前两天答疑,有个同学发来一道题:设 f(x) 在 [0,1] 上连续、在 (0,1) 内可导,f(0)=0,且 ∫₀¹ f(x)dx=0,证明存在一点 ξ∈(0,1),使得 f'(ξ)=0。他盯着题目看了半天,问了一句:这不是积分题吗,怎么扯上罗尔定理了?
我特别能理解这种困惑。很多同学对罗尔定理的印象就是“三大中值定理里最朴素的那个”,条件结论背得滚瓜烂熟,可真到做题时,发现题目里既没有 f(a)=f(b),也没有要证 f'(ξ)=0 的迹象,一下子就懵了。实际上,罗尔定理在考研数学里的真正价值,根本不是那个简单的结论本身,而是由它繁殖出来的一整条推论链:费马引理、导数零点定理、拉格朗日中值定理、柯西中值定理,以及几乎所有“证明存在一点满足某个导数关系式”的题型思路。可以说,没把罗尔定理及其推论吃透,微分中值定理证明题基本无从下手。
这篇文章我就按自己的复习思路,从定理本身开始,一层一层把罗尔定理背后的东西挖出来,重点讲清楚推论怎么用、辅助函数怎么构造、考场上有哪些坑。无论你是刚开始复习还是已经进入冲刺阶段,按这个思路走一遍,再遇到这类题会踏实很多。
1. 先弄懂罗尔定理本身:条件、结论和三个反例
1.1 定理到底在说什么
罗尔定理的完整表述是:设 f(x) 在闭区间 [a,b] 上连续,在开区间 (a,b) 内可导,且 f(a)=f(b),则至少存在一点 ξ∈(a,b),使得 f'(ξ)=0。
几何意义非常直白:一条曲线上,如果起点和终点的高度一样,那么从起点走到终点的过程中,至少有一个瞬间,切线是完全水平的。用生活化的场景来想,你从山脚 A 出发爬到山顶再回到山脚 B,A 和 B 海拔相同,那么无论中间怎么起伏,总有一刻你是沿水平方向移动的。
但只看几何意义是不够的,你得理解它为什么成立。证明思路其实就一句话:连续函数在闭区间上必有最大值和最小值。既然 f(a)=f(b),那函数图像要么是一条水平直线,要么中间一定有起伏。如果中间有起伏,那么最大值或最小值至少有一个在区间内部取到;而内部极值点处的导数必须为零。这一句“内部极值点处导数为零”,就是费马引理,也是罗尔定理的真正内核。
很多参考书把罗尔定理放在三个中值定理的第一个,不是因为它最简单,而是因为它最底层。费马引理是它的证明第一步,拉格朗日和柯西是它的直接推论,考研证明题里最常用的辅助函数法也是从它身上长出来的。所以我才说,罗尔定理不是背完就扔的入门知识点,而是整个微分中值定理体系的发动机。
1.2 三个条件缺一不可:三个反例
罗尔定理的三个条件——闭区间连续、开区间可导、端点值相等——每一个都不是摆设。我在批改作业时见过太多同学只记得 f(a)=f(b),剩下两个条件随手一划就当验证过了,结果在分段函数、绝对值函数上翻车。这里给你三个反例,看完你就知道每个条件在堵什么漏洞。
| 破坏的条件 | 反例 | 为什么失效 |
|---|---|---|
| 闭区间连续 | f(0)=1, f(1)=1, f(x)=x(0<x<1) | 函数在 x=0 处有跳跃间断,虽然端点值相等,但 f'(x) 恒等于 1,没有零点 |
| 开区间可导 | f(x)= | x |
| 端点值相等 | f(x)=x,区间 [0,1] | 函数连续可导,但 f(0)=0,f(1)=1,从 0 走到 1 高度一直上升,全程没有水平切线 |
第一个反例说明:连续性保证了最大值和最小值一定存在,否则函数可能在端点处“断掉”,结论自然不成立。第二个反例说明:可导性保证了极值点处切线存在,尖点处没有切线,也就谈不上水平切线。第三个反例说明:端点值相等是“高度回到原点”的前提,如果起点比终点低,那整体趋势一定是上升的,不能保证出现水平切线。
考试时看到“在闭区间上连续、在开区间内可导、端点值相等”这三个短语同时出现,就要条件反射地想到罗尔定理。反过来,如果题目里给的是分段函数、带绝对值、带根号的函数,你要多问自己一句:这个函数在题目给的区间内真的处处可导吗?
