当前课程知识点:微积分(先修课) > 第二章 连续函数 > 2.3 连续函数的性质 > 2.3.1 局部性质和零点存在定理
同学们大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍
第二章
连续函数
第三节
连续函数的性质
我们知道
函数在一点连续
反映的是这一点的函数值
与这点附近
其它函数值之间的关系
所以
在一点连续
也能得到
这点附近的
某些结果
在这一讲中我们介绍的
局部保号性
和局部有界性
就是这类结果
而在这一讲中
我们介绍的零点存在定理
和介值定理
则是关于
区间上
连续函数的一个性质
一 连续函数的局部保号性
我们直接
给出一个结论
定理六
如果
函数f(x)在x0处连续
而且
它在这点的函数值f(x0)大于0
那么
存在一个正数δ
使得
当x到x0的距离
不超过δ时
它的函数值
f(x)都是大于0的
同样的
如果函数
f(x)在x0处连续
而且
它在这点的函数值f(x0)小于0
那么我们就存在一个正数δ
使得
只要x到x0的距离不超过δ
那么
它对应的函数值
f(x)就小于0
这个定理
说明
连续函数在一点
函数值的正负号
可以确定
它在这点附近
其他点的
函数值的正负号
这是
连续函数的一个
局部性质
这个性质
只能保证
在连续点附近
是正确的
局部保号性
不能推广到
函数的整个定义域上
关于连续函数
在一点
它的局部保号性
我们利用前面介绍的
函数极限的保号性质
和函数在一点连续的定义
可以直接得到
下面我们看一下
连续函数的局部有界性
我们也直接给出一个结论
这就是定理7
如果
函数f(x)
在x0这一点是连续的
那么
它在这一点附近
就是有界的
也就是说
我们存在一个正数δ
和存在一个正数m
使得
只要x
到x0的距离不超过δ
那么它对应的
函数值的绝对值
就小于等于m
与连续函数在一点的局部保号性类似
连续函数的局部有界性
也是利用
函数极限的局部保号性
和
函数在一点连续的定义
直接可以得到
我们在前面曾经说过
函数
有时候
也可以说在某个区间上连续
如果函数
在某个区间上连续时
我们能不能
把有界性
推广到整个区间上
事实上
我们知道
f(x)等于x分之一这个函数
在开区间0到1上是连续的
但我们也知道
这个函数
在0到1这个开区间上
是一个无界函数
这说明
当连续函数
是在开区间上连续时
那么
有界性
是不能直接推广到整个区间上使
如果
连续区间
是闭区间时
我们又能得到什么结果呢
这是我们后面要介绍的
闭区间上
连续函数的一个性质
下面我们来介绍
连续函数的另外一个性质
这就是连续函数的零点存在定理
定理8
如果函数
f(x)在区间ab上连续
而且
它在a和b这两点的函数值异号
那么在ab区间至少存在一个点
ξ
使得
它在ξ这一点的函数值
是等于0的
从几何上讲
零点存在定理指的就是
当连续曲线
既存在位于x轴上方的点
又存在位于x轴下方的点时
那么在这两点之间
这条曲线
至少要与x轴
相交一次
我们来看一下
零点存在定理的一个简单证明
我们整个想法
就是用所谓的二分法的想法
就是我们不断的把
这个区间
进行等分
在等分的过程中
要保持
区间的两个端点的函数值
是异号的
这样
我们逐步的
就能够把
函数值等于0的点
给找出来
我们用
分析的语言写出来就是
我将[a,b]区间记成第一个区间
端点分别用a1
b1来表示
而且我们不妨假设
左端点
函数值小于0
右端点
函数值大于0
我们取
这个区间的中点是c1
如果c1点的函数值等0
那么定理就证完了
我们不妨假设
c1点函数值是不等于0
如果
c1点的函数值大于0
我们就把第二个区间取成
第一个区间的左半部分
也就是[a2,b2]就是[a1,c1]
否则
我们就把区间
取成第一个区间的右半部分
也就是[a2,b2]就等于[c1,b1]
同样的
我们再取
第二个区间的中点c2
如果
c2这点的函数值大于0
那么我们就取
[a3,b3]等于[a2,c2]
否则
我们就取
[a3,b3]等于[c2,b2]
这样我们依次下去
就会得到两个数列
一个数列是an
一个数列是bn
一方面我们知道
an这个数列
是单调递增的
而且它应该有上界
bn这个数列
是单调递减的
它应该有下界
同时
an点的函数值
永远是小于0的
bn这点的函数值
永远是大于0的
根据
我们前面介绍的
单调有界收敛定理
我们知道
an它应该就有极限
同时
bn也有极限
如果我们记
an的极限是ξ
bn的极限是η
因为
an是小于bn的
所以根据极限的保号性质
我们就知道
ξ
是小于等于η的
另外
