Hamso-apdung

  • October 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Hamso-apdung as PDF for free.

More details

  • Words: 3,645
  • Pages: 11
HCL30784.blogspot.com

C¸c bµi to¸n ¸p dông tÝnh liªn tôc, tÝnh ®¬n ®iÖu cña hµm sè vµ ®Þnh lÝ Largrange. A. KiÕn thøc cÇn nhí. I. TÝnh liªn tôc cña hµm sè 1. §Þnh nghÜa: Cho hµm sè y = f (x) x¸c ®Þnh trªn tËp D vµ x0 ∈ D. Hµm sè f ®−îc gäi lµ liªn tôc t¹i x0 nÕu lim f (x) = f (x0 )

x→x0

Hµm sè f ®−îc gäi lµ liªn tôc trªn D nÕu nã liªn tôc t¹i mäi ®iÓm x0 ∈ D. NhËn xÐt: NÕu hµm sè u = u(x) liªn tôc t¹i x0 vµ hµm sè y = f (u) liªn tôc t¹i u0 = u(x0 ) th× ta cã lim f (u(x)) = f ( lim u(x)) = f (u(x0 )) x→x0

x→x0

2. C¸c ®Þnh lÝ vµ hÖ qu¶. §Þnh lÝ NÕu hµm sè y = f (x) liªn tôc trªn [a, b] th× nã ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt, gi¸ trÞ nhá nhÊt trªn [a, b] vµ nhËn mäi gi¸ trÞ trung gian gi÷a GTNN, GTLN. NghÜa lµ Tån t¹i x1 ∈ [a, b] sao cho f (x1 ) = m = min f (x) [a,b]

Tån t¹i

x2 ∈ [a, b]

sao cho

f (x2 ) = M = max f (x) [a,b]

vµ nÕu λ lµ sè n»m gi÷a m vµ M th× tån t¹i x0 ∈ [a, b] sao cho λ = f (x0 ) HÖ qu¶ NÕu hµm sè y = f (x) liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] vµ f (a)f (b) < 0 th× tån t¹i sè c ∈ (a, b) sao cho f (c) = 0, nghÜa lµ ph−¬ng tr×nh f (x) = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm c ∈ (a, b) II. §Þnh lÝ Largrange §Þnh lÝ (Largrange) NÕu hµm sè y = f (x) liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] vµ cã ®¹o hµm trªn kho¶ng (a, b) th× tån t¹i sè c ∈ (a, b) sao cho f (b) − f (a) f 0 (c) = b−a

3

HCL30784.blogspot.com HÖ qu¶ 1 (§Þnh lÝ Rolle) NÕu hµm sè y = f (x) liªn tôc trªn ®o¹n [a, b], cã ®¹o hµm trªn kho¶ng (a, b) vµ f (a) = f (b) th× tån t¹i sè c ∈ (a, b) sao cho f 0 (c) = 0, hay nãi c¸ch kh¸c ph−¬ng tr×nh f 0 (x) = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm thuéc (a, b). HÖ qu¶ 2 Cho hµm sè y = f (x) cã ®¹o hµm trªn [a, b]. Khi ®ã nÕu ph−¬ng tr×nh f 0 (x) = 0 cã duy nhÊt nghiÖm trªn ®o¹n [a, b] th× ph−¬ng tr×nh f (x) = 0 kh«ng thÓ cã qu¸ hai nghiÖm ph©n biÖt trªn [a, b]. Chøng minh: Gi¶ sö ng−îc l¹i, ph−¬ng tr×nh f (x) = 0 cã 3 nghiÖm ph©n biÖt x1 , x2 , x3 ∈ [a, b]. Kh«ng mÊt tæng qu¸t, cã thÓ gi¶ sö x1 < x2 < x3 . Khi ®ã theo ®Þnh lÝ Rolle, ph−¬ng tr×nh f 0 (x) = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm α ∈ (x1 , x2 ) vµ cã Ýt nhÊt mét nghiÖm β ∈ (x2 , x3 ). Ta suy ra ph−¬ng tr×nh f 0 (x) = 0 cã Ýt nhÊt hai nghiÖm ph©n biÖt trªn (a, b), ®iÒu nµy m©u thuÈn víi gi¶ thiÕt.