1.3 罗尔定理为什么能当“万能钥匙”
有些同学会问:罗尔定理结论这么简单,就是导数为零,考试哪来那么多花样?关键在于,题目很少让你直接对一个函数用罗尔,而是让你“证明存在一点满足某个导数等式”,这时候你要自己造一个新函数 F(x),让要证的式子恰好等价于 F'(ξ)=0,再想办法说明 F(x) 满足罗尔定理的三个条件。
为什么能这样操作?因为导数运算有丰富的“逆运算”结构。看到 f'(ξ)+f(ξ)=0,你能想到 (eˣf(x))' = eˣ(f'(x)+f(x));看到 f'(ξ)−2ξ=0,你能想到 (f(x)−x²)' = f'(x)−2x。这些“反向查导数表”的能力,就是罗尔定理变成万能钥匙的底层逻辑——它把“找一点满足等式”的问题,转化成“造一个函数让它在两端取值相同”的问题。
从这一节开始,后面的所有内容都会围绕“构造辅助函数”展开。你先把这句话记住:罗尔定理考的不是定理本身,而是你造函数的能力。
2. 罗尔定理的四条推论:从费马引理到拉格朗日中值定理
2.1 费马引理:极值点的导数一定为零
费马引理的内容:若函数 f(x) 在 x₀ 处可导,且 x₀ 是区间内部的极值点,则 f'(x₀)=0。
这个结论看起来简单,但它有两条极易被忽略的注意事项。第一,x₀ 必须是区间内部的点,端点不能算——因为端点的极值定义和内部不同,导数为零的结论在端点处不一定成立。第二,反过来不成立:导数为零的点不一定是极值点,比如 f(x)=x³ 在 x=0 处,f'(0)=0,但 0 既不是极大值点也不是极小值点。
有些教材把费马引理放在罗尔定理之前,作为证明罗尔定理的引理;有些教材把它放在罗尔定理之后,当作推论。按考研数学使用习惯,我们把它和罗尔定理放在一起理解就好——它和罗尔定理共享同一个核心思想:可导函数在内部极值点处的切线必须是水平的。
费马引理在考研里经常单独出现,比如给一个在闭区间上连续、开区间内可导的函数,告诉你它在某内部点取极值,让你证明那一点的导数为零。这类题属于送分题,但也是后面导数零点定理和辅助函数法的逻辑起点。
2.2 导数零点定理(达布定理):导函数具有介值性
这条推论在考研数学里的存在感很强,但很多同学完全不知道。导数零点定理说的是:设 f(x) 在 [a,b] 上可导(端点处理解为单侧导数),且 f'(a) 与 f'(b) 异号,则至少存在一点 ξ∈(a,b),使得 f'(ξ)=0。
这个定理也叫达布定理的核心情形,它本质上是说:导函数虽然不一定连续,但具有介值性——导函数从负变正或从正变负,中间一定穿过零。
最关键的认知是:这个结论完全不需要“导函数连续”这个条件。很多同学遇到 f'(a)·f'(b)<0 的题,第一反应是“导函数不连续怎么办”,然后就不敢往下写。其实达布定理保证了,哪怕 f'(x) 在区间里有很多跳跃间断点,只要两端异号,中间一定有导数的零点。
我还想给你一个直观的证明思路,帮助你理解它为什么成立。假设 f'(a)<0 且 f'(b)>0。由闭区间上连续函数的最值定理,f(x) 在 [a,b] 上必取到最小值。如果最小值在左端点 a 处取得,那么从 a 往右走,函数值不可能比 f(a) 还小,所以右导数 f'₊(a)≥0,这和 f'(a)<0 矛盾;如果最小值在右端点 b 处取得,同理会推出 f'₋(b)≤0,和 f'(b)>0 矛盾。因此最小值点只能在区间内部,由费马引理,该点处的导数就是 0。
