当前课程知识点:微积分(先修课) > 第四章 微分中值定理和导数的应用 > 4.2 微分中值定理 > 4.2.1 微分中值定理(1)
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
第四章
微分中值定理和导数的应用
第二节
微分中值定理
在这一节中我们主要介绍
微分学的几个中值定理
他们将可导函数
在两点的函数值
与这两点之间某一点的导数值
联系在一起
揭示了了函数的整体性质
与局部性质之间的关系
从几何上讲
微分中值定理
给出的是整体量
也就是曲线的割线
与局部量
也就是曲线的切线
他们之间的关系
本讲将介绍
罗尔定理及其简单应用
下面
我们来介绍一下
罗尔定理的具体内容
定理2
如果函数f(x)满足如下条件
1 在闭区间[a,b]上连续
2 在开区间(a,b)内可导
3 f(a)与f(b)相等
那么在开区间a b内至少存在一点ξ
使得函数在ξ这点的导数是等于0的
下面我们给出
罗尔定理的证明
因为函数在闭区间上是连续的
所以f(x)在闭区间上是一定有
最大值和最小值
如果最大值和最小值相等
这就说明函数就是一个常函数
这个时候
在区间(a,b)内
每一点的导数都等于0
所以这时
罗尔定理就得到了证明
如果函数的最大值是大于最小值的
因为在两个端点的函数值相等
所以最大值M与最小值m中
至少有一个是不会在端点上取到
我们不妨假设
最大值是不在端点上取到
也就是说开区间中
至少有一点ξ使得
f在ξ这点的值是等于最大值的
因为开区间中的最大值
也是函数的极大值
所以根据前面介绍的Fermat定理
我们就知道
f(x)在ξ这点的导数值
就等于0
这样我们就证明了罗尔定理
罗尔定理的内容
从几何上看
是比较明显的
也就是说
如果图中AB是一条
连续的曲线弧
除了端点之外
这条曲线处处具有
不垂直于x轴的切线
如果两个端点在一条水平线上
那么这条曲线在AB弧上至少存在一点
ξ f(ξ)使得
这条曲线在这点的切线
是平行于x轴的
关于罗尔定理
我们经常用
下面的两个推论
推论1
我们假设函数f(x)可导
那么方程f(x)=0的两个
不同实根之间就至少
存在着方程
f'(x)等0的一个实根
推论2
如果函数f(x)满足条件
1 在开区间内可导
2 在区间端点的单侧极限存在
而且相等
那么
在区间(a,b)内至少存在一点ξ
使得f'(ξ)是等于0的
推论二说的是
在一定条件下
罗尔定理的结论
也可以推广到开区间上
下面我们看一下
推论二的证明
我们不妨假设
f(x)在两个端点
它的单侧极限都等于A
我们构造一个辅助函数
F(x)在(a,b)开区间内
它的函数值就等于f(x)
在区间端点
也就是x等于a
和x等于b时
它的函数值
我们就定义成
f(x)在端点的极限值A
这样我们知道
F(x)就满足下面的三个条件
1 F(x)在闭区间上是连续函数
在开区间(a,b)内是可导函数
而且在a b两点的值都等于A
是相等的
我们对F(x)在
[a,b]区间上用罗尔定理
就知道
开区间内一定存在一点ξ
使得F'(ξ)是等于0的
但是当ξ在开区间内取到时
这个时候
F'(ξ)与f'(ξ)是相等的
这样我们就证明了
在给定条件下
开区间内存在一点ξ
使得f(x)在ξ这点的导数值
是等于0的
事实上
推论2中的结论
我们可以推广到
无穷的开区间上
它仍然是成立的
下面我们看几道例题
例一
我们验证下面这个二次多项式函数
在区间[-1,1.5]上是满足
罗尔定理的条件
并且对这个函数
我们求这个区间内
满足罗尔定理的ξ
我们知道
二次多项式函数是初等函数
所以这个二次多项式函数
在闭区间[-1,1.5]上
一定是连续函数
在(-1,1.5)这个开区间内
一定是可导函数
而且
他的导数就等于4x减1
我们可以求得
f(x)在-1和1.5的函数值
都等于0
所以f(x)在[-1,1.5]这个区间上
就满足罗尔定理的三个条件
我们令f'(x)等于0
也就是4x减1等于0
就会得到这个区间上
这个函数
满足罗尔定理条件的点
是1/4
下面我们来看第二道例题
我们假设a的平方
减掉3倍的b小于0
我们证明下面这个三次多项式方程
只有唯一的实根
对于这个问题
我们可以用不同的方法
得到我们要证的结论
在这儿
我们利用罗尔定理的推论1
以及反证法
来证明我们的结果
首先这个三次多项式方程
它实根的存在性是容易证明的
接下来我们只证实根的唯一性
我们将这个三次多项式函数
记成f(x)
如果f(x)等于0有两个不同的实根
那么根据罗尔定理的第一个推论
