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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
在这一讲中我们将介绍
拉格朗日中值定理
和柯西中值定理
他们是罗尔定理的推广
拉格朗日中值定理
给出的是可导函数
在两点值的差
与某点导数值的关系
柯西中值定理
给出的是
两个可导函数
在两点值差的商
与他们在某点导数值的商
他们之间的关系
下面我们来看
拉格朗日中值定理的内容
定理3
如果函数f(x)满足条件
1 在闭区间[a,b]上连续
2 在开区间(a,b)内可导
那么在开区间(a,b)内
至少存在一点ξ
使得f'(ξ)是等于
f(b)减f(a)再除上b减a
或者是写作
f(b)减f(a)就等于f'(ξ)
乘上b减a
与罗尔定理相比
我们知道
罗尔定理实际上就是
拉格朗日中值定理
当f(a)等于f(b)时的特殊情况
所以拉格朗日中值定理的结论
应该是罗尔定理他的一个直接推广
在这个图中我们知道
割线AB的斜率
就是f(b)减f(a)
除上b减a
而曲线在C点切线的斜率
就是f'(ξ)
所以
拉格朗日中值定理的几何意义是
如果连续曲线除端点外
处处具有不垂直于x轴的切线
那么在曲线上
至少存在一点C
使得曲线在这点的切线
是平行于割线AB的
下面我们介绍
拉格朗日中值定理的证明
我们证明的思路
就是要构造一个辅助函数
利用我们前面已经介绍过的
罗尔定理的结论
来证得拉格朗日中值定理
我们构造辅助函数的思路
就是要做一条平行于割线AB的直线
我们将曲线上的纵坐标与
这条直线上的纵坐标之差
作为新的函数
那么这个函数
它既满足闭区间连续
开区间可导
同时
从几何上大家可以看出
他在AB两点的函数值应该是相等的
下面我们写出具体的证明过程
我们构造辅助函数
F(x)就等于f(x)减掉直线AB上点
的纵坐标
那么F(x)他的导数
就等于f(x)的导数减掉
f(b)减f(a)除上b减a
因为F(x)他是满足条件
闭区间内连续
开区间内可导
而且
在a,b两点的函数值都等于0
我们对F(x)在[a,b]区间上
运用罗尔定理
就知道开区间内至少存在一点ξ
使得F'(ξ)等于0
也就是f'(ξ)等于
f(b)减f(a)除上b减a
或者是写作
f(b)减f(a)等于f'(ξ)
再乘上b减a
拉格朗日中值定理
就给出了一种新的函数值
与导数值之间的关系
这也就是我们利用
导数来研究函数的
一个重要根据
下面我们来介绍一下
拉格朗日中值定理得到的
几个常用的结果
推论1
如果函数f(x)
在区间(a,b)内
任意一点的导数都等于0
那么函数f(x)在区间(a,b)内
就是一个常数
这个推论的证明
利用拉格朗日中值定理
可以直接得到
我们假设x1 x2
是区间内的任意两点
不妨假设x1小于x2
那么函数f(x)在区间[x1,x2]上
满足拉格朗日中值定理的条件
所以在这个开区间内
至少存在一点ξ
使得
f(x2)减掉f(x1)是等于f'(ξ)
乘上x2减x1
因为导数是等于0的
这样我们就证明了
x1 x2这两点的函数值是相等的
因为x1 x2是
区间(a,b)内的任意两个点
这样我们就证明了
f(x)在区间(a,b)内
是一个常数
在介绍导数概念时
我们知道
常函数在任意一点的导数
是等于0的
有了推论1之后我们就证明了
函数f(x)在区间内是一个常数的
充分必要条件是
他在这个区间内
导数是等于0的
下面我们来看第二个推论
推论2
如果f(x)与g(x)
在(a,b)区间内
每一点的导数都相等
那么这两个函数在区间(a,b)内
至多相差一个常数
事实上
推论2的结果可以由推论1
直接推出
下面我们来看第三个推论
如果函数f(x)在x0
及其右侧附近是连续的
而且在x0的右侧是可导的
如果f'(x)在x0这点的
右极限存在
而且等于A
那么我们就能证明
函数在x0这点右导数是存在的
而且他的右导数值就等于A
推论3的结论
我们可以利用右导数的定义
以及拉格朗日中值定理的结果
给出证明
函数在x0这点的右导数
也就是他在这点函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在x0这点的右极限
我们利用拉格朗日中值定理的结果
就会得到这个比值的极限
也就等于f'(x)在x大于x0
趋向x0时的极限
所以这个极限值就等于A
这就是推论3的结果
关于导函数