考研里遇到“证明 f'(x)=0 在区间内至少有一个根”,除了用罗尔定理凑等值点,另一个常用工具就是导数零点定理。尤其是题目直接给出 f'(a) 和 f'(b) 的符号时,用这条推论几乎是秒杀。
2.3 多次罗尔:零点个数减少规律
如果说费马引理和达布定理是罗尔定理的“近亲”,那下面这条推论就是罗尔定理的“连招”:若可导函数 f(x) 在区间上有 n 个互异的零点,那么 f'(x) 在该区间内至少有 n−1 个零点。
证明方法就是每两个相邻零点之间用一次罗尔定理。比如 f(x₁)=f(x₂)=f(x₃)=0 且 x₁<x₂<x₃,那么在 (x₁,x₂) 和 (x₂,x₃) 上分别用罗尔定理,就能找到两个不同点 ξ₁、ξ₂,使 f'(ξ₁)=0、f'(ξ₂)=0。这个思路在证明“导函数至少有几个零点”的题目里是标准做法,也是后面双中值问题的雏形。
这条推论还有一个特别好用的逆否命题:如果 f'(x) 在区间内没有零点(比如恒为正或恒为负),那么 f(x) 在区间内至多有一个零点。它的逻辑是:如果 f(x) 有两个不同零点,相邻零点之间用一次罗尔定理,f'(x) 就必然有零点,矛盾。
举个例子。证明方程 x⁵−5x+1=0 在 (0,1) 内恰有一个根。先看存在性:f(0)=1>0,f(1)=−3<0,由零点定理,至少有一个根。再看唯一性:f'(x)=5x⁴−5=5(x⁴−1)<0 在 (0,1) 内恒成立,所以 f'(x) 没有零点,由逆否命题,f(x) 在 (0,1) 内至多一个零点。存在性加唯一性,结论就是“恰有一个根”。这种题在选择题、填空题里出现频率很高,脑子里有这条推论,几秒钟就能判断。
2.4 拉格朗日和柯西中值定理其实是罗尔“送”的
很多同学把拉格朗日中值定理当成一个需要单独背的新定理,其实它是罗尔定理的直接推论。怎么推?核心就是构造辅助函数。
拉格朗日中值定理说的是:f(x) 在 [a,b] 连续、在 (a,b) 可导,则存在 ξ∈(a,b),使 f'(ξ)=[f(b)−f(a)]/(b−a)。证明时,构造一个“原函数减去弦函数”的差:
F(x) = f(x) − f(a) − [f(b)−f(a)]/(b−a) · (x−a)
为什么要这样构造?因为弦函数就是从 (a,f(a)) 到 (b,f(b)) 的直线方程,用 f(x) 减去它之后,F(a) 和 F(b) 都等于 0。这样一来,F(x) 满足罗尔定理的条件,直接套罗尔定理,得到 F'(ξ)=0,整理即 f'(ξ)=[f(b)−f(a)]/(b−a)。整个过程连猜带构造,非常自然。
柯西中值定理也是一样的套路。构造
F(x) = f(x) − f(a) − [f(b)−f(a)]/[g(b)−g(a)] · (g(x)−g(a))
前提是 g(b)≠g(a)。同样验证 F(a)=F(b)=0,用罗尔定理就能推出柯西中值定理的结论。
所以你在复习时,不需要把拉格朗日和柯西的证明当成新知识去背,只需要记住一句话:它们都是罗尔定理穿上辅助函数的外套。理解到这一层,考场上就算真的让你证明中值定理本身,你也能从罗尔定理出发自己推出来。
3. 考研题最难的一步:辅助函数怎么构造
3.1 先找“谁的导数”
现在进入正题。考研数学里中值定理证明题,九成以上最终都落到“找辅助函数”,而辅助函数的关键在于你要问自己一个问题:要证的式子,是谁的导数?
