当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第五章 导数应用 > 第一节 微分中值定理 > Lagrange中值定理
好接下来我们来介绍另外一个中值定理
这就是Lagrange中值定理
lagrange中值定理
就是我们平时说的微分中值定理
也就是说如果我们平时不加说明地说
微分中值定理
指的就是Lagrange中值定理
然后我们先看它的内容是什么
它就是说若函数f(x)满足
第一在闭区间[a,b]是连续的
第二在开区间(a,b)是可导的
则存在ξ属于(a,b)
使得f(b)-f(a)
然后比上b-a
是等于f'(ξ)的
就是在给出这个定理的证明之前
我们先来看一下
这个定理它在几何上反映的现象是什么
实际上也就是在x-y平面上
我们有一条连续曲线
除了端点之外
在其它任何一点
它的切线都是有的
它说我把两个端点的连线这样一做
那么大家知道
在这个等式的左端
这个比值它的几何意义就是
两个端点连线的斜率
而这个f'(ξ)应该是说
某一点切线的斜率
实际上也就是说
在这个两个端点连线平行移动的过程中
至少要与这条曲线有一个切点
这个跟我们刚才罗尔定理
反映的几何现象是一样的
它与罗尔定理不同的是说
罗尔定理因为两个端点在一条水平线上
所以说那条切线是水平的
导数等于0
所以说从这个意义上讲
罗尔定理是Lagrange中值定理的一个特殊情况
而Lagrange中值定理
是罗尔定理在一般情形下的推广
那接下来我们给出它的证明
这个证明因为罗尔定理是它的特殊情况
现在大家想我们有没有办法
把这个一般情况与特殊情况联系起来
实际上我们的想法很简单
也就是我随便做一条
这个与两点连线平行的线
然后我用f(x)减掉这条直线上的竖坐标
大家看一下
这个f(x)减掉这条直线上的竖坐标
应该就是一个闭区间连续
开区间可导的函数
而且在两个端点的时候
这两个差应该是相等的
这样我就会得到一个
完全满足罗尔定理条件的函数
那自然罗尔定理的结论就有了
所以说我们构造一个辅助函数
令F(x)就等于f(x)
这是曲线上的纵坐标
然后这条直线我让它过原点
所以说斜率是这个比值
过原点的就是那个直线方程
应该就是f(b)-f(a)
再除上b-a 再乘上x
这样一减的时候
这就是我刚才说的
我构造的那个辅助函数
然后则F(x)肯定满足
闭区间连续开区间可导
而且F(a)与F(b)应该相等
因为大家可以把x=a和x=b代进来
算一下这两个值
因为这两个值就是这两个端点的纵坐标的差
它肯定是相等的
因为我们做的这条直线
与这两点连线是平行的
那么根据罗尔定理
所以我就存在一个ξ属于(a,b)
使得就是F'(ξ)应该是等于0的
F的导数我们看一下
是不是f的导数减掉这个比值
所以说 F的导数等于0
也就是f'(ξ)减(f(b)减f(a))
除上(b减a)应该等于0
这就是我们Lagrange中值定理的结论
我们之所以写成这个形式
实际上主要就是
反映了它的几何本质
实际它谈的就是说
两点连线的斜率
与某一条切线斜率相等
但我们用Lagrange中值定理的时候
我们经常是用的
f(b)-f(a)等于f'(ξ)乘上(b-a)
其中ξ是a,b之间的某个点
我们写成这样
这样我们就说
我们把两点函数值的差
与这两点之间某一点的导数值联系起来了
也就是说 Lagrange中值定理把函数值与导数值
不用极限运算联系起来了
实际上我们所谓的能用导数来研究函数的有关性质
主要就是因为这个结论是对的
好了有了这个结论之后
我们来看一下
我们常用的一些结果
Lagrange中值定理的第一个推论
也就是f(x)它恒等于c
在某个区间(a,b)上
它的充分必要条件是
f'(x)=0 在这个区间上
这是个充分必要的
首先它是常函数
倒数等于0
我们用导数定义直接得出来
接下来如果它在每一点的导数等于0的时候
大家看是不是我可以用这个地方
就得到f(b)=f(a)
那我让a固定
让b在这里变化的时候
这说明每一点的函数值
都与a点的函数值是相等的
就是这个结论
如果我们由导数等于0
来推它是常函数的时候
没有中值定理你是很难说清楚的
因为用导数定义
里面牵扯到极限运算
有极限值等于0
你并不能推出
原来的函数就等于0
所以说这个有了中值定理之后
我们就得到了
微积分里面常用的这个结果
第二个推论大家看一下
如果f'(x)它是大于0的
在这个区间(a,b)上
我们是不是能推出
f(x)在这个区间上是单增的
还是看这个关系式
因为任何一点的导数都大于0
所以当b大于a时
这个乘积是大于0的
也就意味着f(b)大于f(a)
那自然就是单调递增的
当然如果我们知道
任何一点的导数小于0
自然能够证明它是单减的
所以说这应该是
Lagrange中值定理的一个直接推论
第三个推论也就是说
如果f(x)是属于C[a,b)
且x趋向于a+时
f'(x)极限存在是等于A的
则就是f'{+}(a)它就等于A
什么意思也就是说如果函数在这一点
它是右连续的
而且在这个范围上它的导数存在
导数的右极限又存在的时候
那么函数在这一点的右导数应该也存在
而且就等于这个导数的右极限
就是这个问题
大家注意一下
实际上它并不是说
我们看得那么想当然的一个结论
因为就是大家在学习这个结论的时候
经常想什么叫右导数
学着学着就忘了
就是说有时候就把它搞成