我们就知道
它的导函数f'(x)
也就是3倍的x的平方
加上两倍的a乘上x
再加上b
让他等于0
这个二次方程就至少
有一个实根
而这个二次方程的判别式
△就等于4倍的括号里面
a的平方减掉3倍的b
在给定的条件下
他是小于0的
这与他有一个不同实根
是矛盾的
这个矛盾就说明
我们的假设是有问题的
这样我们就证明了
原来这个三次多项式方程的实根
只有一个
下面我们来看第三道例题
我们假设a0加上1/2倍的a1
加1/3倍的a2一直加到
1/n+1倍的an是等于0的
在这个问题中
我们要证的是一个多项式方程
至少有一个实根
如果我们能把这个多项式
看成是某一个函数的导数
也就是要证明
这个函数
至少有一点
他的导数是等于0的
这样
我们的证明
主要就是要找
哪一个函数的导数
是等于我们这个多项式的
我们令f(x)就等于
a0x加上1/2倍的a1乘上x的平方
一直加到1/n+1乘上an
再乘上x的n+1次方
我们知道
这个f他的导数
就是我们多项式方程中的
多项式函数
这也是一个新的多项式函数
他自然是可导的
而且在给定条件下
我们知道
他在1这点的值是等于0的
而且他在0这点的值
也是等于0的
这说明函数f(x)
在[0,1]区间上
是满足罗尔定理的
三个条件的
根据罗尔定理
我们就能找到(0,1)中的一个点ξ
使得f'(ξ)是等于0的
也就是找到一个ξ
是满足我们题干中的多项式方程的
这样就证明了
这个多项式方程
至少是存在一个实根的
下面我们来看第四道例题
我们假设函数f(x)在
闭区间[a,b]上连续
在开区间(a,b)内可导
而且在两个端点
的函数值都等于0
我们证明对任意的实数α
在(a,b)开区间内都存在一点ξ
使得f'(ξ)加上α倍的f(ξ)
是等于0的
关于这道题目
我们利用指数函数的导数的性质
对要证的结论
进行变形
也就是说我们要证的等式
就等价于
f'(ξ)加上α倍的f(ξ)括起来
乘上e的αξ次方等于0
而在这个等式中
这个左端正好是f(x)乘上
e的αx次方这个函数的导数
在ξ这点的值
也就是说
我们要证的结论
是等价于
f(x)乘上e的αx次方
在ξ这点的值等于0
所以我们的证明
可如下写出
我们就令F(x)等于
f(x)乘上e的αx次方
我们知道F(x)在[a,b]闭区间上
是连续函数
在(a,b)开区间内是可导函数
而且F(a)和F(b)是都等于0的
我们对函数F(x)运用罗尔定理
我们知道在(a,b)开区间内
肯定存在一点ξ使得
F'(ξ)是等于0的
也就是存在一点ξ使得
下面这个等式成立
因为e的αξ次方是不等于0的
这就等价于
f'(ξ)加上α倍的
f(ξ)是等于0的
这就是我们要证的结论
下面我们来看
第五道例题
已知函数f(x)
在[a,b]闭区间上具有二阶导数
而且在两个端点的函数值都等于0
在两个端点的一阶导数值同号
我们要证明函数
它的二阶导数
在某一点是等于0的
如果我们能够证明它的一阶导数
有两个点它的值相等
就可以了
接下来
我们来看一下
f(x)在两个端点的一阶导数同号
这个条件
怎么使用
我们不妨假设
f(x)在a b两点的一阶导数
都是大于0的
由f'(a)大于0
我们知道
就会存在开区间中的点x1
使得f(x1)是大于f(a)的
也就是f(x1)是大于0的
由f'(b)大于0
我们知道
在开区间内就存在一点x2
使得f(x2)是小于f(b)的
也就是f(x2)是小于0的
这样我们就得到了
连续函数在x1和x2这两点的值
是异号的
根据连续函数的零点存在定理
我们知道
一定存在开区间(a,b)内的一个点
我们记作c
f(c)是等于0的
我们对f(x)
在[a,c]和[c,b]
两个区间上
分别用罗尔定理
就会找到c1和c2两个点
这两个点
一阶导数值都是等于0的
我们再对一阶导函数f'(x)
在[c1,c2]这个区间上
用罗尔定理
就会找到一点ξ
是介于c1 c2之间
也就是属于开区间(a,b)
使得它的一阶导数的导数
在这一点是等于0的
也就是f的两阶导数
在ξ这点的值是等于0的
这就是我们这个题目
要证的结果
在这一讲中
我们介绍了
罗尔定理及其两个推论
罗尔定理及其推论
主要解决了
导函数的零点存在性问题
有着广泛的应用
通过对例题的推敲
同学们要逐步掌握
利用罗尔定理及其推论
处理具体问题的方法
下一讲将介绍
微分中值定理中的
另外两个定理
也就是拉格朗日中值定理
和柯西中值定理
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