比如题目要你证明存在 ξ 使 f'(ξ)+ξ=0。你看到 f'(ξ)+ξ,手里要有一份“反向导数表”——因为 (x²/2)'=x,所以 f'(ξ)+ξ 可以看成 [f(x)+x²/2]'。那辅助函数自然就是 F(x)=f(x)+x²/2。
再比如 f'(ξ)+f(ξ)=0,你要想到 (eˣf(x))'=eˣ(f'(x)+f(x))。指数函数恒大于零,所以 eˣ(f'+f)=0 等价于 f'+f=0。辅助函数就是 F(x)=eˣf(x)。
我把考研里最高频的几组“导数原型”整理成一份表,建议你反复看到条件反射:
| 题目要证的表达式 | 辅助函数候选 | 原理 |
|---|---|---|
| f'(ξ)+g'(ξ)=0 | F(x)=f(x)+g(x) | 和的导数 |
| f'(ξ)−g'(ξ)=0 | F(x)=f(x)−g(x) | 差的导数 |
| f'(ξ)g(ξ)+f(ξ)g'(ξ)=0 | F(x)=f(x)g(x) | 乘积的导数 |
| f'(ξ)−2ξ=0 | F(x)=f(x)−x² | (x²)'=2x |
| f'(ξ)+f(ξ)=0 | F(x)=eˣf(x) | (eˣf)'=eˣ(f'+f) |
| f'(ξ)−f(ξ)=0 | F(x)=e⁻ˣf(x) | (e⁻ˣf)'=e⁻ˣ(f'−f) |
这份表不是让你死记硬背,而是要你理解每一项是怎么来的。前四行都是“看导数公式反着用”,后面两行涉及指数因子,会在下一小节专门展开。
3.2 微分方程法:给等式“配一件指数外套”
如果你碰到的不是和差、乘积类型,而是 f'(ξ)+p(ξ)f(ξ)=0 这种带函数系数的类型,很多人就卡住了。其实有一个万能方法:把它当微分方程来配积分因子。
具体操作分三步。第一步,把结论里的 ξ 换成 x,写成 y'+p(x)y=0 的形式,其中 y=f(x)。第二步,等式两边同乘 e^{∫p(x)dx}。为什么乘它?因为乘完之后左边恰好是 (y·e^{∫p(x)dx})',这是积分因子的标准套路。第三步,令 F(x)=e^{∫p(x)dx}f(x),验证 F'(x)=e^{∫p(x)dx}[f'(x)+p(x)f(x)]。指数函数永远不为零,所以 F'(ξ)=0 就和 f'(ξ)+p(ξ)f(ξ)=0 完全等价。
很多同学一听“解微分方程”就害怕,其实你根本不需要真的把微分方程解出来,只需要算出 ∫p(x)dx 这个积分因子,然后把它乘到 f(x) 前面就行。下面几个考研常见情形,你可以直接套:
| 要证的式子 | 积分因子 | 辅助函数 |
|---|---|---|
| f'+f=0 | e^{∫1dx}=eˣ | eˣ f(x) |
| f'−f=0 | e^{∫(−1)dx}=e⁻ˣ | e⁻ˣ f(x) |
| f'+xf=0 | e^{∫xdx}=e^{x²/2} | e^{x²/2} f(x) |
| f'−2xf=0 | e^{∫(−2x)dx}=e^{-x²} | e^{-x²} f(x) |
这个方法的符号特别容易错,所以每次构造完 F(x),不要急着写答案,先在草稿纸上算一遍 F'(x),看看括号里乘出来的东西和题目要证的式子是否一致。我见过太多同学把 f'+f=0 配成 e⁻ˣf(x),最后算出来是 f'−f=0,差一个符号,整道题白写。
3.3 经典真题演示:从条件到辅助函数的完整推理
光讲方法是空的,我带你看两道最典型的真题思路,感受一下从读题到构造辅助函数的完整推理链。
第一题就是文章开头那道:f(x) 在 [0,1] 连续,在 (0,1) 内可导,f(0)=0,∫₀¹ f(x)dx=0,证明存在 ξ∈(0,1) 使 f'(ξ)=0。
