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高数中的一些问题的讨论和总结
微分中值定理的应用
先看下面例题
例1设在上连续,在内可导,,证明:,使得
证明:令,则
,
因此,又在上连续,在内可导,由罗尔定理知,使得,即,
又由题设知 ,
所以。
总结:从本例可以看出如找到了辅导函数,往下证明是简单的,这类问题的难点恰恰是如何找出辅导函数?下面就以此题为例来探讨如何找辅导函数:
将欲证的结论变形为 ,
也即,
记
想到用罗尔定理来证此结论的话,就会想到要找一个函数,使得,(或
,),再仔细观察本题中的,容易看出
,
因此要找的辅导函数就是。
此方法称之为“观察分析法”,就是分析欲证的结论并把结论变形为,然后观察和分析找出满足或的。
下面介绍一种比较“程序化”的方法“积分还原法”:
把欲证明的结论中的换成,并变形得
两边积分得
移项并取消对数得,(
那么函数就是要找的辅导函数。
或变形为
两边积分得,
那么函数就是要找的辅导函数。
这种方法的一般步骤是这样的:把欲证的结论中的介值换成,并且必要时要作恒等变形(以利于方便积分).然后等式两边求不定积分,再移项、化简、整理得如下形式的等式
那么便是要找的辅助函数.
再看下面例子
例2. 设在上连续, 在内可导, 且,,求证
(I), 使得;
(II) , 使得;
(III) , 使得,其中为常数.
分析: 首先容易看出这是用微分中值定理来解决的题目, 这类问题的解决的关键是构造辅助函数。
观察分析法: 对(I) 等价于证明,使得,其中.用罗尔定理来证的话, 就需找出一函数,该函数满足.再仔细观察这样的函数找不到, 但可找到满足的函数.因此要找的辅助函数是.
对(II), 可以比较容易地观察出要找的辅助函数是.
对(III) 等价于证明证明,使得,, 利用(I) 的思考方法能观察分析出要找的辅助函数是.
积分还原法: 对(I) 先把欲证的等式中的介值换成一般变量得,变形得,两边积分得,整理得,再整理可得 ,那么要找的辅助函数就是.
对(III)
,于是要找的辅助函数就是
.
证明 (I) 令,则,由题设知在上连续, 在内可导, 并且,由罗尔定理知, 使得即,;
(II)令,则,由题设知,
(至此我们发现有点小问题:在题中所给的区间上并不满足罗尔定理的条件, 但易看出,因此有,那么在上应用罗尔定理便可得结论.)
由于,由连续函数的零点存在定理知 ,使得,从而,又在在上连续, 在内可导, 由罗尔定理知 , 使得即,;
(III)略.
关于涉及高阶导的介值的存在性问题,看下例
例3. 设在上连续,在内二阶可导,且曲线与拋物线有一个交点,求证:,使得。
分析:欲证的结论为 ,其中为满足的某个函数,由题设容易想到:。作辅助函数,则有,进而可证明结论。具体的证明过程学生自己完成。
总结:如欲证,首先找出合适的,把欲证的结论转化为(是我们要构造的辅助函数),下面两种情况是常见的
(1)由(是需要我们找出来的),得
(2)由或
,得
注:涉及高阶导的介值问题可能与泰勒公式有关,总之涉及高阶导的介值问题一般来讲或者多次微分中值定理来解来或者用带拉氏余项的泰勒公式解决。
多介值问题
例4设在上连续,在内可导,且。证明
存在使得;
存在两个不同的点,使得.
分析:(I) 即证存在零点, 也即曲线与有交点。结合函数图形的几何性态,很容易想到利用连续函数的零点存在定理去证明;
(II)题中明确了两个不同的点, 因此想到在不同的区间上用微分中值定理, 结合(I) 及函数图形和拉氏中值定理的几何意义可以看出分别在区间,上使用拉氏中值定理便可得结论.(借助几何直观是多么重要!几何直观不是证明,但它能帮助我们提供思路。)
证明过程略.
例5. 设函数在上连续,在内可导, 且证明存在,使得 .
分析: 欲证的结论变形得,此等式左边是,右边是,再想到柯西中值定理和拉格朗日中值定理:,, 问题就解决了.
证明: 由柯西中值定理和拉格朗日中值定理知,使得,,又由题设知,所以,
即.
注: 例4和例5都是证存在,但例4中明确了是不同的两点, 这时一般是在不同的区间上有中值定理.而例5则没有,此时一般是多次用拉氏中值定理或柯西中值定理便可得结论,大家体会一下其分析过程和解答过程, 可以体会出解这类题的一般思路和方法.
练习题
1. 设在上可导,且,证明:,使得
为常数
2. 设在上二阶可导,且,,证明:,使得
3. 设在上连续,在内可导,且是满足的任意正数,证明:在内存在两个不同的点和,使得
二.泰勒公式及其应用
泰勒公式在解决一元微分学的问题中是非常有力的工具,
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