III. TÝnh ®¬n ®iÖu cña hµm sè 1. §Þnh nghÜa Cho hµm sè y = f (x) x¸c ®Þnh trªn tËp K. Hµm sè f ®−îc gäi lµ ®ång biÕn (hay t¨ng) trªn K nÕu ∀x1 , x2 ∈ K : x1 < x2 ⇒ f (x1 ) < f (x2 ) Hµm sè f ®−îc gäi lµ nghÞch biÕn (hay gi¶m) trªn K nÕu ∀x1 , x2 ∈ K : x1 < x2 ⇒ f (x1 ) > f (x2 ) 2. §Þnh lÝ Cho hµm sè y = f (x) cã ®¹o hµm trªn kho¶ng (a, b). a) NÕu f 0 (x) ≥ 0 ∀x ∈ (a, b) vµ dÊu ®¼ng thøc chØ x¶y ra t¹i mét sè h÷u h¹n ®iÓm trªn (a, b) th× hµm sè y = f (x) t¨ng trªn (a, b). b) NÕu f 0 (x) < 0 ∀x ∈ (a, b) vµ dÊu ®¼ng thøc chØ x¶y ra t¹i mét sè h÷u h¹n ®iÓm trªn (a, b) th× hµm sè y = f (x) gi¶m trªn (a, b). c) NÕu f 0 (x) = 0 ∀x ∈ (a, b) th× f lµ hµm h»ng trªn (a, b). 3. NhËn xÐt • NÕu hµm sè y = f (x) t¨ng (t.− gi¶m) trªn kho¶ng (a, b) vµ liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] th× hµm sè f còng t¨ng (t.− gi¶m) trªn ®o¹n [a, b] • NÕu hµm sè y = f (x) t¨ng (hoÆc gi¶m) trªn kho¶ng (a, b) th× víi mäi u, v ∈ (a, b) ta cã f (u) > f (v) ⇔ u > v 4

HCL30784.blogspot.com f (u) < f (v) ⇔ u < v f (u) = f (v) ⇔ u = v

B. C¸c vÝ dô minh häa VÝ dô 1 Cho hµm sè y = f (x) lµ hµm liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] sao cho a ≤ f (x) ≤ b, ∀x ∈ [a, b] Chøng minh r»ng ph−¬ng tr×nh f (x) = x cã Ýt nhÊt mét nghiÖm thuéc ®o¹n [a, b]. Bµi gi¶i XÐt hµm sè g(x) = f (x) − x. V× hiÖu cña hai hµm liªn tôc lµ mét hµm liªn tôc nªn g(x) lµ hµm sè liªn tôc trªn ®o¹n [a, b]. Ta cã  g(a) = f (a) − a ≥ 0 ⇒ g(a)g(b) ≤ 0 g(b) = f (b) − b ≤ 0 Cã hai kh¶ n¨ng x¶y ra  + NÕu g(a)g(b) = 0 th× suy ra

g(a) = 0 ⇒ g(b) = 0



f (a) = a f (b) = b

Nh− vËy trong tr−êng hîp nµy, hoÆc a, hoÆc b lµ nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh f (x) = x. + NÕu g(a)g(b) < 0 th× do g lµ hµm liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] nªn tån t¹i x0 ∈ (a, b) sao cho g(x0 ) = 0, suy ra f (x0 ) = x0 . VËy x0 lµ nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh f (x) = x. VÝ dô 2 Cho f (x) lµ hµm liªn tôc trªn ®o¹n [0, 1] vµ tháa m·n ®iÒu kiÖn f (0) = f (1). Cho n lµ sè tù nhiªn tïy ý. Chøng minh r»ng tån t¹i x0 ∈ [0, 1] sao cho ta cã hÖ thøc  1 f (x0 ) = f x0 + n Bµi gi¶i   XÐt hµm sè g(x) = f x + n1 − f (x). n−1 Khi ®ã g(x) lµ hµm x¸c ®Þnh vµ liªn tôc trªn ®o¹n [0; ]. n Ta cã     g(0) = f n1 − f (0)            1 2  g = f − 1   n n n g n2 = f n3 − n2     ...         g n−1 = f (1) − f n−1 n

5

n

HCL30784.blogspot.com Céng vÕ theo vÕ n ®¼ng thøc trªn ta cã g(0) + g

1 n

+g

2 n

+ ... + g

n − 1 n

= f (1) − f (0) = 0.

