等式

根据罗尔定理,由F(a)=F(b)=0F(a)=F(b)=0,可推出:至少存在一点η∈(a,b)\eta\in(a,b),使得F′(η)=0F'(\eta)=0。

先对F(x)F(x)求一阶导数(遵循复合函数求导法则):

F′(x)=ddx[f(x)]−2⋅ddx[f(a+x2)]+ddx[f(a)]−K4⋅ddx[(x−a)2]=f′(x)−2⋅f′(a+x2)⋅12+0−K4⋅2(x−a)=f′(x)−f′(a+x2)−x−a2K\begin{aligned} F'(x) &= \frac{d}{dx}\left[f(x)\right] - 2\cdot\frac{d}{dx}\left[f\left(\frac{a+x}{2}\right)\right] + \frac{d}{dx}\left[f(a)\right] - \frac{K}{4}\cdot\frac{d}{dx}\left[(x-a)^2\right] \\ &= f'(x) - 2\cdot f'\left(\frac{a+x}{2}\right)\cdot\frac{1}{2} + 0 - \frac{K}{4}\cdot 2(x-a) \\ &= f'(x) - f'\left(\frac{a+x}{2}\right) - \frac{x-a}{2}K \end{aligned}

将x=ηx=\eta代入,由F′(η)=0F'(\eta)=0可得:

f′(η)−f′(a+η2)−η−a2K=0f'(\eta) - f'\left(\frac{a+\eta}{2}\right) - \frac{\eta-a}{2}K = 0

整理后解出KK:

K=f′(η)−f′(a+η2)η−a2K = \frac{f'(\eta) - f'\left(\frac{a+\eta}{2}\right)}{\frac{\eta-a}{2}}

步骤5:第二次应用中值定理,打通二阶导数完成证明

观察上式右侧的结构:这是导函数f′(x)f'(x)在区间[a+η2,η]\left[\frac{a+\eta}{2},\eta\right]上的平均变化率,完全符合拉格朗日中值定理的应用条件。

已知f(x)f(x)在(a,b)(a,b)内二次可微,因此f′(x)f'(x)在闭区间[a+η2,η]\left[\frac{a+\eta}{2},\eta\right]上连续,开区间(a+η2,η)\left(\frac{a+\eta}{2},\eta\right)内可导。
根据拉格朗日中值定理,至少存在一点ξ∈(a+η2,η)⊂(a,b)\xi\in\left(\frac{a+\eta}{2},\eta\right)\subset(a,b),使得:

f′(η)−f′(a+η2)η−a+η2=f′′(ξ)\frac{f'(\eta) - f'\left(\frac{a+\eta}{2}\right)}{\eta - \frac{a+\eta}{2}} = f''(\xi)

注意到分母

η−a+η2=η−a2\eta - \frac{a+\eta}{2} = \frac{\eta-a}{2}

因此上式可简化为:

f′(η)−f′(a+η2)η−a2=f′′(ξ)\frac{f'(\eta) - f'\left(\frac{a+\eta}{2}\right)}{\frac{\eta-a}{2}} = f''(\xi)

结合步骤4中解出的KK的表达式,可直接推出:

K=f′′(ξ)K = f''(\xi)

最后将步骤1中KK的定义式代回,交叉相乘整理后,即可得到原题要证明的等式:

f(b)−2f(a+b2)+f(a)=(b−a)24f′′(ξ)f(b)-2f\left(\frac{a+b}{2}\right)+f(a)=\frac{(b-a)^2}{4}f''(\xi)

Q.E.D


希望这篇推文能帮到你:)

除夕快乐~

LOVE FROM YUNRAN♡


每日一题#001
http://blog.yunran.shop/2026/02/16/每日一题-001/
作者
云染
发布于
2026年2月16日
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