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这是一个关于二阶导数存在性的证明题。题目给出了函数f(x)在区间[0,1]上的三个重要条件:边界条件f(0)等于0和f(1)等于1,以及积分条件从0到1的f(x)积分等于1。我们需要证明存在某个点ξ,使得二阶导数f''(ξ)等于负6。
证明的关键思路是构造一个辅助的二次多项式p(x)等于ax²加bx加c,使其满足与f(x)相同的边界条件。通过边界条件p(0)等于0得到c等于0,通过p(1)等于1得到a加b等于1,通过积分条件得到a除以3加b除以2等于1。解这个方程组可得a等于负3,b等于4,所以p(x)等于负3x²加4x。这个多项式的二阶导数p''(x)恒等于负6。
现在定义辅助函数g(x)等于f(x)减去p(x),即g(x)等于f(x)加3x²减4x。通过计算可以验证g(x)具有重要性质:g(0)等于0,g(1)等于0,并且从0到1的g(x)积分也等于0。最关键的是,g的二阶导数g''(x)等于f''(x)减去p''(x),即f''(x)加6。这样我们就建立了f的二阶导数与g的二阶导数之间的关系。
现在我们连续三次应用罗尔定理。首先定义G(x)等于从0到x的g(t)积分,由于G(0)和G(1)都等于0,根据罗尔定理存在c₂使得G'(c₂)等于g(c₂)等于0。然后对g(x)在区间[0,c₂]和[c₂,1]分别应用罗尔定理,得到两个点d₁和d₂使得g'在这两点的值都为0。最后对g'(x)在区间[d₁,d₂]应用罗尔定理,存在ξ使得g''(ξ)等于0。
现在我们完成证明的最后步骤。由罗尔定理的应用,我们得到存在ξ属于开区间(0,1)使得g的二阶导数在ξ处等于0。由于g(x)等于f(x)减去p(x),所以g的二阶导数等于f的二阶导数减去p的二阶导数,即f''(ξ)加6等于0。因此f''(ξ)等于负6。这样我们就完成了整个证明,证明了存在ξ属于开区间(0,1)使得f的二阶导数在ξ处等于负6。