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[数据结构与算法]2022数二真题

在这里插入图片描述

思路分析:

看到要证明积分不等式的问题,首先想到构造函数,那构造什么样的函数呢?题目要证明什么,我们就构造什么,本题我们就可以构造 F ( x ) = ( x ? a ) f ( a + x 2 ) ? ∫ a x f ( t ) d t F(x)=(x-a)f(\frac{a+x}{2})-\int_{a}^{x}f(t)dt F(x)=(x?a)f(2a+x?)?ax?f(t)dt

证明:

必要性: F ( x ) = ( x ? a ) f ( a + x 2 ) ? ∫ a x f ( t ) d t F(x)=(x-a)f(\frac{a+x}{2})-\int_{a}^{x}f(t)dt F(x)=(x?a)f(2a+x?)?ax?f(t)dt ,很明显F(a)=0,
F ′ ( x ) = f ( a + x 2 ) + 1 2 ( x ? a ) f ′ ( a + x 2 ) ? f ( x ) F^{\prime}(x)=f(\frac{a+x}{2})+\frac{1}{2}(x-a)f^{\prime}(\frac{a+x}{2})-f(x) F(x)=f(2a+x?)+21?(x?a)f(2a+x?)?f(x)
= 1 2 ( x ? a ) f ˊ ( a + x 2 ) ? [ f ( x ) ? f ( a + x 2 ) ] =\frac{1}{2}(x-a)\acute{f}(\frac{a+x}{2})-[f(x)-f(\frac{a+x}{2})] =21?(x?a)fˊ?(2a+x?)?[f(x)?f(2a+x?)] = 1 2 ( x ? a ) f ′ ( a + x 2 ) ? 1 2 ( x ? a ) f ( ξ ) ˊ =\frac{1}{2}(x-a)f^{\prime}(\frac{a+x}{2})-\frac{1}{2}(x-a)\acute{f(\xi)} =21?(x?a)f(2a+x?)?21?(x?a)f(ξ)ˊ?, ξ ∈ ( a + x 2 , x ) \xi\in(\frac{a+x}{2},x) ξ(2a+x?,x) = 1 2 ( x ? a ) [ f ˊ ( a + x 2 ) ? f ′ ( ξ ) ) ] =\frac{1}{2}(x-a)[\acute{f}(\frac{a+x}{2})-f^{\prime}(\xi))] =21?(x?a)[fˊ?(2a+x?)?f(ξ))]
因为 f ′ ′ ( x ) > 0 , f ′ ( a + x 2 ) ? f ′ ( ξ ) < 0 f^{\prime{\prime}}(x)>0,f^{\prime}(\frac{a+x}{2})-f^{\prime}(\xi)<0 f(x)>0,f(2a+x?)?f(ξ)<0,故而 F ′ ( x ) < 0 F^{\prime}(x)<0 F(x)<0, 所以 F ( b ) ≤ F ( a ) = 0 F(b) \leq F(a)=0 F(b)F(a)=0,所以 F ( b ) = ( b ? a ) f ( a + b 2 ) ? ∫ a b f ( t ) d t ≤ 0 , 即 f ( a + b 2 ) < 1 b ? a ∫ a b f ( t ) d t F(b)=(b-a)f(\frac{a+b}{2})-\int_{a}^{b}f(t)dt \leq 0,即f(\frac{a+b}{2})<\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b}f(t)dt F(b)=(b?a)f(2a+b?)?ab?f(t)dt0,f(2a+b?)<b?a1?ab?f(t)dt

充分性:
? x 0 ∈ ( ? ∞ , + ∞ ) \forall x_0\in(-\infty,+\infty) ?x0?(?,+),取 a = x 0 ? h , b = x 0 + h a=x_0-h,b=x_0+h a=x0??h,b=x0?+h,其中 h > 0 h>0 h>0,那我们的式子 f ( a + b 2 ) ≤ 1 b ? a ∫ a b f ( t ) d t f(\frac{a+b}{2})\leq\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b}f(t)dt f(2a+b?)b?a1?ab?f(t)dt就可以转化成 f ( x 0 ) ≤ 1 2 h ∫ x 0 ? h x 0 + h f ( x ) d x ? ∫ x 0 ? h x 0 + h f ( x ) d x ? 2 h f ( x 0 ) 2 h ≥ 0 f(x_0)\leq\frac{1}{2h} \int_{x_0-h}^{x_0+h}f(x)dx \Leftrightarrow \frac{\int_{x_0-h}^{x_0+h}f(x)dx-2hf(x_0)}{2h}\geq0 f(x0?)2h1?x0??hx0?+h?f(x)dx?2hx0??hx0?+h?f(x)dx?2hf(x0?)?0,