Tõ ®ã suy ra tån t¹i i, j ∈ {0, 1, 2, ..., n − 1} sao cho g

i n

≥0



g

j  n

≤0

Kh«ng mÊt tæng qu¸t, gi¶ sö i < j, khi ®ã theo tÝnh chÊt liªn tôc cña hµm sè g(x), tån hi ji t¹i x0 ∈ ; ⊂ [0, 1] sao cho n n   1 1 g(x0 ) = 0 ⇒ f x0 + − f (x0 ) = 0 ⇒ f x0 + = f (x0 ). n n VËy ta cã ®iÒu ph¶i chøng minh. VÝ dô 3 Cho f (x) vµ g(x) lµ c¸c hµm sè liªn tôc trªn [a, b], tháa m·n ®iÒu kiÖn 0 < f (x) < g(x), ∀x ∈ [a, b]. Chøng minh r»ng tån t¹i sè λ > 0 sao cho (1 + λ)g(x) < f (x), ∀x ∈ [a, b] Bµi gi¶i XÐt hµm sè h(x) =

f (x) trªn ®o¹n [a, b] g(x)

Theo gi¶ thiÕt ta suy ra h(x) lµ hµm sè liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] vµ h(x) > 1, ∀x ∈ [a, b]. Do h(x) liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] nªn nã ®¹t gi¸ trÞ nhá nhÊt trªn [a, b], tøc lµ tån t¹i x0 ∈ [a, b] sao cho h(x0 ) = µ = min h(x) [a,b]

V× h(x) > 1, ∀x ∈ [a, b] nªn ta cã µ = h(x0 ) > 1. Suy ra cã sè λ > 0 sao cho µ = 1 + 2λ. V× µ lµ gi¸ trÞ nhá nhÊt cña hµm sè h(x) trªn ®o¹n [a, b] nªn ta cã h(x) ≥ µ, ∀x ∈ [a, b] ⇒ h(x) ≥ 1 + 2λ > 1 + λ, ∀x ∈ [a, b] ⇒

f (x) > 1 + λ, ∀x ∈ [a, b] g(x)

⇒ f (x) > (1 + λ)g(x), ∀x ∈ [a, b] VËy ta cã ®iÒu ph¶i chøng minh. 6

HCL30784.blogspot.com VÝ dô 4 Cho ®a thøc P (x) = an xn + an−1 xn−1 + ... + a1 x + a0 ,

(an 6= 0)

Gi¶ sö P (x0 ) ≥ 0 vµ P (i) (x0 ) ≥ 0, ∀i = 1, 2, ..., n. Gäi α lµ mét nghiÖm tïy ý cña ph−¬ng tr×nh P (x) = 0. Chøng minh r»ng α ≤ x0 . ¸p dông chøng minh r»ng ph−¬ng tr×nh x5 − 5x4 + 15x3 − x2 + 3x − 7 = 0 cã nghiÖm duy nhÊt. Bµi gi¶i Ta cã: P (n) (x) = an n! víi mäi x ∈ R. Theo gi¶ thiÕt P (n) (x0 ) ≥ 0 nªn suy ra P (n) (x) = an n! > 0, ∀x ∈ R. ⇒ P (n−1) (x) lµ hµm ®ång biÕn trªn [x0 , +∞) ⇒ P (n−1) (x) > P (n−1) (x0 ) ≥ 0, ∀x > x0 ⇒ P (n−2) (x) lµ hµm ®ång biÕn trªn [x0 , +∞) ⇒ P (n−2) (x) > P (n−2) (x0 ) ≥ 0, ∀x > x0 ...... LËp luËn t−¬ng tù, ta ®i ®Õn P (x) lµ hµm ®ång biÕn trªn [x0 , +∞) Suy ra P (x) > P (x0 ) ≥ 0, ∀x > x0