在一点的极限
与函数在这点的导数之间
他们的关系是什么
我们看下面两个具体的函数
第一个函数
x不等于0时
函数值就是
x的三次方乘上sin(1/x)
x等于0时
函数值定义为1
这个函数在x不等于0时
它的导函数是
3倍的x的平方
乘上sin(1/x)
再减掉x乘上cos(1/x)
导函数在x趋向0时的极限
是等于0的
这个函数在x等于0这点
是间断的
所以这个函数在
0这点的导数值是不存在的
也就是说导函数在一点有极限时
与函数在这点处的导数存在不存在
他们之间
没有必然的联系
我们再看第二个函数
这个函数在x不等于0时
函数值是等于x的平方乘上sin(1/x)
x等于0时
函数值定义为0
在x不等于0时
f'(x)就等于2倍的
x乘上sin(1/x)
再减掉cos(1/x)
在x趋向于0时
导函数中第一项极限是0
第二项极限不存在
所以导函数在x趋向0时的极限
并不存在
对这个函数来说
我们利用定义就会得到
他在x等于0时的导数是等于0的
通过这两个具体的函数
我们想说明的是
导函数在一点的极限是否存在
与函数在这点是否可导之间
并没有必然的联系
推论3说明的是
在一定的条件下
导函数的极限值
与函数在这点的导数值是相等的
下面我们来介绍一下推论4
如果函数f(x)在闭区间上处处可导
那么他的导函数就不会存在
可去型和跳跃型间断点
也就是说
导函数如果存在间断点时
它的间断点
只能是第二类间断点
这个推论的证明
就利用了我们刚刚得到的
推论3的结果
根据可去型
和跳跃型间断点的定义
我们知道
如果导函数在x0这点的
左极限和右极限都存在时
那么根据推论3的结论
在给定的条件下我们就知道
这个函数在x0这点的右导数
和左导数就分别等于他导函数
在这点的左极限和右极限
因为函数可导
所以左右导数与
他在这点的导数值是相等的
这就说明导函数
在x0这点的左极限
就等于导函数在x0这点的值
同样导函数在这点的右极限
也等于导函数在这点的值
这就说明导函数
在x0这点一定是连续的
所以说
当导函数的左右极限都存在时
它不可能是间断的
这就证明了我们推论4中的结果
接下来
我们来看几道例题
例一
验证函数f(x)等于x三次方
在[-1,0]区间上满足
拉格朗日中值定理的条件
并求定理中ξ的值
我们知道x的三次方
在[-1,0]上是连续的
在(-1,0)开区间内是可导的
而且它的导数就等于3倍的x的平方
所以x的三次方函数在[-1,0]上
是满足拉格朗日中值定理的条件
我们根据拉格朗日中值定理
我们就会得到
f(0)减f(-1)应该等于
3倍的ξ的平方
在这儿
因为f(0)等于0
f(-1)等于-1
所以我们就求得ξ是等于
负的三分之根三
这就是拉格朗日中值定理中
我们要求的ξ
下面我们来看第二道例题
我们证明
arcsinx加上
arccosx是等于π/2的
根据拉格朗日中值定理的第一个推论
我们知道
这个问题也就是等价于证明
反正弦函数和反余弦函数它的和函数
在任意一点的导数应该等于0
而且在某一点的和
应该是等于π/2的
接下来
我们写出具体的证明过程
当x等于正负1时
我们要证的等式是成立的
当x在(-1,1)开区间时
我们将这个和记作f(x)
那么f'(x)他是等于0的
所以f(x)在这个区间上
是等于常数的
又因为f(0)是等于π/2的
这样我们就知道
这个常数C就等于π/2
所以我们就证明了
当x在[-1,1]闭区间中取值时
反正弦和反余弦
它的和是等于π/2的
下面我们来看第三道例题
我们假设f(x)
在闭区间[a,b]上
存在二阶导数
过A B两点的直线与曲线
y等于f(x)相交于点C
其中A B C三点的横坐标
分别是A的横坐标小于
C的横坐标小于B的横坐标
我们证明
在开区间(a,b)内存在一点ξ
使得f''(ξ)是等于0的
下面我们写出这个例题的证明
我们对函数f(x)分别在
区间[a,c]和[c,b]上运用
拉格朗日中值定理
就会找到ξ1与ξ2两个点
使得f'(ξ1)是等于
f(a)减f(c)除上a减c
f'(ξ2)是等于
f(c)减f(b)除上c减b
因为A B C三点是共线的
所以直线AC和BC的斜率
是相等的
也就是这两个比值是相等的
这样我们就得到了
f'(ξ1)是等于f'(ξ2)
我们对导函数在区间[ξ1,ξ2]上
运用罗尔定理
就找到一点ξ
使得导函数的导数在ξ点是等于0的
也就是f''(ξ)是等于0的
这就是我们要证的结论
下面我们来看第四道例题
假设函数f在0到正无穷上可导