为了证明题目中的 f ′ ′ ( x ) ≥ 0 , f^{\prime\prime}(x)\geq 0, f(x)0,我们只能想到2种办法
①从导数的定义式上入手,想办法构造导数的定义式
②利用泰勒公式(因为泰勒公式里面还有一阶导和二阶导)
③洛必达法则(不停地分子分母洛下去,必定能出现高阶导数)

对于本题而言,我们已经引入了邻域 ( x 0 ? h , x 0 + h ) (x_0-h,x_0+h) (x0??h,x0?+h),因为要证明 f ′ ′ ( x ) f^{\prime\prime}(x) f(x),所以我们不妨假设a和b隔得非常非常近,即 lim ? h → 0 \lim_{h\to 0} limh0?,对于这种求极限的情况,我们首先想到洛必达法则,故而对于式子 ∫ x 0 ? h x 0 + h f ( x ) d x ? 2 h f ( x 0 ) 2 h ≥ 0 \frac{\int_{x_0-h}^{x_0+h}f(x)dx-2hf(x_0)}{2h}\geq0 2hx0??hx0?+h?f(x)dx?2hf(x0?)?0,我们可以想办法用洛必达法则解决,对于分子而言,必须要进行3次求导才能出现 f ′ ′ ( x ) f^{\prime\prime}(x) f(x)二阶导,而分母却经不起3次求导,那怎么办呢,我们把分母的次幂加大到3阶 ∫ x 0 ? h x 0 + h f ( x ) d x ? 2 h f ( x 0 ) 2 h 3 ≥ 0 \frac{\int_{x_0-h}^{x_0+h}f(x)dx-2hf(x_0)}{2h^3}\geq0 2h3x0??hx0?+h?f(x)dx?2hf(x0?)?0,然后上下求导
lim ? h → 0 ∫ x 0 ? h x 0 + h f ( x ) d x ? 2 h f ( x 0 ) 2 h 3 \lim_{h\to0}\frac{\int_{x_0-h}^{x_0+h}f(x)dx-2hf(x_0)}{2h^3} limh0?2h3x0??hx0?+h?f(x)dx?2hf(x0?)?
= lim ? h → 0 f ( x 0 + h ) ? f ( x 0 ? h ) ? 2 f ( x 0 ) 6 h 2 =\lim_{h\to0}\frac{f(x_0+h)-f(x_0-h)-2f(x_0)}{6h^2} =h0lim?6h2f(x0?+h)?f(x0??h)?2f(x0?)? = lim ? h → 0 f ′ ( x 0 + h ) + f ′ ( x 0 ? h ) 12 h =\lim_{h\to0} \frac{f^{\prime}(x_0+h)+f^{\prime}(x_0-h)}{12h} =h0lim?12hf(x0?+h)+f(x0??h)? = lim ? h → 0 f ′ ′ ( x 0 + h ) ? f ′ ′ ( x 0 ? h ) 12 =\lim_{h\to0}\frac{f^{\prime\prime}(x_0+h)-f^{\prime\prime}(x_0-h)}{12} =h0lim?12f(x0?+h)?f(x0??h)?
h → 0 h\to0 h0时,分子就是 f ′ ′ ( x 0 ) + f ′ ′ ( x 0 ) = 2 f ′ ′ ( x 0 ) f^{\prime\prime}(x_0)+f^{\prime\prime}(x_0)=2f^{\prime\prime}(x_0) f(x0?)+f(x0?)=2f(x0?)
所以 = lim ? h → 0 f ′ ′ ( x 0 + h ) + f ′ ′ ( x 0 ? h ) 12 = f ′ ′ ( x 0 ) 6 =\lim_{h\to0} \frac{f^{\prime\prime}(x_0+h)+f^{\prime\prime}(x_0-h)}{12}=\frac{f^{\prime\prime}(x_0)}{6} =h0lim?12f(x0?+h)+f(x0??h)?=6f(x0?)?
所以 f ′ ′ ( x 0 ) 6 ≥ 0 \frac{f^{\prime\prime}(x_0)}{6}\geq0 6f(x0?)?0,由极限保号性, f ′ ′ ( x 0 ) ≥ 0 f^{\prime\prime}(x_0)\geq0 f(x0?)0. 本题得证

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加:2022-04-22 19:01:27  更:2022-04-22 19:07:00 
 
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