考研数学微积分题海拾贝

考研数学微积分题海拾贝

设\(f(x)\)在\( [0,1] \)二阶连续可微,且满足 \( f”(x) \le 0 \) , \( 0 \le f(x) \le 1 \) , \(f(0)=f(1) = 0\)

求证:平面曲线 \( y=f(x) , x \in [0,1] \) 的弧长 \( s \le 3\)

[collapse title=”解答”]

由于\( f(x) \)在\( [0,1] \)连续,从而存在\( x_0 \in [0,1] \)使\(f(x)\)在\(x=x_0\)处取最大值。
(1)如果 \( f(x_0)=0 \),则\(f(x)=0, x\in[0,1]\),所以这段曲线的弧长\(s=1 \le 3 \)得证
(2)如果\( f(x_0)>0 \),有\( f'(x_0) = 0 \), 又因为\( f”(x) \le 0 \),所以有\( f'(x) \ge 0, x \in [0,c] \), \( f'(x) \le 0, x \in [c,1] \)

从而:\[ \begin{align}
s & = \int_0^1 {\sqrt{1+|f'(x)|^2}dx}\\
~ &= \int_0^c {\sqrt{1+|f'(x)|^2}dx} +\int_c^1 {\sqrt{1+|f'(x)|^2}dx} \\
~ & \le \int_0^c { (1+f'(x) )dx} +\int_c^1 {(1-f'(x))dx} \\
~ & = [x+f(x)]^c_0 +[x-f(x)]^1_c \\
~&= 1+2f(c) \le 3\\
\end{align}\]

[/collapse]

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