积分不等式


\begin{liti}
(2022年山大考研)设函数f[0,1]上有二阶连续导数,且f(0)=f(1)=f(0)=0,f(1)=1.求证:

01(f(x))2dx4,
并指出不等式中等号成立的条件.
\end{liti}
\begin{jieda}
作三次多项式p(x)=x3x2,它也满足p(0)=p(1)=p(0)=0,p(1)=1.此时,
01(p(x))2dx=01(6x2)2dx=[118(6x2)3]01=4.

由于
01f(x)(6x2)dx=01(6x2)df(x)=4f(1)+2f(0)+601f(x)dx=4f(1)+2f(0)+6[f(1)f(0)]=4,
于是
01(f(x))2dx+01(p(x))2dx=01(f(x)p(x))2dx+201f(x)p(x)dx=01(f(x)p(x))2dx+201f(x)(6x2)dx=01(f(x)p(x))2dx+8,

01(f(x))2dx=01(f(x)p(x))2dx+44,
当且仅当f=p,即f(x)=p(x)=x3x2时取等号成立.
\end{jieda}

 

\begin{liti} 设$f(x)$在区间$[0,1]$上具有连续导数,且$f(0)=0,f(1)=1$. 证明: $$ \int_0^1{\left| f'\left( x \right) -f\left( x \right) \right|dx}\ge \frac{1}{e}. $$    \end{liti}
\begin{jieda} 由于 $$ f'\left( x \right) -f\left( x \right) =e^x\left[ e^{-x}f\left( x \right) \right] ' $$ 且$e^x\geqslant 1,x\in [0,1]$,故 \begin{align*} \int_0^1{\left| f'\left( x \right) -f\left( x \right) \right|dx} &=\int_0^1{\left| e^x\left[ e^{-x}f\left( x \right) \right] ' \right|dx}\\ &\geqslant \int_0^1{\left[ e^{-x}f\left( x \right) \right] 'dx}=\left. e^{-x}f\left( x \right) \right|_{0}^{1}=\frac{f\left( 1 \right)}{e}-f\left( 0 \right) =\frac{1}{e}. \end{align*}    \end{jieda}


\begin{liti}
给定严格递增的无界正实数列{an},求证:

(1)存在自然数k0,使得对一切正整数kk0,均有
a1a2+a2a3++akak+1<k1;

(2)存在自然数k1,使得对一切正整数kk1,均有a1a2+a2a3++akak+1<k2014.
\end{liti}
\begin{jieda}

\end{jieda}


\begin{liti}
已知数列{an}满足a1=2,an+1=an2an+1.

(1)求证:当正整数n2时有1122n1<1a1+1a2++1an<1122n.


(2)对于正整数数列{bn},满足对任意n, 1b1+1b2++1bn<1.
证明: 1b1+1b2++1bn1a1+1a2++1an.
\end{liti}
\begin{jieda}

\end{jieda}

 

\begin{liti}
无穷正实数数列{xn}满足x0=1,xn+1xn (n=0,1,2,).

(1)求证:对于满足上述要求的任意数列{xn},存在正整数n,使得x02x1+x12x2++xn12xn3.999;

(2)构造满足要求数列{xn},使得任意正整数n, x02x1+x12x2++xn12xn<4.
\end{liti}
\begin{jieda}

\end{jieda}

 

\begin{liti} 已知数列$\{a_n\}$满足$a_1=1,a_na_{n+1}=n+1\ (n=1,2,\cdots)$.求证: $$ \sum_{k=1}^n{\frac{1}{a_k}}\geqslant 2\left( \sqrt{n+1}-1 \right). $$ \end{liti}
\begin{jieda}

\end{jieda}

 

\begin{liti}(北京市海淀区2021届上学期高三年级期末练习)
A是由n×n (n2)个实数组成的nn列的数表,满足:每个数的绝对值是1,且所有数的和是非负数,则称数表A是“n阶非负数表”.