拿到题先想:要证 f'(ξ)=0,但现在题目连 f 的两个等值点都没给,怎么用罗尔?这里的关键是,定积分条件天生就是造等值点用的。令 F(x)=∫₀ˣ f(t)dt,则 F(0)=0,F(1)=∫₀¹ f(t)dt=0。对 F(x) 用罗尔定理,得到存在 η∈(0,1),使 F'(η)=f(η)=0。这一步就厉害了:我们凭空造出了一个 f 的零点 η。再回头看条件,f(0)=0,现在又有 f(η)=0,于是对 f(x) 在 [0,η] 上再用一次罗尔定理,就得到存在 ξ∈(0,η),使 f'(ξ)=0。题目得证。
这道题的“桥梁”就是变上限积分 F(x)=∫₀ˣ f(t)dt。它把积分条件翻译成原函数端点值相等,进而用罗尔定理造出一个新的等值点。这种一题用两次罗尔的模式,在真题里出现频率极高。
第二题:f(x) 在 [0,1] 连续,在 (0,1) 内可导,f(0)=f(1)=0,且 f(1/2)=1,证明存在 ξ∈(0,1) 使 f'(ξ)=1。
要证 f'(ξ)=1,不是 0。处理办法是把 1 看成 x 的导数,构造 F(x)=f(x)−x。算一下 F(0)=0,F(1/2)=1/2>0,F(1)=−1<0。由零点定理,存在 x₁∈(1/2,1) 使 F(x₁)=0。现在 F(0)=F(x₁)=0,对 F(x) 在 [0,x₁] 上使用罗尔定理,得到 F'(ξ)=f'(ξ)−1=0,即 f'(ξ)=1。注意这里区间不是 [0,1],而是 [0,x₁],因为 x₁ 是我们自己找出来的等值点。
这道题的难点在于,你要意识到“f'(ξ)=1”可以转化为“F'(ξ)=0”,也就是 F(x) 的端点值要相等,而端点值相等不一定来自题目直接给,还可以用零点定理去凑。这就是辅助函数法的精髓:所有条件里能出现等值关系的信息,都要为你所用。
3.4 题目给的等值条件怎么用
最后把题目里常见的等值条件来源总结一下,方便你考场上快速定位。
第一类是直接型。题目明说 f(a)=f(b) 或 f(a)=f(b)=0,那你直接对 f 或稍加变形后的函数用罗尔。
第二类是积分型。连续函数满足 ∫ₐᵇ f(x)dx=0 时,令 F(x)=∫ₐˣ f(t)dt,则 F(a)=F(b)=0,罗尔一次就能得到某个 η 使 f(η)=0。这个 η 是后面所有操作的“新端点”。
第三类是隐藏型。题目给的等值条件不明显,需要你用零点定理先找出一个点 c,使某个新函数 F(c)=F(a),再对 F 在 [a,c] 上用罗尔。上面 f'(ξ)=1 那道题就是这个套路。
第四类是递推型。一次罗尔不够,还要把得到的点当成新端点,缩小区间再罗尔一次。定积分那道题就是典型,先得到 η,再在 [0,η] 上罗尔。
把握住这四类,你就等于把罗尔定理的条件库完全掌握,剩下的就是往题目里套了。
4. 综合题实战:一次考试可能同时出现好几个罗尔
4.1 双中值问题:在不同子区间上各用一次罗尔
考研题里有时候不只要找一个点,而是要你找两个不同的点。比如证明存在 ξ₁、ξ₂∈(a,b) 且 ξ₁≠ξ₂,使 f'(ξ₁)=f'(ξ₂)=0。这种题的处理方法很固定:把区间拆开,对每一段分别用罗尔。
最经典的模型就是三个等值点。如果 f(x) 在 [a,b] 上连续、在 (a,b) 内可导,且 f(a)=f(c)=f(b),其中 c∈(a,b),那么在区间 (a,c) 上用一次罗尔定理,得到 ξ₁∈(a,c) 使 f'(ξ₁)=0;在区间 (c,b) 上再用一次,得到 ξ₂∈(c,b) 使 f'(ξ₂)=0。因为两个区间不重叠,所以 ξ₁≠ξ₂,符合“两个不同点”的要求。
做题时候要注意区分题目的措辞。如果题目只说“存在 ξ、η∈(a,b)”,没有强调不同,那你按可能相同处理也行;但如果明确写了 ξ≠η,就必须把区间拆开,各用一次罗尔定理。拆区间的端点通常来自题目给的中间值,比如 f(1/2)=0,或者用积分中值定理找出来的点。