右导数就是导函数的右极限
这句话是不对的
就像我们在讲函数极限时反复强调的
函数在一点的函数值
与函数在这一点的极限值是没有任何关系的
放到这个地方
也就是导函数在这一点的值
与导函数在这一点的极限值
应该也是没有任何关系的
但是如果我把条件加强了之后
这个关系就建立起来了
这个也是中值定理的一个直接推论
因为根据右导数的定义
我们知道函数在a这点的右导数
应该是等于x大于a趋向于a
f(x)-f(a)再除上x-a
因为它在a这一点是右连续
而且在a的右侧是有导数的
所以说当x充分靠近a时
我们知道它在a到x闭区间上一定是连续函数
开区间内是可导函数
所以说我们就可以把这个比值
用一下Lagrange中值定理
也就是x趋向于a{+}
这就是f'(ξ) 其中ξ是介于a和x之间
那么当x大于a趋向于a时
ξ是趋向于a{+}的
那么我们的条件是说
导函数在这一点的右极限存在
特别地 ξ趋向于a^{+}时
它的极限也存在
那么这样就证明了
它在这一点的右导数是存在的
右导数的值正好是我们
导函数在这一点的右极限值
关于这两者之间的关系
我请大家自己分析一下
这么三个例题
这三个例题是这样子的
第一个函数是f(x)等于x的绝对值
第二个函数是f(x)等于x的三次方乘上sin(x分之一)
第三个函数是f(x)等于x的平方乘上sin(x分之一)
这是x不等于0
x=0时我定义成0
那么这三个函数
我们讨论同一个问题
就是看一下
这三个函数
在0这点的右极限值
和这三个函数它的导函数
在0这点的右极限
相当于对这三个函数
大家看一下它在0这点的右导数
存在不存在
如果存在的时候值是多大
再来看它的导函数
在0这点的右极限存在不存在
如果存在的时候
极限值是多大
如果右导数和极限值都存在的时候
再来看看两者的大小关系是什么
我想这是三个简单的具体函数表达式
大家肯定能把这个问题讨论清楚
讨论清楚之后
你大概就应该有这个印象
我们不能相当然地
把导函数的右极限就理解成
是函数在这一点的右导数
这是关于这个推论
接下来我们常用的另外一个推论
推论四推论四是说
若f(x)在[a,b]区间是可导的
也就是在这里面每一点导数都存在
则f'(x) 导函数
在[a,b]上不存在第一类间断点
也就是说这个导数
它尽管可能是会不连续
但是它的间断点里面
不能出现是第一类的
那大家想什么叫第一类间断点
就是说在这点的左右极限都存在的间断点
叫第一类间断点
导函数的第一类间断点
指的是导函数在这点的左右极限都存在
那接下来我们简单给一个证明
这个证明是这样子的
因为就是说如果我存在一个x0
譬如说属于(a,b)
它在这个地方它导函数
它的左极限譬如说是存在的是A
而导函数在这点的右极限也是存在的
譬如我们记成B
大家想因为我们的条件是
它在整个区间上都是可导的
特别地在x0这点它不仅可导
是不是还应该连续
那如果是连续的时候
它就满足我们第三个推论中的条件
第三个推论中它就在a这点是连续的
那这样子的时候
大家就知道
我们马上就推出来了
这个就说明它在这一点的左导数应该是等于A的
这个它就说明它在这一点的右导数是等于B的
但因为它是可导的
可导的时候大家就知道
无论是A还是B
都应该等于它在这一点的导数值
这是什么意思
就是只要导函数在这点左右极限都存在
那么左右极限值都应该相等
而且等于它在这点的导数值
这说明它一定是连续的
换句话说它要是间断的时候
肯定不是导函数左右极限都存在的情况
好下面我们讨论几个
用Lagrange中值定理处理的具体题目
第一个例题我们来证明一下
arcsinx加上arccosx恒等于二分之π
这当然是关于反三角函数的一个基本结论
现在我们来证明这个结论
实际上我们就是要处理
证明某个函数在某个范围上恒等于一个常数
实际上我们要证明这件事情
只要做两件事情就行了
第一件事情大家看一下
因为arcsinx+arccosx它的导数
我们知道应该等于
根下(1减x平方)分之一
再减掉根下(1减x平方)分之一
也就是恒等于0
它在这个区间上导数恒等于0
利用刚才我们的推论1
我们就知道这个函数应该就恒等于常数
而且大家再来看一下
arcsin0+arccos0
arcsin0是说在-π/2到π/2之间
正弦等于0的角是多少
它当然是0弧度
这个是说在0到π这个范围里面
余弦等于0的角是多少
弧度是π/2
所以说这个它是等于π/2的
那我们要是写的时候
我简单地写
因为这个等式成立
且它在这点的值是π/2
所以arcsinx+arccosx它就是等于π/2
我想有了中值定理的第一个推论之后
以后再证明函数恒等式
是不是我们增加了一个非常方便的一般方法
我想这是第一个例题
第二个例题我们来证一下
就是当x大于0时x除上(1+x)小于ln(1+x)小于x
这个问题如果大家回忆一下
实际上在数列极限部分
我们曾经用到过对数的这个不等关系
现在我们来证明一下
譬如说在这个题目里面
我如果考虑这个东西
也就是f(x)就等于一个ln(1+x)
那么大家看一下
我的ln(1+x)是不是可以写成f(x)
同时f(0)是ln1是等于0的
是不是可以也就等于f(x)-f(0)
如果写成这样的时候
它显然是个可导函数
所以大家一看
函数在两点值的差
自然就会想到
它应该等于f'(ξ)再乘上两点之差x
那么对这个函数来说 f'是什么
f'应该就是1/(1+ξ)再乘x
也就是说在这个问题里面
