题21

题目

[!question]+
设函数具有 2 阶导数,且。
证明:
(1)当时,
(2)

分析

[!NOTE]+
加减之前先给泰勒公式凑配题目的系数,然后再考虑加减的事情,不要直接加减来做变形,我这里就是先就直接加减变形了

解

[!done]-
第 (I) 问的证明,可以考虑分别对 在 与 处展开,利用泰勒公式构造不等式,也可以考虑构造辅助函数,例如令 以及 ,并证明 。

第 (II) 问的结论可以通过对第 (I) 问所得不等式积分得到。

证 (I) (法一) 分别写出 在 与 处的一阶泰勒公式。

其中 介于 0 与 之间, 介于 1 与 之间。

(2) 式 式 ,并结合 可得

由 (3) 式可得,当 时,

由于 ,故结合 以及 (4) 式可得

(法二) 所证命题等价于当 时,

令 ,则 ,且 。由于 ,故 。下面证明当 时,。

若存在 ,使得 ,则分别对 上的 使用拉格朗日中值定理

可得,存在 ,使得

再对 上的 使用拉格朗日中值定理可得,存在 ,使得

这与 矛盾。

因此,当 时,,即 。

令 ,同理可得 ,且进一步可得当 时,,即 。

综上所述,所证命题成立。

(II) 由第 (I) 问可得

对 (5) 式两端从 0 到 1 积分可得,

进一步由定积分的性质可得