4.2 定积分与罗尔组合的典型套路
定积分条件在罗尔题里几乎就是“送分信号”,因为它太容易翻译成等值关系了。核心逻辑一句话:连续函数的积分就是原函数 F(x)=∫ₐˣ f(t)dt,而 F'(x)=f(x),所以一次罗尔定理下来,就能直接造出 f 的零点。
我再说一个常见变式。如果题目给的条件是 ∫ₐᵇ f(x)dx=f(a)(b−a),这看起来比“积分等于零”复杂,其实处理方式一样:令 F(x)=∫ₐˣ f(t)dt−(x−a)f(a)。验证 F(a)=0,F(b)=∫ₐᵇ f(t)dt−(b−a)f(a)=0,于是罗尔定理给出存在 ξ∈(a,b),使 F'(ξ)=f(ξ)−f(a)=0,也就是 f(ξ)=f(a)。这一步就有用了——你可以把“积分平均值等于端点值”这个条件,翻译成“函数在某个内点取值等于端点值”,为下一次罗尔定理准备等值点。
所以见到积分号不要慌,先问自己:它能不能写成某个函数在两个端点的取值相等?如果能,那就是为罗尔定理铺路的。
4.3 绝对值、分段函数下的陷阱
综合题里最坑的往往不是构造辅助函数本身,而是辅助函数或者原函数的“可导性”和“定义域”问题。
先说可导性。构造辅助函数时,如果题目给的是带绝对值的函数,比如 f(x)=|x−1/2| 在 [0,1] 上,f(0)=f(1)=1/2,端点值相等,但 f 在 x=1/2 处不可导,整个区间上不能用罗尔定理。这时候要么先把区间拆成 [0,1/2] 和 [1/2,1],在每个子区间上分别处理(注意每个子区间依然要满足可导条件),要么说明不可导点不影响你要证的结论。考场上很多同学直接忽略这种“尖点”,结果过程写得很顺,但每一步都不严谨。
再说定义域。如果你构造的辅助函数里出现 ln f(x)、√f(x)、f(x)/g(x) 这类结构,必须先说明 f(x)>0、f(x)≥0、g(x)≠0 等前提条件,否则辅助函数在区间内某处根本没有定义,罗尔定理的三个条件不成立。我改作业时见过不少同学构造出 F(x)=ln f(x),结果题目里 f 有零点,ln 在零点处无定义,整道题从第一步就错了。
5. 考场上的常见翻车点和检查清单
5.1 最容易扣分的五个地方
我把这几年批改作业和阅卷时看到的常见错误集中列出来,每一条都对应着具体的扣分点。
第一,条件验证只有一句话。很多同学写“由罗尔定理可知”就直接出结论,完全不写 f(x) 在闭区间连续、开区间可导、端点值相等这三个条件分别怎么满足。考研阅卷是按步骤给分的,条件验证本身就是分数,省略等于主动丢分。
第二,辅助函数忘了验证罗尔条件。你构造的 F(x) 也要满足连续、可导、等值三个条件,不能只验证一个端点值相等就完事。尤其是 F(x) 里带参数的题目,参数取值可能影响连续性和可导性。
第三,指数因子符号写反。f'+f=0 配 eˣ,f'−f=0 配 e⁻ˣ,这个考场上特别容易混。我的建议是每次构造完之后,花十秒钟算一下 F',确认括号里的表达式和题目一致再往下写。
第四,把“至少存在”写成“唯一存在”。罗尔定理给出的 ξ 只保证存在,不保证唯一。有些同学写完“存在唯一的 ξ”后,后面的推导其实只证明了存在性,“唯一”二字反而变成一个错误结论,可能被扣分。
第五,没有说明 ξ 在开区间内。罗尔定理的结论要求 ξ∈(a,b),如果你找到的点是端点或者区间外的点,那整个过程都是白费的。写完结论后回看一眼,确保你写的是“存在 ξ∈(a,b)”。
5.2 一份可操作的“用罗尔前自查清单”
做题节奏一快,人就容易丢条件。我在备考后期总结了一份自查清单,每次写完一道中值定理证明题都会在草稿上快速过一遍。你也可以直接用:
- [ ] 这道题要证的式子,能不能改写成某个函数的导数等于零?
