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就一抽象導(dǎo)數(shù)不等式構(gòu)造通法證明

2022-07-06 11:42 作者:現(xiàn)代微積分  | 我要投稿


結(jié)論

(ps:得知此結(jié)論的來源:BV1UA4y1f7TZ)


這個結(jié)論要證明是很容易的

%5Cint%20p(x)dx%3DP(x)%2BC

g(x)%3Df(x)%5Ccdot%20e%5E%7BP(x)%2BC%7D

g'(x)%3Df'(x)%5Ccdot%20e%5E%7BP(x)%2BC%7D%2Bf(x)%5Ccdot%20e%5E%7BP(x)%2BC%7D%5Ccdot%20p(x)

%3De%5E%7BP(x)%2BC%7D%5Bf'(x)%2Bf(x)p(x)%5D

e%5E%7BP(x)%2BC%7D%3E0

∴決定導(dǎo)數(shù)正負(fù)(即決定g(x)增減)的是f'(x)%2Bf(x)p(x)

跟已知的式子相同,證畢


不過與證明結(jié)論相比,我更好奇結(jié)論的出處和來源,于是有了如下的“研究”。

已知f'(x)%2Bf(x)p(x)%3E0

左邊有f'(x),右邊有f(x),考慮構(gòu)造出導(dǎo)數(shù)乘法法則(uv)'%3Du'v%2Buv'的右邊形式

兩邊同乘一個待定的函數(shù)h(x),且h(x)>0(為了不改變不等號方向),得:

f'(x)h(x)%2Bf(x)p(x)h(x)%3E0

p(x)h(x)%3Dh'(x)

,則原式%3D%5Bf(x)h(x)%5D'%3E0

∴函數(shù)y%3Df(x)h(x)遞增

下面解出待定函數(shù)h(x)即可

p(x)h(x)%3Dh'(x)

求解這個微分方程

p(x)h(x)%3D%5Cfrac%7Bd%5Bh(x)%5D%7D%7Bdx%7D%20

分離變量得:p(x)dx%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bh(x)%7Dd%5Bh(x)%5D%20

兩邊積分得:%5Cint%20p(x)dx%3Dln%5Cleft%20%7C%20h(x)%20%5Cright%20%7C

(ps:不定常數(shù)算到左邊的積分項)

h(x)%3D%5Cpm%20e%5E%7B%5Cint%20p(x)dx%7D

又∵h(yuǎn)(x)>0

h(x)%3De%5E%7B%5Cint%20p(x)dx%7D

即需構(gòu)造的函數(shù)為

y%3Df(x)h(x)%3Df(x)%5Ccdot%20e%5E%7B%5Cint%20p(x)dx%7D


f'(x)%2Bf(x)p(x)%3C0也同理,把不等號改成<即可


知道了這個公式以及來龍去脈,就可以輕松證明那些“抽象導(dǎo)數(shù)構(gòu)造表”中的所有構(gòu)造結(jié)論了,比如:

例(1):f'(x)-3f(x)%3E0

p(x)%3D-3%2C%5Cint%20-3dx%3D-3x%2BC

構(gòu)造g(x)%3Df(x)%5Ccdot%20e%5E%7B-3x%7D

(ps:至于處理不定常數(shù),由于e%5EC是一個正的系數(shù),不影響p(x)單調(diào)性,所以取p(x)的一個原函數(shù)即可)


例(2):xf'(x)%2B2f(x)%3E0(x%3E0)

兩邊同除x得,f'(x)%2B%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%7D%20f(x)%20%3E0

(需要化成f'(x)+f(x)p(x)的形式)

p(x)%3D%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%7D%20%2C%5Cint%20%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%7Ddx%3D2ln%5Cleft%20%7C%20x%20%5Cright%20%7C%20%2BC

構(gòu)造g(x)%3Df(x)%5Ccdot%20e%5E%7B2ln%5Cleft%20%7C%20x%20%5Cright%20%7C%20%7D%3Df(x)%5Ccdot%20x%5E2


但你會發(fā)現(xiàn),上面這兩個例子都屬于比較簡單的了,或者說出題人已經(jīng)出膩了,這類題總會整出各種各樣的式子,下面加大些難度:

例(3):xf'(x)-3f(x)%3E4x(x%3E0)

參考上文的公式推導(dǎo)得:

g'(x)%3De%5E%7BP(x)%2BC%7D%5Bf'(x)%2Bf(x)p(x)%5D

(ps:實際操作中無需直接記憶這個公式,而是用上面推導(dǎo)過程中的構(gòu)造思路具體問題具體分析,換句話說就是用題干中具體數(shù)據(jù)進(jìn)行一遍上面的推導(dǎo))

因此我們把左邊化成f'(x)+f(x)p(x)的形式,再兩邊同乘e%5E%7BP(x)%2BC%7D即可

f'(x)-%5Cfrac%7B3%7D%7Bx%7D%20f(x)%3E4(x%3E0)

