Problem
微积分每日一题11.18
微积分每日一题
大学生数学竞赛教程
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$$ { 设f\left( x \right) 在\left[ 0,\frac{\pi}{2} \right] 上有二阶导数,且f\left( 0 \right) =2,f\left( \frac{\pi}{2} \right) =1,\int_0^{\frac{\pi}{2}}{f\left( x \right)}\mathrm{e}^{\sin x}\cos x\mathrm{d}x=2\left( \mathrm{e}-1 \right) .} \\ { 证明:存在\xi \in \left( 0,\frac{\pi}{2} \right) ,使得f''\left( \xi \right) <0.} $$

Tips: $$ { 分析:本题需采用积分中值定理+罗尔定理+微分中值定理,首先根据积分中值定理得到f\left( \eta \right) ;} \\ { 再由于函数有三个点已知,利用罗尔定理+微分中值定理得到一阶导的两个端点;最后根据微} \\ { 分中值定理得到f''\left( \xi \right) <0的结论.} \\ { 本题的突破口是需要熟悉积分\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\mathrm{e}^{\sin x}\cos x\mathrm{d}x}=\mathrm{e}-1,这是提示积分中值定理的地方.} $$
Answer:

$$ { 证明:因为f\left( x \right) 在\left[ 0,\frac{\pi}{2} \right] 上有二阶导数,由积分中值定理:} \\ { \int_0^{\frac{\pi}{2}}{f\left( x \right)}\mathrm{e}^{\sin x}\cos x\mathrm{d}x=f\left( \eta \right) \int_0^{\frac{\pi}{2}}{\mathrm{e}^{\sin x}\cos x\mathrm{d}x}=f\left( \eta \right) \left( \mathrm{e}-1 \right) =2\left( \mathrm{e}-1 \right) \Longrightarrow f\left( \eta \right) =2,其中\eta \in \left( 0,\frac{\pi}{2} \right) ;} \\ { 在x\in \left[ 0,\eta \right] 上,有f\left( 0 \right) =f\left( \eta \right) =2,由罗尔定理可得:存在\xi _1\in \left( 0,\eta \right) ,使得:f\prime\left( \xi _1 \right) =0;} \\ { 在x\in \left[ \eta ,\frac{\pi}{2} \right] 上,由微分中值定理:f\left( \frac{\pi}{2} \right) -f\left( \eta \right) =f\prime\left( \xi _2 \right) \left( \frac{\pi}{2}-\eta \right) \Longrightarrow -1=f\prime\left( \xi _2 \right) \left( \frac{\pi}{2}-\eta \right) } \\ { \Longrightarrow f\prime\left( \xi _2 \right) =-\frac{1}{\frac{\pi}{2}-\eta},由于\frac{\pi}{2}-\eta >0,因此f\prime\left( \xi _2 \right) <0;} \\ { 在x\in \left[ \xi _1,\xi _2 \right] 上,由微分中值定理:f\prime\left( \xi _2 \right) -f\prime\left( \xi _1 \right) =f''\left( \xi \right) \left( \xi _2-\xi _1 \right) ,其中\xi \in \left( \xi _1,\xi _2 \right) \subset \left( 0,\frac{\pi}{2} \right) ;} \\ { f''\left( \xi \right) =\frac{f\prime\left( \xi _2 \right) -f\prime\left( \xi _1 \right)}{\xi _2-\xi _1},由于\begin{cases} \xi _2>\xi _1\Longrightarrow \xi _2-\xi _1>0\\ f\prime\left( \xi _2 \right) <0,f\prime\left( \xi _1 \right) =0\Longrightarrow f\prime\left( \xi _2 \right) -f\prime\left( \xi _1 \right) <0\\ \end{cases}\Longrightarrowf''\left( \xi \right) <0;} \\ { 综上所述:存在\xi \in \left( 0,\frac{\pi}{2} \right) ,使得f''\left( \xi \right) <0.} \\ { 注1:\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\mathrm{e}^{\sin x}\cos x\mathrm{d}x}=\int_0^{\frac{\pi}{2}}{\mathrm{e}^{\sin x}\mathrm{d}\sin x}=\mathrm{e}^{\sin x}\mid_{0}^{\frac{\pi}{2}}=\mathrm{e}^{\sin \frac{\pi}{2}}-\mathrm{e}^0=\mathrm{e}-1;} \\ { 注2:本题使用的是推广后的积分中值定理:\int_a^b{f\left( x \right)}\mathrm{d}x=f\left( \eta \right) \left( b-a \right) ,其中\eta \in \left( a,b \right) .} \\ $$

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