- [ ] 辅助函数 F(x) 在闭区间上连续吗?区间内有没有间断点?
- [ ] F(x) 在开区间内可导吗?有没有绝对值尖点、分母零点、对数无定义这些情况?
- [ ] F(a)=F(b) 吗?如果不等,题目里的积分条件、零点定理能不能帮我找到一个 c,使 F(c)=F(a)?
- [ ] 用罗尔定理得到的点,是不是落在开区间内部?整理后的结论和题目要求完全一致吗?
这五条看起来简单,但真的能拦住大部分低级失误。尤其是第四条,当你发现 F(a)≠F(b) 的时候,不要马上放弃,想想能不能用零点定理先凑一对等值点——这正是前面那道 f'(ξ)=1 题目的核心思路。
5.3 真题演练:一题吃透整个推论体系
最后给你一道综合题,把这一整篇文章的内容串起来。
设 f(x) 在 [0,1] 上连续,在 (0,1) 内可导,且 f(0)=f(1)=1。证明: (1)存在 ξ∈(0,1),使 f'(ξ)=0; (2)存在 η∈(0,1),使 f'(η)+f(η)=1。
第一问是送分的:f(0)=f(1),直接在 [0,1] 上用罗尔定理,得到存在 ξ∈(0,1) 使 f'(ξ)=0。
第二问需要动点脑筋。要证 f'(η)+f(η)=1,移项一下就是 f'(η)+[f(η)−1]=0。如果令 g(x)=f(x)−1,那这个式子就变成 g'(η)+g(η)=0。看到这个结构,你应该立刻想起 3.2 节的微分方程法:对它配积分因子 eˣ,于是构造 G(x)=eˣg(x)=eˣ[f(x)−1]。
验证一下:G(0)=e⁰·[f(0)−1]=0,G(1)=e¹·[f(1)−1]=0。G(x) 在 [0,1] 连续、在 (0,1) 可导,满足罗尔定理的全部条件。于是存在 η∈(0,1),使 G'(η)=0。算 G'(x)=eˣ[f'(x)+f(x)−1],因为 eˣ 恒不为零,所以 f'(η)+f(η)−1=0,即 f'(η)+f(η)=1。证完。
这道题把直接罗尔、常数项处理、指数因子配凑、辅助函数验证全考了一遍。第一问考验你是不是真的会直接套用罗尔定理,第二问考验你能不能看出“f'+f=1”和“g'+g=0”之间的等价关系,然后熟练地用积分因子构造辅助函数。
最后再分享一个我自己的习惯。判卷时我总发现,能在中值定理证明题上拿满分的同学,几乎都会在草稿纸上先写三句话:要证谁的导数为零?辅助函数两端等不等?有没有不可导或无定义的坑?这三句话看起来简单,但真能防止大部分低级失误。你从今天开始,每次做这类题都先在草稿上把这三个问题写一遍,坚持一段时间,会比单纯多刷好几道题管用得多。