0%

Cauchy 中值定理的应用

Cauchy 中值定理的应用

f(x)f(x)[1,+)[1,+\infty)上连续,在(1,+)(1,+\infty)上可导,已知函数ex2f(x)e^{-x^2}f'(x)(1,+)(1,+\infty)上有界,证明函数xex2f(x)xe^{-x^2}f(x)(1,+)(1,+\infty)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)f(x), g(x) 满足
(1)在闭区间 [a,b][a, b] 上连续;
(2)在开区间 (a,b)(a, b) 内可导;
(3)对任意 x(a,b)g(x)0x \in(a, b) , g^{\prime}(x) \neq 0
那么在 (a,b)(a, b) 内至少有一点 ξ(a,b)\xi \in(a, b) ,使得 f(b)f(a)g(b)g(a)=f(ξ)g(ξ)\dfrac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\dfrac{f^{\prime}(\xi)}{g^{\prime}(\xi)} 成立;

ex2f(x)M,x(1,+)\left|e^{-x^{2}} f^{\prime}(x)\right| \leqslant M, x \in(1,+\infty).

首先对于函数 ex2f(x),x(1,+)\mathrm{e}^{-x^{2}} f(x), x \in(1,+\infty), 应用 Cauchy 中值定理, 可以证明它是有界的:

f(x)ex2f(x)f(1)ex2+f(1)ex2<f(x)f(1)ex2e+f(1)e=f(ξ)2ξeξ2+f(1)e<f(ξ)2eξ2+f(1)eM2+f(1)e,\begin{aligned} \left|\dfrac{f(x)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right| & \leqslant\left|\dfrac{f(x)-f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right|+\left|\dfrac{f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right|<\left|\dfrac{f(x)-f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}-\mathrm{e}}\right|+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}} \\ &=\left|\dfrac{f^{\prime}(\xi)}{2 \xi \mathrm{e}^{\xi^{2}}}\right|+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}}<\left|\dfrac{f^{\prime}(\xi)}{2 \mathrm{e}^{\xi^{2}}}\right|+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}} \leqslant \dfrac{M}{2}+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}}, \end{aligned}

其中 ξ(1,x)\xi \in(1, x). 进一步, 对于函数 xex2f(x),x(1,+)x \mathrm{e}^{-x^{2}} f(x), x \in(1,+\infty), 也有

xf(x)ex2xf(x)f(1)ex2+f(1)ex2<xf(x)1f(1)ex2e+f(1)e\left|\dfrac{x f(x)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right| \leqslant\left|\dfrac{x f(x)-f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right|+\left|\dfrac{f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}}\right|<\left|\dfrac{x f(x)-1 \cdot f(1)}{\mathrm{e}^{x^{2}}-\mathrm{e}}\right|+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}}

=ξf(ξ)+f(ξ)2ξeξ2+f(1)e<f(ξ)2eξ2+f(ξ)2eξ2+f(1)e<3M4+3f(1)2e.\begin{aligned} &=\left|\dfrac{\xi f^{\prime}(\xi)+f(\xi)}{2 \xi e^{\xi^{2}}}\right|+\dfrac{|f(1)|}{\mathrm{e}}<\left|\frac{f^{\prime}(\xi)}{2 \mathrm{e}^{\xi^{2}}}\right|+\left|\dfrac{f(\xi)}{2 \mathrm{e}^{\xi^{2}}}\right|+\frac{|f(1)|}{\mathrm{e}} \\ &<\dfrac{3 M}{4}+\frac{3|f(1)|}{2 \mathrm{e}} . \end{aligned}