因为ξ是一个单调递增数列的极限
所以说
这个极限值应该是大于等于an的
同样的
η是一个单调下降的
数列的极限值
所以
它是小于等于bn的
因为bn减an是
第n个区间的长度
我们知道
区间长度
在区间个数趋向无穷时
它是等于0的
这样我们就得到
ξ和η是相等的
也就是
an和bn的极限
都等于ξ
而ξ又属于闭区间[a,b]
因为函数
f(x)它在
[a,b]上是连续的
所以
它在ξ这一点也是连续的
那么
f(ξ)
就等于n趋向于无穷时
f(an)的极限
根据极限的保号性质
它应该是小于等于0的
同时
f(ξ)
也等于
f(bn)的极限
同样根据保号性质
它又应该是大于等于0的
这样
我们就证明了
函数在ξ这点的值
必须等0
所以说
在给定条件下
我们就得到了
它一定存在某一个点ξ
使得
函数在这一点函数值
等0
这样就证明了
零点存在定理
有了零点存在定理之后
我们就可以得到
一个更一般的结论
也就是所谓的
介值定理
定理9
如果
函数
f(x)在区间I上是连续函数
而且存在
区间中的两个点x1和x2
使得f(x1)小于f(x2)
那么
对于任意的
位于
f(x1)和f(x2)之间的一个数μ
我们至少存在一个
介于x1和x2之间的点ξ
使得f(ξ)是等于μ的
连续函数的介值定理
就是说
对连续函数来说
如果存在两点的函数值不等
那么在这两个函数值之间
任何一个实数
都应该是
这两点之间
某一点的函数值
有了零点存在定理之后
介值定理
我们就可以借用
零点存在定理
做个证明
根据
我们要证的结果
f(ξ)等于μ
可以转化成
f(ξ)减μ等于0
也就进一步转化成
f(x)减掉
μ这个函数
是存在零点的
所以
我们令
大f(x)
就等于小f(x)减μ
那么大f(x)
在区间i上就是个连续函数
而且在给定条件下
大f(x1)
就应该是小于0的
大f(x2)
是大于0的
这样
我们根据前面的零点存在定理
就知道
至少存在
x1和x2之间的一个点ξ
使得
大f(ξ)是等于0的
也就是
小f(ξ)是等于μ的
这就是
介值定理的证明
下面
我们来看几道例题
例1
我们证明下
不动点定理
也就是
如果函数f(x)在区间ab上连续
而且
f(a)大于a
f(b)小于b
那么
至少存在ab之间的一点ξ
使得f(ξ)等于ξ
我们来看这个题目要证的结果
做一个简单变形
也就是要证
存在一个ξ
使得f(ξ)减掉ξ等于0
也就是说
是否存在一个点
使得函数
f(x)
减x是等于0的
所以我们的证明
我就令
大f(x)
等于小f(x)减x
那么
大f(x)在区间ab上
就是一个连续函数
而且
在给定条件下
大f(a)是大于0的
大f(b)小于0
那么
根据连续函数的零点存在定理
我们就知道
至少存在
ab之间的一个点ξ
使得
大f(ξ)是等于0的
也就是小f(ξ)等于ξ
所谓的不动点
指的就是满足
f(ξ)等于ξ
这样的点
我们看
第二道例题
我们假设函数
f(x)在区间i上
是连续函数
而且
X1 X2 一直到xn
是区间中的n个点
我们证明
至少存在一点ξ
在区间内部
使得
f(ξ)是等于
f(x1)
f(x2)
一直到f(xn)的平均值
我们将
这n个函数的平均值记作μ
如果
这n个点的函数值都相等
那么
μ就等于任何一点的函数值
这个时候
我们只要
把其中任何一个点
取做ξ
就证明了这个题目的结果
特别的
我们可以把ξ取做x1
另外一种情况
如果
这n个点的函数值中
至少有两个
不相等
我们不妨假设
f(x1)
是小于等于f(x2)
一直小于等于f(xn)
这个时候
这n个函数值的平均值μ
一定是
大于它的最小值
小于它的最大值
也就是说
μ
介于连续函数的
两个点的
函数值之间
那么根据
连续函数的介值定理
我们知道
这个区间中
至少存在一点ξ
使得
f(ξ)是等于μ的
也就是
f(ξ)
等于
这n个点函数值的
平均值
这样我们就证明了
我们这道题要证的结果
下面
我们看第三道例题
我们假设函数f(x)
是一个首项系数为1的
三次多项式函数
我们证明
存在一点ξ
使得f(ξ)等于0
这是一个三次多项式函数
对这个函数
我们对它的图像
应该是比较清楚的
从几何上看
首项为1的
三次多项式函数的图像
在x趋向正无穷时
它应该是个正无穷大量
而在x趋向负无穷时
它应该是个负无穷大量
为了更好的说明这点
我们可以写成下面的样子
我们考虑
f(x)
除上x的三次方
在x趋向无穷时的极限
那么根据极限的四则运算法则
我们知道
这个比值的极限
是等于1
1是大于0的
那么根据极限的保号性质
我们知道
只要x绝对值充分大
那么f(x)
与x三次方的比值