(*)

Tõ (*) suy ra víi mäi x > x0 ®Òu kh«ng ph¶i lµ nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh P (x) = 0, suy ra α ≤ x0 . VËy ta cã ®pcm. ¸p dông: §Æt P (x) = x5 − 5x4 + 15x3 − x2 + 3x − 7 Ta cã P 0 (x) = 5x4 − 20x3 + 45x2 − 2x + 3 P 00 (x) = 20x3 − 60x2 + 90x − 2 P 000 (x) = 60x2 − 120x + 90 P (4) (x) = 120x − 120 P (5) (x) = 120 Ta cã P (1), P 0 (1), P 00 (1), P 000 (1), P (4) (1), P (5) (1) ®Òu lín h¬n hoÆc b»ng 0, vËy theo chøng minh trªn ta suy ra mäi x > 1 ®Òu kh«ng ph¶i lµ nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh P (x) = 0. 7

HCL30784.blogspot.com MÆt kh¸c nhËn xÐt r»ng, ®a thøc P (x) cã c¸c hÖ sè bËc ch½n ©m, c¸c hÖ sè bËc lÏ d−¬ng nªn nÕu x < 0 th× P (x) < 0, vËy mäi x < 0 còng kh«ng ph¶i lµ nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh P (x) = 0. Ta chØ cßn ph¶i xÐt tr−êng hîp 0 ≤ x ≤ 1 Ta cã P (x) liªn tôc trªn ®o¹n [0, 1] vµ P (0) = −7 < 0, P (1) = 6 > 0 nªn ph−¬ng tr×nh P (x) = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm α ∈ (0, 1). MÆt kh¸c v× P 0 (x) = 5x4 + 20(x2 − x3 ) + 25x2 + 2(1 − x) + 1 > 0, ∀x ∈ [0, 1], nªn P (x) lµ hµm ®ång biÕn trªn [0, 1]. Suy ra α lµ nghiÖm duy nhÊt cña ph−¬ng tr×nh P (x) = 0. VÝ dô 5 Cho f (x) liªn tôc trªn [0, 1], cã ®¹o hµm trªn kho¶ng (0, 1) sao cho f (0) = f (1) = 0 Chøng minh r»ng tån t¹i c ∈ (0, 1) sao cho f 0 (c) = f (c). Bµi gi¶i XÐt hµm sè g(x) = f (x)e−x trªn ®o¹n [0, 1]. Ta cã   g 0 (x) = f 0 (x)e−x − f (x)e−x = f 0 (x) − f (x) e−x , ∀x ∈ [0, 1] Theo gi¶ thiÕt f (0) = f (1) = 0 nªn ta còng cã g(0) = g(1) = 0. V× vËy theo ®Þnh lÝ Rolle, tån t¹i sè c ∈ (0, 1) sao cho g 0 (c) = 0 Suy ra   f 0 (c) − f (c) e−c = 0 ⇔ f 0 (c) = f (c) VËy ta cã ®pcm. VÝ dô 6 Cho m lµ sè nguyªn d−¬ng cßn a, b, c lµ ba sè thùc sao cho a b c + + =0 m+2 m+1 m Chøng minh r»ng khi ®ã ph−¬ng tr×nh ax2 + bx + c = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm trong kho¶ng (0, 1). Bµi gi¶i XÐt hµm sè f (x) =

a b c xm+2 + xm+1 + xm m+2 m+1 m

Ta cã 0

f (x) = ax

m+1

m

+ bx + cx

8

m−1

=x

m−1



2

ax + bx + c



HCL30784.blogspot.com Theo gi¶ thiÕt ta cã 

f (0) = 0 a f (1) = m+2 +

b m+1

+

c m

=0

⇒ f (0) = f (1) = 0

¸p dông ®Þnh lÝ Rolle, tån t¹i α ∈ (0, 1) sao cho f 0 (α) = 0, hay   αm−1 aα2 + bα + c = 0 ⇔ aα2 + bα + c = 0, (v×

