设函数f(x)在[0,π]上连续,且∫π0f(x)dx=0,∫π0f(x)cosxdx=0,试证明:在(0,π)内至少存在两

2025-05-17 17:44:22
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【解法一】令 F(x)=

f(t)dt,显然,F(0)=0.由已知条件可得,F(π)=0.
因为 0=
f(x)cosxdx
=
cosxdF(x)=F(x)cosx
|
+
F(x)sinxdx=
F(x)sinxdx,
利用积分中值定理,存在ξ∈(0,π),使得 F(ξ)sin ξ=0.注意到 sin ξ>0,故有 F(ξ)=0.
从而,F(0)=F(ξ)=F(π)=0.
在区间[0,ξ]与[ξ,1]上分别利用罗尔定理可得,至少存在ξ1 ∈[0,ξ],ξ2∈[ξ,1],
使得 F′(ξ1)=F′(ξ2)=0.
即:f(ξ1)=f(ξ2)=0.
【解法二】由
f(x)dx
=0 可知,存在 ξ1∈(0,π),使得 f(ξ1)=0.
否则,f(x) 在区间 (0,π) 内恒为正数或者负数,由积分的保号性可知,
f(x)dx
为正数或者负数,与  
f(x)dx
=0 矛盾.
反设结论不成立,即:f(x)=0 在区间 (0,π)内仅有一个实根 x=ξ1
由于  
f(x)dx
=0,故 f(x) 在区间 (0,ξ1)与 (ξ1,π)上异号.
不妨设 f(x) 在区间 (0,ξ1)上恒为正数,在区间 (ξ1,π)上恒为负数.
由已知条件计算可得,
     0=
f(x)cosxdx
-cos(ξ1
f(x)dx
 
=
f(x)(cosx-cosξ1)dx
=
 f(x)(cosx-cosξ1)dx+
 f(x)(cosx-cosξ1)dx
=I1+I2
因为余弦函数 cosx 在 (0,π)上为单调减函数,并注意到f(x) 在区间 (0,ξ1)上恒为正数,在区间 (ξ1,π)上恒为负数,
故有 I1>0,I2>0,与 I1+I2=0 矛盾.故反设不成立,即在区间 (0,π) 上,除 ξ1外,f(x)至少还有一个零点ξ2