(I)判断如下数表A1,A2是否是“4阶非负数表”;


\begin{minipage}{\textwidth}  \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}   \centering        \begin{tabular}{|c|c|c|c|}\hline 1 & 1 &$-1$ &$-1$\\ \hline 1 & 1 &$-1$ &$-1$\\ \hline 1 & $-1$ &1 &$-1$\\ \hline 1 & 1 &$-1$ &$-1$\\ \hline \end{tabular} \makeatletter\def\@captype{table}\makeatother\caption{数表$A_1$}   \end{minipage}
\begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}    \centering          \begin{tabular}{|c|c|c|c|}\hline $-1$ & $-1$ &$-1$ &$-1$\\ \hline 1 & 1 &1 &$-1$\\ \hline 1 & $-1$ &1 &$-1$\\ \hline 1 & 1 &$-1$ &$-1$\\ \hline \end{tabular} \makeatletter\def\@captype{table}\makeatother\caption{数表$A_2$}    \end{minipage}
\end{minipage}


(II)对于任意“5阶非负数表”A,记R(s)A的第s行各数之和(1s5),证明:存在{i,j,k}{1,2,3,4,5},使得R(i)+R(j)+R(k)3;


(III)当n=2k (kN)时,证明:对于任意“n阶非负数表”A,均存在kk列,使得这kk列交叉处的k2个数之和不小于k.
\end{liti}
\begin{jieda}
a(i,j)为数表A中第i行第j列的数, i=1nj=1na(i,j)为数表A中所有数的和, i=1kj=1ka(i,j)为数列A中前kk列交叉处各数之和.


(I) A1是“4阶非负数表”; A2不是“4阶非负数表”.

(II)证明:由题意知a(i,j){1,1},i=1,2,3,4,5,j=1,2,3,4,5,且数表A是“5阶非负数表”,所以R(s) (s=1,2,3,4,5)为奇数,且R(1)+R(2)+R(3)+R(4)+R(5)0.

不妨设R(1)R(2)R(3)R(4)R(5).

\ding{172}当R(3)0时,因为R(3)为奇数,所以R(3)1.
所以R(1)+R(2)+R(3)3R(3)3.


\ding{173}当R(3)<0时,因为R(3)为奇数,所以R(3)1.
所以R(4)+R(5)2R(3)2.

所以R(1)+R(2)+R(3)R(4)R(5)2.
又因为R(1),R(2),R(3)均为奇数,所以R(1)+R(2)+R(3)3.


(III)证明: (1)先证明数表A中存在n1n列(n=2k),其所有数的和大于等于0.

R(i)=j=1na(i,j) (i=1,2,,n),由题意知i=1nR(i)0.

不妨设R(1)R(2)R(n).

由于ni=1n1R(i)(n1)i=1nR(i)=i=1n1R(i)(n1)R(n)0,所以i=1n1R(i)n1ni=1nR(i)0.


(2)由(1)及题意不妨设数表An1n列(n=2k),其所有数的和大于等于0.


下面考虑前2k1行,证明存在2k1k列,其所有数的和大于等于k.


T(j)=i=12k1a(i,j) (j=1,2,,2k),则j=12kT(j)=i=12k1R(i)0.


不妨设T(1)T(2)T(2k).

因为T(j)2k1个奇数的和,所以T(j)为奇数(j=1,2,,2k).

\ding{172}当T(k)0时,因为T(k)为奇数,所以T(k)1,所以j=1kT(j)kT(k)k.


\ding{173}当T(k)<0时,因为T(k)为奇数,所以T(k)1,

所以j=k+12kT(j)kT(k)k,所以j=1kT(j)j=k+12kT(j)k.


(3)在(2)所设数表A下,证明前2k1行前k列中存在kk列,其所有数的和大于等于k.

R(i)=j=1ka(i,j) (i=1,2,,2k1),则i=12k1R(i)=j=1kT(j)k.


不妨设R(1)R(2)R(2k1).

\ding{172}当R(k)1时, i=1kR(i)kR(k)k;

\ding{173}当R(k)0时, R(2k1)R(2k2)R(k)0,所以i=1kR(i)ki=k+12k1R(i)k,所以i=1kj=1ka(i,j)=i=1kR(i)k.

综上所述,对于任何“n阶非负数表”A,均存在kk列,使得这kk列交叉处的所有数之和不小于k.
\end{jieda}

2013-东城区一模

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