Cauchy 中值定理的应用
设f(x)在[1,+∞)上连续,在(1,+∞)上可导,已知函数e−x2f′(x)在(1,+∞)上有界,证明函数xe−x2f(x)在(1,+∞)上有界.
思路 本题利用 Cauchy 中值定理证明;
Cauchy 中值定理: 设函数 f(x),g(x) 满足
(1)在闭区间 [a,b] 上连续;
(2)在开区间 (a,b) 内可导;
(3)对任意 x∈(a,b),g′(x)=0 ,
那么在 (a,b) 内至少有一点 ξ∈(a,b) ,使得 g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ) 成立;
证 设 ∣∣∣∣e−x2f′(x)∣∣∣∣⩽M,x∈(1,+∞).
首先对于函数 e−x2f(x),x∈(1,+∞), 应用 Cauchy 中值定理, 可以证明它是有界的:
∣∣∣∣∣ex2f(x)∣∣∣∣∣⩽∣∣∣∣∣ex2f(x)−f(1)∣∣∣∣∣+∣∣∣∣∣ex2f(1)∣∣∣∣∣<∣∣∣∣∣ex2−ef(x)−f(1)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣=∣∣∣∣∣2ξeξ2f′(ξ)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣<∣∣∣∣∣2eξ2f′(ξ)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣⩽2M+e∣f(1)∣,
其中 ξ∈(1,x). 进一步, 对于函数 xe−x2f(x),x∈(1,+∞), 也有
∣∣∣∣∣ex2xf(x)∣∣∣∣∣⩽∣∣∣∣∣ex2xf(x)−f(1)∣∣∣∣∣+∣∣∣∣∣ex2f(1)∣∣∣∣∣<∣∣∣∣∣ex2−exf(x)−1⋅f(1)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣
=∣∣∣∣∣2ξeξ2ξf′(ξ)+f(ξ)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣<∣∣∣∣∣2eξ2f′(ξ)∣∣∣∣∣+∣∣∣∣∣2eξ2f(ξ)∣∣∣∣∣+e∣f(1)∣<43M+2e3∣f(1)∣.