%5Cint%20-%5Cfrac%7B3%7D%7Bx%7D%20dx%3D-3ln%5Cleft%20%7C%20x%20%5Cright%20%7C%20%2BC

(x>0,可去絕對值)

兩邊同乘e%5E%7B-3lnx%7D%3Dx%5E%7B-3%7D得:

(f(x)%5Ccdot%20x%5E%7B-3%7D)'%3E4x%5E%7B-3%7D

(f(x)%5Ccdot%20x%5E%7B-3%7D)'-4x%5E%7B-3%7D%3E0

y%3D%5Cfrac%7Bf(x)%7D%7Bx%5E3%7D%20%2B%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%5E2%7D%20在(0,+∞)遞增

如果硬要整一個“構(gòu)造公式”,那就是:

xf'(x)%2Bnf(x)%3Eax

y%3Dx%5Enf(x)-%5Cfrac%7Bax%5E%7Bn%2B1%7D%7D%7Bn%2B1%7D%20遞增;

xf'(x)-nf(x)%3Eax,

y%3D%5Cfrac%7Bf(x)%7D%7Bx%5En%7D%20-%5Cfrac%7Bax%7D%7B(1-n)x%5En%7D%20遞增.

但我們已經(jīng)掌握了核心科技(通法),就大可不必記憶這些復(fù)雜的構(gòu)造公式了。


下面是實踐部分,我們拿非常有難度的一道題來應(yīng)用這一“核心科技”。

展開移項得:(x%2B4)f(x)%2B(x%5E2%2B2x)f'(x)%3C0

x>1,則x%5E2%2B2x%3E0

兩邊同除x%5E2%2B2x得:

%5Cfrac%7Bx%2B4%7D%7Bx%5E2%2B2x%7D%20f(x)%2Bf'(x)%3C0

p(x)%3D%5Cfrac%7Bx%2B4%7D%7Bx%5E2%2B2x%7D

求解%5Cint%20%5Cfrac%7Bx%2B4%7D%7Bx%5E2%2B2x%7Ddx

裂項得:%3D%20%5Cint%20%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%7D%20-%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%2B2%7Ddx%3D%3D2ln%5Cleft%20%7C%20x%20%5Cright%20%7C%20-ln%5Cleft%20%7C%20x%2B2%20%5Cright%20%7C%20%2BC

x>1,去絕對值

構(gòu)造g(x)%3Df(x)%5Ccdot%20e%5E%7B2lnx-ln(x%2B2)%7D%3Df(x)%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bx%5E2%7D%7Bx%2B2%7D%20

其在(1,+∞)遞減

g(5)%3Df(5)%5Ccdot%20%5Cfrac%7B5%5E2%7D%7B5%2B2%7D%20%3D2

f(x)%3D%5Cfrac%7Bx%2B2%7D%7Bx%5E2%7D%20g(x)

f(x%2B3)%3D%5Cfrac%7Bx%2B5%7D%7B%7B(x%2B3)%7D%5E2%7D%20g(x%2B3)

代入已知條件得:

(x%2B3)%5E2%5Ccdot%20%5Cfrac%7Bx%2B5%7D%7B(x%2B3)%5E2%7D%20g(x%2B3)%3E2x%2B10

即g(x+3)>2

∵g(x)在(1,+∞)遞減,過點(diǎn)(5,2)

∴向左平移3個單位得:

g(x+3)在(-2,+∞)遞減,過點(diǎn)(2,2)

∴當(dāng)-2<x<2時,g(x+3)>2

故原不等式解集為(-2,2),選D

又到了個人主題升華的片段了[doge]

此類“抽象導(dǎo)數(shù)不等式”的題型變化多端,生搬硬套已經(jīng)開始行不通了。出題人只會越來越“卷”,把題目整得愈加復(fù)雜。而對付此類題只有掌握了上述的“核心科技”,才能以不變應(yīng)萬變。

另外,個人認(rèn)為此類題型是為以后學(xué)習(xí)微分方程中的“湊積分因子”的方法做銜接做鋪墊的,因此適當(dāng)了解些課外知識拓寬下視野也不見得是什么壞事。

最后,我認(rèn)為此篇文章能給讀者們帶來領(lǐng)悟的是此公式的構(gòu)造過程,這是一個鍛煉思維,增強(qiáng)思考能力的一個絕佳的機(jī)會。有句話很佳,大概是這么說的:數(shù)學(xué)家們的使命就是從繁雜的事實中歸納出優(yōu)雅的共性。而這也是科學(xué)的魅力所在!

雖然我們都在走著先人開下的路,我們或許也無法做到像先人一樣開路。但我們?nèi)钥梢苑抡障热碎_路,比如:憑一己之力推出一個二級結(jié)論。只有勤加思考,懂得領(lǐng)悟,才是學(xué)習(xí)的真諦。

就一抽象導(dǎo)數(shù)不等式構(gòu)造通法證明的評論 (共 條)

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