(2022·上海大学·8) 设 f(x) 在 R 上二阶可导, 且 f(0)=0, 证明: 存在 ξ∈(−2π,2π), 使得
f′′(ξ)=3f′(ξ)tanξ+2f(ξ)
证 设 g(x)=f(x)cos2x(如何构造?往下看)
⇒g′(x)=cosx(f′(x)cosx−2f(x)sinx). 由于 f(0)=0,故 g(0)=0 且 g(2π)=0,g(−2π)=0. 利用罗尔中值定理,有
∃ξ1∈(−2π,0),ξ2∈(0,2π)
使得 g′(ξ1)=g′(ξ2)=0.
由于cosξ1=0 且 cosξ2=0, 故令h(x)=f′(x)cosx−2f(x)sinx
有 h(ξ1)=0 且 h(ξ2)=0. 而
h′(x)=f′′(x)cosx−3f′(x)sinx−2f(x)cosx.
利用罗尔定理,存在 ξ∈(ξ1,ξ2), 使得 f′′(ξ)=3f′(ξ)tan3+2f(ξ) .
还原法构造函数
step1: 先将ξ换成x
f′′(x)=3f′(x)tanx+2f(x)
step2: 整理如下:
f′′(x)cosx=3f′(x)sinx+2f(x)cosx(f′(x)cosx−f′(x)sinx)−2(f′(x)sinx−f(x)cosx)=0(f′(x)cosx)′−2(f(x)sinx)′=0⇒(f′(x)cosx−2f(x)sinx)′=0
step3: 根据 f′(x)cosx−2f(x)sinx=0用还原法构造:整理为 (lnf(x))′−(lng(x))′=0 形式.
f(x)f′(x)−2tanx=0⇒(lnf(x))′−2(ln∣cosx∣)′=0(lnf(x))′−(lncos2x)′=0⇒g(x)=f(x)cos2x.