閉區間上連續函數的性質

2021-02-20 浙江文亮專升本

閉區間上連續函數的性質是高等數學中純理論證明題之一,很多同學不能理解。在此,小編將幾個性質利用圖形的方式來幫助同學們理解定理的內容。同時附有常考題型以及對應的解題思路,希望對大家有所幫助。

若函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,則一定有最大值與最小值。

圖形解釋:在區間[a,b]上,函數f(x)是連續的,ξ1,ξ2處所對應的函數值即為整個區間[a,b]上的最大值與最小值。

若有最值怎可無界???  

畢竟f(x)在閉區間上有m≤f(x)≤M,所以函數f(x)有界。

設函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,且f(a)f(b)異號(即f(a)·f(b)<0),那麼在開區間(a,b)內至少有函數f(x)的一個零點,即至少有一點ξ(a<ξ<b)使f(ξ)=0

圖形解釋:零點定理就是找使得函數值為0的x的值,這樣的點可能有一個,也可能有多個,所以定理內容中出現的是「至少存在一點」。

補充:所謂根,即函數值為零時的x值。所以,以零點定理更為適用,此時,選擇恰當的區間,(兩端值為異號)是個關鍵。

已知函數f(x)在區間[0,1]上連續,且f(0)=0,f(1)=1,證明:至少存在一點ξ∈(0,1)使得f(ξ)=1-ξ。

解題思路:零點定理證明函數值為0,所以本題目需要構造函數F(x)=f(x)-1+x,區間為[0,1],找出零點定理的條件應用零點定理來證明。

證明:令函數F(x)=f(x)-1+x在區間[0,1]上連續,

且F(0)=f(0)-1+0=-1<0;F(1)=f(1)-1+1=1>0

所以由零點定理知至少存在一點ξ∈(0,1)使得F(ξ)=0,即f(ξ)=1-ξ。

證明方程2x·x=1至少有一個小於1的正根。

解題思路:方程中構造函數思路為誰等於零誰為函數。所以本題需要構造函數f(x)=2x·x-1,在區間[0,1]上應用零點定理來證明。

證明:令函數f(x)=2x·x-1,則函數f(x)在區間[0,1]上連續,又f(0)=-1<0,f(1)=2-1=1>0,

所以由零點定理知至少存在一點ξ∈(0,1)使得f(ξ)=0,即方程2x·x=1至少有一個小於1的正根。

1.設f(x)在[a,b]上連續且a<f(x)<b,證明:在內(a,b)至少有一點ξ,使得f(ξ)=ξ.

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證明:令F(x)=f(x)-x,x∈[a,b],∵F(x)在[a,b]上連續

F(a)=f(a)-a>0,F(b)=f(b)-b<0

∴由零點定理知:至少存在一點ξ∈(a,b)使得F(ξ)=0

2.證明方程x3-4x+1=0在區間(0,1)內至少有一個根.

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證明: 函數f(x)=x3-4x+1在閉區間[0,1]上連續,又f(0)=1>0,f(1)=-2<0,根據零點定理,在(0,1)內至少有一點ξ,使得f(ξ)=0,即ξ3-4ξ+1=0(0<ξ<1),這等式說明方程x3-4x+1=0在區間(0,1)內至少有一個根是ξ。

連續的函數在一個區間內的函數值肯定介於最大值和最小值之間。

圖形解釋:極值定理其實就是在所有函數值中選定一個值C之後,在定義域x即的活動範圍內,找一個x0值,使得f(x0)=C.

注意:零點定理是介值定理中的特殊情況。

補充:極值定理相比於零點定理而言更為一般,只需:1)區間的兩端為任意值,2)介值可以是一個區間中的任意值。 所以,介值定理更具有普遍意義,用途也就更廣泛。 

已知函數f(x)在上連續,a<x1<x2<x3<b,試證:必存在ξ∈[x1,x2]使得:f(ξ)=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3。

解題思路:介值定理關鍵的條件是值在函數對應的值域內,而值域的求解過程往往藉助最值性來表示,即只要證明出題目中所要證明的式子在最大值與最小值之間即可。注意介值定理一般情況下不需要構造新的函數。

證明:∵f(x)在[a,b]上連續

∴f(x)在[a,b]必定有界,設m≤f(x)≤M

∵a<x1<x2<x3<b 

∴m≤f(x1)≤M,m≤f(x2)≤M,m≤f(x3)≤M

從而3m≤f(x1)+f(x2)+f(x3)≤3M,那麼m≤[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3≤M

由介值定理知:存在ξ∈(x1,x3)使得:f(ξ)=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3

若 m=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3或M=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3,

即f(x1)=f(x2)=f(x3)

則存在ξ=xi(i=1,2,3)使得f(ξ)=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3

綜上所述:必存在ξ∈[x1,x3]使得f(ξ)=[f(x1)+f(x2)+f(x3)]/3。

設函數f(x)在閉區間[a,b]上連續,且a<c<d<b。證明:在開區間內(a,b)至少存在一點ξ,使得pf(c)+qf(d)=(p+q)f(ξ),其中p,q為任意正常數。

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證明:因為f(x)在閉區間[a,b]上連續,且a<c<d<b

所以f(x)在閉區間[c,d]上連續,故f(x)在閉區間[c,d}上可取得最大值M和最小值m,即m≤f(x)≤M, x∈[c,d]所以m≤f(c)≤M,m≤f(d)≤M

又因p,q為任意正常數

所以pm≤pf(c)≤pM,qm≤qf(d)≤qM

所以m≤[pf(c)+qf(d)]/(p+q)≤M,

由介值定理可知,至少存在一點ξ∈(c,d)c(a,b),使得f(ξ)= [pf(c)+qf(d)]/(p+q)

零點定理與介值定理通常會和羅爾定理與拉格朗日定理聯立使用,綜合題目大家要先分清楚每一個定理所需要的條件以及針對的題型。

最後,送給大家一句話:只要功夫深,鐵杵磨成針!!!

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