就是大于0的
也就是说
这个时候
f(x)与x的三次方
是同号的
所以
当x充分大时
我们知道
它对应的函数值f(x)大于0
而当x充分小时
它对应的函数值
应该是小于0的
这样
我们就一定能找到两个点
ɑ和β
一方面ɑ小于β
同时
ɑ它对应的函数值小于0
β对应的函数值大于0
又因为
这个三次多项式函数
它在整个数轴上
是连续函数
所以根据连续函数的零点存在定理
我们就知道
至少存在一点ξ
使得f(ξ)等于0
这就证明了
我们这道题目要证的结果
也就是对
三次多项式函数来说
它至少
要有一个零点
或者说
它的图像
至少
要与x轴相交一次
我们看
第四道例题
假设f(x)是一个
以2π为周期的连续函数
我们证明
对于任意的实数a
在a和a加π之间
至少存在一个ξ
使得f在ξ加π这点的值
与ξ这点的函数值
是相等的
与前面我们证明
不动点定理类似
我们把这个结果
做一个简单的变形
我们知道
也就是要证明
f在ξ加π这点的值
减掉ξ这点的值
等于0
所以
我们可以令
大f(x)
就等于小f(x)加π
再减掉小f(x)
那么大f(x)就是一个连续函数
而且它在a这点的函数值
和在a加π这点的函数值
我们利用
小f(x)它的周期性
因为它是以2π为周期的函数
所以
这两点的函数值
要么都等0
要么是异号的
也就是
大f在这两点的值的乘积
是小于等于0的
当等号成立时
我们取
ξ等于a
当等号不成立时
由连续函数的零点存在定理
我们知道
在a和a加π之间
至少存在一个点ξ
使得大f(ξ)
是等于0的
也就是
小f(x)在ξ加π
和ξ这一点
它的值是相等的
下面我们看第五道例题
我们假设f(x)
是负无穷到正无穷上的
一个连续函数
而且存在一个实数a
使得f在f(a)这点的值
等于a
我们证明
存在一个实数ξ
使得
f(ξ)是等于ξ的
也就是说
如果函数
满足这个题目中
给出的条件
这个函数
也存在一个点
是所谓的不动点
我们看一下
这个证明
我们令
大f(x)
就等于小f(x)减x
那么
大f(x)就是一个连续函数
而且
它在a这点的值
就等于小f(a)减掉a
另外一个点
我们看小f(a)
大f在小f(a)这点的值
就等于
小f在小f(a)这点的值
减掉f(a)
根据条件
也就等于a减掉f(a)
这样我们就知道
大f(x)这个函数
在a和f(a)这两点的值
要么都等0
要么是异号的
也就是
这两点的函数值的乘积
是小于等于0的
如果等号成立
我们就将ξ取做a
如果等号不成立
那么由
连续函数的零点存在定理
我们就知道
存在一个介于a
和f(a)之间的点ξ
使得大f(ξ)等于0
也就是
小f(ξ)等于ξ
下面
我们看最后一道例题
这是平面几何中
大家熟悉的一个结果
也就是
对任何一块有界的平面区域
我们总可以通过
平行移动一条直线
把这块区域
分作面积相等的两部分
我们现在
证明它一个特殊情况
也就是证明
在平面上
沿任一方向
作平行直线
则其中
必存在一条直线
将给定的三角形
分成面积相等的两部分
为了
利用我们连续函数的性质
我们现在
建立一个直角坐标系
这是y轴方向
就是给定的
直线方向
我们将
这个三角形
放到第一象限
那么
这个三角形
就可以
放到一个
高度为l的
长方形里面
我们假设
这个三角形的面积
就是s
我们用a(x)表示
直线将三角形分成两部分后
左边部分的面积
那么我们知道
a(x)在x1这点的值
减掉在x2这点的值
它的差的绝对值
就小于l
乘上x1减x2的绝对值
这个不等式
从图形上
可以直接看出
因为它是两块儿
面积大小的关系
这样我们就得到了
函数a(x)是一个连续函数
又因为
在x等于a时
x等a这条直线左侧
三角形的面积
是等于0的
而x等b时
在x等b这条直线的左侧
是包含着
整个三角形面积的
也就是a
在a这点的值等于0
a在b这点的值等于s
那么根据连续函数的介值定理
我们知道
在a b之间
一定存在一个点x0
使得
a(x)在x0这点的值
是二分之s
这样我们也就证明了
存在一条直线
将给定的三角形
分成了面积相等的两部分
在这一讲中
我们介绍了连续函数
在连续点附近的局部性质
也就是
局部保号性
和局部有界性
我们还介绍了
连续函数的零点存在定理
和介值定理
零点存在定理
和介值定理
是证明
有关问题的理论依据
和重要工具
通过学习
我们要了解
利用它
处理问题的特点
和掌握它们的常用方法
在下一讲中
我们将介绍
闭区间上
连续函数的性质
谢谢同学们
下一讲
再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试