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106 政大微積分 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

106學年度 · 106微積分 · 第 2 題

題目

Problem

Suppose f2(x)f^2(x), g2(x)g^2(x), and f(x)g(x)f(x)g(x) are all integrable functions in the interval [0,1][0,1].

(a) (10 pts) Please prove the inequality

(∫01f2(x) dx)(∫01g2(x) dx)≥(∫01f(x)g(x) dx)2.\left(\int_0^1 f^2(x)\,dx\right)\left(\int_0^1 g^2(x)\,dx\right)\ge \left(\int_0^1 f(x)g(x)\,dx\right)^2.

(Hint: (tf(x)+g(x))2≥0(tf(x)+g(x))^2\ge 0 for all x∈[0,1]x\in[0,1] and t∈Rt\in\mathbb{R}.)

(b) (10 pts) Please show that

∫0111+xn dx≥n+1n+2\int_0^1 \frac{1}{1+x^n}\,dx\ge \frac{n+1}{n+2}

for all n>0n>0. (Hint: use (a).)

解答

解法一

思路

展開
  • (a) 對所有實數 tt 非負的二次式,其判別式不能為正,正好導出 Cauchy—Schwarz 不等式。
  • (b) 將 (a) 套在互為平方根倒數的兩個函數上,讓左邊的一個積分正是待證的積分。

答題過程

展開

(a) 對任意 t∈Rt\in\mathbb R,由提示可得

0≤ ∫01(tf(x)+g(x))2 dx= At2+2Bt+C,\begin{align*} 0\le&\,\int_0^1\bigl(tf(x)+g(x)\bigr)^2\,\mathrm{d}x\\[4mm] =&\,At^2+2Bt+C, \end{align*}

其中

A=∫01f2(x) dx,B=∫01f(x)g(x) dx,C=∫01g2(x) dx.A=\int_0^1f^2(x)\,\mathrm{d}x,\qquad B=\int_0^1f(x)g(x)\,\mathrm{d}x,\qquad C=\int_0^1g^2(x)\,\mathrm{d}x.

此二次式對所有 tt 非負,故其判別式不大於零:

4B2−4AC≤0.4B^2-4AC\le0.

因此

(∫01f2 dx)(∫01g2 dx)≥(∫01fg dx)2.\boxed{\left(\int_0^1f^2\,\mathrm{d}x\right)\left(\int_0^1g^2\,\mathrm{d}x\right) \ge\left(\int_0^1fg\,\mathrm{d}x\right)^2}.

(b) 在 (a) 取

f(x)=11+xn,g(x)=1+xn.f(x)=\frac1{\sqrt{1+x^n}},\qquad g(x)=\sqrt{1+x^n}.

則 f(x)g(x)=1f(x)g(x)=1,並且

∫01g2(x) dx=∫01(1+xn) dx=1+1n+1=n+2n+1.\int_0^1g^2(x)\,\mathrm{d}x =\int_0^1(1+x^n)\,\mathrm{d}x =1+\frac1{n+1}=\frac{n+2}{n+1}.

由 (a),

(∫0111+xn dx)n+2n+1≥1,\left(\int_0^1\frac1{1+x^n}\,\mathrm{d}x\right)\frac{n+2}{n+1}\ge1,

故

∫0111+xn dx≥n+1n+2.\boxed{\int_0^1\frac1{1+x^n}\,\mathrm{d}x\ge\frac{n+1}{n+2}}.