α > 0)

Suy ra ph−¬ng tr×nh ax2 + bx + c = 0 cã Ýt nhÊt mét nghiÖm α ∈ (0, 1). §ã lµ ®pcm. VÝ dô 7 Cho 0 < x < 1; 0 < y < 1; x 6= y. Chøng minh r»ng y x  1  ln − ln >4 y−x 1−y 1−x Bµi gi¶i V× x 6= y nªn kh«ng mÊt tæng qu¸t ta cã thÓ gi¶ sö y > x. Khi ®ã bÊt ®¼ng thøc cÇn chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi ln XÐt hµm sè f (t) = ln Ta cã

y x − 4y > ln − 4x 1−y 1−x

t − 4t víi t ∈ (0, 1) 1−t f 0 (t) =

(2t − 1)2 ≥ 0, ∀t ∈ (0, 1) t(1 − t)

Suy ra f (t) lµ hµm ®ång biÕn trªn (0, 1). Do 0 < x < y < 1 nªn ta cã f (y) > f (x) ln

y x − 4y > ln − 4x 1−y 1−x

VËy (*) ®óng, suy ra ®pcm. VÝ dô 8 Cho x > 0 vµ x 6= 1. Chøng minh r»ng ln x 1 <√ x−1 x Bµi gi¶i

9

(*)

HCL30784.blogspot.com XÐt hai tr−¬ng hîp sau + NÕu x > 1, khi ®ã bÊt ®¼ng thøc ®· cho t−¬ng ®−¬ng víi x−1 ln x − √ < 0 x XÐt hµm sè

Ta cã

t−1 f (t) = ln t − √ t √

1 f 0 (t) = − t

t− t

t−1 √ 2 t

víi

(1)

t ∈ [1, +∞)

√ 1 t+1 ( t − 1)2 √ = − √ =− < 0, ∀x ∈ (1, +∞) t 2t t 2t t

Suy ra f (t) lµ hµm nghÞch biÕn trªn [1, ∞). V× x > 1 nªn suy ra f (x) < f (1) = 0, vËy (1) ®óng. + NÕu 0 < x < 1 th×

1 > 1 nªn ¸p dông tr−êng hîp võa chøng minh ta cã x 1 f ( ) < f (1) = 0 x ⇔ ln

1 −1 1 1−x − xq < 0 ⇔ − ln x − √ < 0 x x 1 x

x−1 ln x 1 ⇔ ln x > √ ⇔ <√ x−1 x x VËy ta cã ®pcm. VÝ dô 9 Cho 0 < a < b. Chøng minh r»ng b b−a b−a < ln < b a a Bµi gi¶i BÊt ®¼ng thøc cµn chøng minh t−¬ng ®−¬ng víi 1 ln b − ln a 1 < < b b−a a

(1)

XÐt hµm sè f (x) = ln x trªn ®o¹n [a, b]. V× hµm f tháa m·n ®iÒu kiÖn cña ®Þnh lÝ Largrange trªn [a, b] nªn tån t¹i sè c ∈ (a, b) sao cho f 0 (c) =

f (b) − f (a) b−a

1 ln b − ln a = c b−a V× a < c < b nªn tõ (1) vµ (2) ta suy ra ®pcm. ⇔

10

(2)

HCL30784.blogspot.com

C. Bµi tËp tù rÌn luyÖn. Bµi 1 Cho f (x) lµ hµm sè liªn tôc trªn ®o¹n [a, b] vµ α, β lµ hai sè thùc d−¬ng. Chøng minh r»ng tån t¹i c ∈ [a, b] sao cho αf (a) + βf (b) = (α + β)f (c) Bµi 2 Cho hai hµm sè f (x), g(x) liªn tôc trªn [0; 1] vµ tháa m·n  f (0) = g(1) = 0 f (1) = g(0) = 1 Chøng minh r»ng víi mäi λ > 0, tån t¹i x0 ∈ [0, 1] sao cho f (x0 ) = λg(x0 ) Bµi 3 Cho f (x) lµ hµm liªn tôc trªn ®o¹n [a, b]. Chøng minh r»ng víi mäi x1 , x2 , ..., xn thuéc kho¶ng (a, b), tån t¹i sè c ∈ (a, b) sao cho n