我中间这个表达式
正好可以看成是
某一个函数在两点值的差
而这两点值的差
我可以用函数在某一点的导数值
乘上两点之差表示出来
其中这个ξ是大于0小于x的
所以说这个时候
这个1/(1+ξ)自然就是小于1大于(1+x)分之一
然后我们乘上x
因为x是大于0的
所以说它就应该是小于x 大于(1+x)分之x
那这样我们是不是就证明了我们的结果
Lagrange中值定理也是我们处理
一些特殊不等式时常用的方法
但是我们在处理不等式时
怎么样才能想到用Lagrange中值定理
只有当不等式中某一部分
理解成是同一个函数在两点值之差的时候
这个时候我们可以想到
函数在两点值之差
可以用这两点之间某一点的导数值表示出来
那在这个时候你就看一下
我们能不能利用Lagrange中值定理
来处理这个不等式问题
在不等式问题里面
我们一般地是利用单调性来处理
在后边的内容里面
我们会专门作一些介绍
接下来我们看第三个例题
第三个例题是说
如果f(x)在负无穷到0上可导
且在x趋向于负无穷时f'(x)是等于A大于0的
我们证明则x趋向于负无穷时
这个f(x)是个负无穷大量
证明这个结论
实际上这个结论大家在图上
大概能够判断出来
因为x趋向于负无穷时
它导数大于0
说明它的切线是斜率大于0的
切线斜率大于0
那么在x趋向于负无穷时
它自然就会把曲线上的点
逐渐逐渐逼到负无穷去
但怎么从代数上给出一个严格的证明
这个证明我们这样来写
因为它给的是导数的性质
问的是函数值的结论
所以说我们自然就可以这样写了
如果f(x)-f(0)它自然就会等于f'(ξ)再乘上x
因为这是从要证的结论
以及给的条件
我们说我们要把函数值与导数值联系起来
那在这里面如果x趋向于负无穷时
我能保证这个东西是趋向于一个大于0的数
这个乘积自然是负无穷大量
但现在遗憾的是
在中值定理里面
我们只知道这个ξ是介于0到x之间
我们并不能保证
当x趋向于负无穷时
ξ也是趋向于负无穷的
如果不能保证这一点
当然我们就用不上这个条件
所以说你直接想
当然路子应该说是有点对头了
但是具体怎么去用
应该不能直接这么简单地去套用
应该这样说
先利用这个极限小于0
我们用极限的保号性质
我们可以这样说
因为这个x趋向于负无穷时
f'(x)的极限等于A大于0
所以我们能够找到一个X小于0
就是当x 我们有f'(x)都应该是大于等于二分之A大于0的 这是用保号性质得到的结论 接下来从而当x小于X时 我们有f(x)-f(X)也就等于f'(ξ)再乘上x-X 这个时候这个差是小于0的 这个是大于等于二分之A的 所以说这个应该是小于等于二分之A倍的x-X 写到这样的时候 我们x趋向于负无穷时 这个自然就是个负无穷大量 因为f(X)是个定值 所以说通过这个关系 我们就推出了f(x)是一个负无穷大量
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
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--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
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--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
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--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
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--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
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--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
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--第七章 定积分--第四节思考与练习
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--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
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--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
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--第八章 级数--第四节 思考与练习
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--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习