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泰勒公式应用: 证明不等式

  • 泰勒公式应用: 证明不等式

f(x)f(x)[0,1][0,1] 上具有二阶导数,且 [0,1][0,1] 上成立 f(x)A,f(x)|f(x)| \leqslant A, \mid f^{\prime \prime}(x)| B\leqslant B. 证明

f(x)2A+12B,x[0,1]\left|f^{\prime}(x)\right| \leqslant 2 A+\frac{1}{2} B, \quad x \in[0,1] \text {. }

思路 根据带 Lagrange 余项的 Taylor 公式, 写出f(0),f(1)f(0), f(1)cc的展开式,相减消去即可。

证明思路:任取c[0,1]c \in[0,1], 只需证f(c)2A+12B,c[0,1]\left|f^{\prime}(c)\right| \leqslant 2 A+\dfrac{1}{2} B, \quad c \in[0,1] \text {. }

对于任意 c[0,1],f(x)c \in[0,1], f(x)x=cx=c 处的带 Lagrange 余项的 Taylor 公式为

f(x)=f(c)+f(c)(xc)+12f(ξ)(xc)2,x[0,1],f(x)=f(c)+f^{\prime}(c)(x-c)+\frac{1}{2} f^{\prime \prime}(\xi)(x-c)^{2}, \quad x \in[0,1],

其中 ξ\xiccxx 之间,因此 ξ[0,1]\xi \in[0,1].特别地有

f(0)=f(c)+f(c)(0c)+12f(ξ1)(0c)2f(1)=f(c)+f(c)(1c)+12f(ξ2)(1c)2\begin{aligned} &f(0)=f(c)+f^{\prime}(c)(0-c)+\frac{1}{2} f^{\prime \prime}\left(\xi_{1}\right)(0-c)^{2} \\ &f(1)=f(c)+f^{\prime}(c)(1-c)+\frac{1}{2} f^{\prime \prime}\left(\xi_{2}\right)(1-c)^{2} \end{aligned}

其中 ξ1,ξ2[0,1]\xi_{1}, \xi_{2} \in[0,1]. 将以上两式相减得

f(c)=f(1)f(0)12[f(ξ2)(1c)2f(ξ1)c2],f^{\prime}(c)=f(1)-f(0)-\frac{1}{2}\left[f^{\prime \prime}\left(\xi_{2}\right)(1-c)^{2}-f^{\prime \prime}\left(\xi_{1}\right) c^{2}\right],

于是由已知条件得

f(c)f(1)+f(0)+12[f(ξ2)(1c)2+f(ξ1)c2],f^{\prime}(c)\leq |f(1)|+|f(0)|+\frac{1}{2}\left[|f^{\prime \prime}\left(\xi_{2}\right)|(1-c)^{2}+|f^{\prime \prime}\left(\xi_{1}\right)|c^{2}\right],

2A+12B[(1c)2+c2]\leq 2A+\dfrac{1}{2}B[(1-c)^2+c^2]

这里,二次函数g(c)=(1c)2+c2g(c)=(1-c)^2+c^2,根据二次函数的知识,12f(c)1\dfrac{1}{2}\leq f(c)\leq 1

所以,f(c)2A+12B|f'(c)|\leq 2A+\dfrac{1}{2}B.