1X f (c) = f (xi ) n i=1 Bµi 4 Chøng minh r»ng nÕu hµm sè y = f (x) x¸c ®Þnh trªn R vµ tháa m·n ®iÒu kiÖn |f (x) − f (y)| ≤ (x − y)2 , ∀x 6= y ∈ R th× f (x) lµ h»ng sè trªn R. Bµi 5 Cho hµm sè f (x) x¸c ®Þnh trªn R vµ tháa m·n ®iÒu kiÖn f (x + y) = f (x) + f (y) + 2xy, ∀x, y ∈ R vµ cã ®¹o hµm khi x = 0. Chøng minh r»ng f (x) cã ®¹o hµm trªn R. Bµi 6 Chøng minh r»ng víi mäi sè nguyªn d−¬ng n, ®a thøc 1 + x + x2 + ... + xn kh«ng ph¶i lµ b×nh ph−¬ng cña mét ®a thøc kh¸c. Bµi 7 Chøng minh r»ng víi mäi sè thùc a, b, c th× ph−¬ng tr×nh a cos 3x + b cos 2x + c cos x + sinx = 0 lu«n cã nghiÖm trong kho¶ng (0, 2π). 11

HCL30784.blogspot.com Bµi 8 Cho f (x) lµ hµm sè liªn tôc vµ cã ®¹o hµm trªn ®o¹n [0, 1]. Gi¶ sö f (0) = 0 vµ f (1) = 1. Chøng minh r»ng tån t¹i hai sè α, β : 0 < α < β < 1 sao cho f 0 (α)f 0 (β) = 1 Bµi 9 Cho sè thùc α > 0. Chøng minh r»ng a) eα > α + 1 b) α > ln(α + 1) π . Chøng minh c¸c bÊt ®¼ng thøc sau: 2 α a) sin α > α − 6 2α b) sin α > π

Bµi 10 Cho 0 < α <

c) α sin α + cos α > 1 d) 2sin α + 2tan α > 2α+1 e) sin 2α <

2 3α − α3

α3 2 π Bµi 11 Cho 0 < β < α < . Chøng minh r»ng 2 f) tan α − sin α >

α−β α−β < tan α − tan β < 2 cos β cos2 α Bµi 12 Cho t > 0. Chøng minh r»ng  1+

1 t+1  1 t > 1+ t+1 t

Bµi 13 Cho x > y > 0. Chøng minh r»ng x+y x−y > 2 ln x − ln y Bµi 14 Chøng minh r»ng víi mäi x > 0 ta cã   1 √ 2 ln 1 + 1 + x < + ln x x 12

HCL30784.blogspot.com Bµi 15 Chøng minh r»ng víi mäi α ta cã √ √ √ √ √ 17 ≤ cos2 α + 4 cos α + 6 + cos2 α − 2 cos α + 3 ≤ 2 + 11 Bµi 16 Cho 0 < x < 1; 0 < y < 1 vµ x + y = 1. Chøng minh r»ng √ xx + y y ≥ 2 Bµi 17 Cho hµm sè y = f (x) cã ®¹o hµm trªn R vµ tháa m·n ®iÒu kiÖn f 0 (x) = f (x), ∀x ∈ R Chøng minh r»ng tån t¹i sè C ∈ R sao cho f (x) = Cex , ∀x ∈ R Bµi 18 Chøng minh r»ng ph−¬ng tr×nh sin

π π π − cos = 0 x x x

cã v« sè nghiÖm trªn (0, 1). Bµi 19 Cho hµm sè y = f (x) liªn tôc trªn ®o¹n [0, 1], cã ®¹o hµm trªn kho¶ng (0, 1) vµ tháa m·n f (0) = f (1). Chøng minh r»ng tån t¹i c ∈ (0, 1) sao cho 1 f (0) − f (c) = cf 0 (c) 2

13