而且x趋向正无穷时
导数的极限是A
A大于0
我们证明f(x)在x趋向正无穷时
是个正无穷大量
在这儿
如果我们能够保证f'(ξ)
是大于一个大于0的确定数
那么我们只要令x趋向正无穷
就可以证明我们的结论
为了保证这一点
我们要取x0和x满足一定的条件
这个条件就是由f'(x)
在x趋向正无穷的极限等于A
而且A大于0
来确定的
下面我们写出具体的证明过程
因为导函数在x趋向正无穷的极限是A
而且A是大于0的
根据极限的保序性质
我们知道
一定存在x0大于0使得
x大于等于x0时
f'(x)是大于1/2倍的A
他是大于0的
对于任意的x大于x0
我们利用拉格朗日中值定理
就会得到下面这个等式
其中ξ是大于x0小于x的
也就是说只要x大于x0
我们就能得到
f(x)减掉f(x0)是大于等于
A/2倍的x减x0的
也就是f(x)大于等于
f(x0)加上A/2倍的x减x0
在这个不等式两端
我们令x趋向正无穷
就会得到我们要证明的结果
也就是f(x)在x趋向正无穷时
是一个正无穷大量
接下来我们来介绍一下
柯西中值定理的内容
定理4
如果函数f(x) g(x)满足条件
在闭区间[a,b]上连续
在开区间(a,b)内可导
而且g(x)的导数不等于0
那么在开区间(a,b)内
就存在点ξ 使得
f(b)减f(a)除上
g(b)减g(a)等于
f'(ξ)除上g'(ξ)
这就是柯西中值定理的具体内容
下面我们介绍柯西中值定理的证明
证明的思路与
拉格朗日中值定理的证明思路是一样的
就是构造一个新的辅助函数
对这个辅助函数
我们利用罗尔定理得到
我们要证的结论
我们构造辅助函数F就等于
f(x)减掉f(b)减f(a)
除上g(b)减g(a)
乘上括号里面g(x)减g(a)
那么F的导数
就等于f的导数减掉g(x)的导数
乘上这个比值
而且F是满足条件
闭区间上连续
开区间内可导
而且在a b两点的值都等于
f(x)在a这点的值
我们对F(x)在[a,b]区间上
运用罗尔定理就找到一点ξ
使得F在这一点的导数等于0
也就是f的导数
在ξ这点的值等于g(x)的导数
在ξ这点的值乘上这个比值
这样我们就证明了
我们柯西中值定理中的结论
与罗尔定理和拉格朗日中值定理类似
柯西中值定理它的几何背景
也是说两条直线是平行的
斜率是相等的
在这儿
f(b)减f(a)
除上g(b)减g(a)
是过A B这两点的直线斜率
而f'(ξ)除上g'(ξ)
是这个参数曲线
在参数等于ξ对应的点处
它的切线斜率
所以从几何上看就是
当曲线以参数方程给出
而且除了端点外
处处都有不垂直于x轴的切线时
那么
在曲线上至少有一点C
曲线在C点处的切线
是平行于割线AB的
下面我们来看一道例题
例5
已知函数f(x)
在闭区间[a,b]上可导
证明在开区间(a,b)中
存在两点ξ和η
使得f'(ξ)是等于a加b
除上2倍的η再乘上f'(η)
在这道例题中
我们要在(a,b)中寻找两个点
这就意味着
我们至少要用两次中值定理
而且在这个定理中
大家还会注意到
η这个点
它不仅仅只牵涉到了函数f(x)
应该还牵扯到了另外一个函数
这也就意味着
我们要使用柯西中值定理
为了利用柯西中值定理
我们除了f(x)之外
还要寻找另外一个函数
我们可以将f'(η)除上2倍的η
可以看作是
f'(η)除上x平方的导数
在η这点的值
也就是说
另外一个函数我们可以看作是
x的平方
下面我们写出具体的证明过程
根据柯西中值定理
我们找到(a,b)中的一点η
使得f(b)减f(a)
除上b方减a方
就等于f'(η)除上2倍的η
将这个等式变形
也就是f(b)减f(a)除上b减a
等于b加a除上2倍的η
在乘上f'(η)
而在这个等式的左端
我们对f(x)在[a,b]区间上
运用拉格朗日中值定理
就会得到(a,b)中的一个点ξ
使得这个比值是等于f'(ξ)的
也就是我们在区间(a,b)中
找到了两个点ξ η
这两个点就满足我们要证明的结果
在这一讲中
我们学习了拉格朗日中值定理
和柯西中值定理
得到了拉格朗日中值定理的几个推论
罗尔定理 拉格朗日中值定理
柯西中值定理
在几何上刻画的是同一个现象
即曲线存在
与端点连线平行的切线
所以他们都称为
微分中值定理
利用微分中值定理
可以进一步得到一些
处理函数具体问题的方法
下一讲中介绍的
洛必达法则就是
利用柯西中值定理得到的
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