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第90题:求满足积分等式的连续函数$f:[0,1]\to\mathbb R$的个数及解法

求解思路:配方法 + 连续函数的积分非负性

这道题不用纠结牛顿-莱布尼茨公式,我们可以通过配方法把积分方程转化为非负函数的积分问题,再结合连续函数的性质来求解,具体步骤如下:

  1. 整理原方程
    原方程为:
    $$\int_01xf(x),dx=\frac13+\frac14\int_01(f(x))^2,dx$$
    先把所有项移到一侧并消去分母(两边乘4),得到:
    $$\int_01(f(x))2dx - 4\int_0^1xf(x)dx + \frac{4}{3} = 0$$

  2. 对被积函数配方
    利用积分的线性性质,把前两个积分合并,然后对括号内的关于$f(x)$的二次式配方:
    $$(f(x))^2 -4xf(x) = (f(x)-2x)^2 - (2x)^2$$
    代入到积分式中,拆分积分项:
    $$\int_01\left[(f(x)-2x)2 -4x^2\right]dx + \frac{4}{3} = 0$$

  3. 计算已知积分并化简
    先计算$\int_014x2dx$:
    $$\int_014x2dx = 4\times\left.\frac{x3}{3}\right|_01 = \frac{4}{3}$$
    代入后化简可得:
    $$\int_01(f(x)-2x)2dx - \frac{4}{3} + \frac{4}{3} = 0$$
    即:
    $$\int_01(f(x)-2x)2dx = 0$$

  4. 利用连续函数的性质得出结论
    因为$f(x)$是连续函数,所以$(f(x)-2x)^2$是连续非负函数。对于连续非负函数,若其在闭区间上的积分等于0,那么该函数在区间上处处为0,即:
    $$f(x)-2x=0 \quad \forall x\in[0,1]$$
    也就是$f(x)=2x$,这是唯一满足条件的连续函数。

所以满足条件的连续函数个数为1,对应选项B。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Alphanerd

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