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证明存在题 ​

日期:2025-12-12

26. 设 在 上连续,在 内可二阶可导且 ,证明存在 使 。

解题思路

这题的核心套路:先构造一个“恰好穿过三点的二次多项式” ,再看差函数 。因为 在 三点都等于 0,所以可以对 连续用两次罗尔定理,逼出某点二阶导为 0,从而得到 。

第 1 步:构造插值二次函数 ​

设

要求它满足与 同样的三点取值:

  • 由 得 。
  • 由 得 。
  • 由 得 。

解方程组:

所以

并且

(这里为什么:二次多项式二阶导是常数, 的二阶导是 1,线性项和常数项二阶导为 0。)

第 2 步:构造差函数 ​

令

则

也就是说: 在 有三个零点。

并且:

  • 在 连续,而 是多项式处处连续,所以 在 连续。(连续函数差仍连续)
  • 在 二阶可导,而 多项式处处二阶可导,所以 在 二阶可导。(可导函数差仍可导)

这些是后面用罗尔定理的前提条件。

第 3 步:第一次用罗尔定理,得到两个点使 ​

因为 在 连续、在 可导,并且 ,满足罗尔定理条件,所以:

存在 ,使得 。

同理, 在 连续、在 可导,且 ,所以:

存在 ,使得 。

(这一步为什么能保证 分别落在 、:因为罗尔定理给的点一定在端点之间的开区间里。)

第 4 步:第二次用罗尔定理,得到某点使 ​

现在看函数 。

  • 因为 在 二阶可导,所以 在 可导,并且 在 连续。(一般:可导函数导数在闭区间上具有介值性质需要更强条件,但这里我们只需要:二阶可导 连续,从而满足罗尔定理的“连续”要求。确切地说:,所以在闭区间 上 连续且可导。)

并且我们已有

于是对 在 使用罗尔定理:

存在 ,使得 。

第 5 步:把 转回到 ​

因为

(为什么:求导是线性的,差的二阶导=二阶导的差。)

在 处:

因此


结论 ​

在 至少存在一点 ,使得