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第一节 微分中值定理
一、 罗尔定理
定理1 (罗尔(Rolle)定理) 如果函数f(x)满足:
(1) 在[a,b]上连续,
(2) 在(a,b)内可导,
(3) f(a)=f(b),
则至少存在一点∈(a,b),
使得f()=0.
证 因为f(x)在[a,b]上连续,f(x)在[a,b]上必取得最大值M和最小值m.
(1) 如果M=m, 则f(x)在[a,b]上恒等于常数M, 因此,对一切x∈(a,b),都有 f(x)=0.于是定理自然成立.
(2) 若M>m,由于f(a)=f(b),因此M和m中至少有一个不等于f(a).设M≠f(a),则f(x)应在(a,b)内的某一点处达到最大值,即f()=M,下面证明f()=0.
因f(x)在达到最大值,所以不论x是正的还是负的, 总有
f( + x)-f()≤0.
当x>0时,
根据极限的保号性,有
当x0时,
从而必须有f()=0.
例1 验证罗尔定理对函数f(x)= x2-2x+3在区间[-1,3]上的正确性.
注 罗尔定理的三个条件缺少其中任何一个,定理的结论将不一定成立.
显然函数f(x)= -2x+3在[-1,3]上满足罗尔定理的三个条件,
解
由f(x)=2x-2=2(x-1),可知f(1)=0,
因此存在=1∈(-1,3),使f(1) =0.
例2
证
由介值定理
即为方程的小于1的正实根.
矛盾,
)=
由连续函数介值定理知至少存在一点
在[0,1]上有且仅有一个
0≤f(x)≤1,且对于(0,1)内所有x,有f′(x)≠1,求证
例3 设f(x)在[0,1]上可导,当0≤x≤1时,
,使f(
证 令F(x)=f(x)-x,则F(1)=f(1)-1≤0,F(0)=f(0)≥0.
∈[0,1],
使得F(
,下面证明在[0,1]上
)=
即f(
仅有一点
,使F(
)=0.
假设另有一点
)=0.
,则由罗尔定理可知,在[ , ]上至少有
一点
ξ
,使
这与原题设矛盾.这就证明了在[0,1]
内有且仅有
)=
.
一个
,使f(
)=0,
∈[0,1],使得F(
不妨设
F′(ξ)=0,即f′(ξ)=1,
二、 拉格朗日中值定理
证 作辅助函数
F(x)在[a,b]上连续,在(a,b)内可导,且
故 F(x)满足罗尔定理的条件,从而至少存在一点∈(a,b),使得F()=0,即
因此得
拉格朗日中值定理中的公式称为拉格朗日中值公式,此公式也可以写成
f(b)-f(a)= f()(b-a) (a<<b)
另外,由于是(a,b)中的一个点,它还可以表示成
=a+(b-a)(0< <1),于是,拉格朗日中值公式又可写成
f(b)-f(a)=(b-a)f[a+ (b-a)] (0<<1)
要注意的是,在公式中,无论a<b或a>b,公式总是成
立的,其中ξ是介于a与b之间的某个数.
注意:拉氏公式精确地表达了函数在一个区间上的增量
与函数在这区间内某点处的导数之间的关系.
例4
证
例5 证明不等式
对一切x>0成立.
<ln(1+x)<x
1 ),
证 由于f(x)=ln(1+x)在[0,+∞)上连续、可导,
对任何x>0,在[0, x]上运用微分中值公式,得
(0 1).
即 ln(1+x)=
<
由于
<x,
因此当x>0时,有
<
f(x)-f(0)=f′(
x)x, (0
ln(1+x)<x.
推论1 如果f(x)在开区间(a,b)内可导,且f(x)≡0,则在(a,b)内,f(x)恒为一个常数.
证 在(a,b)内任取两点x1, x2, 设x1 x2 ,显然f(x)在[x1,x2]上满足拉格朗日中值定理的条件
因为 f(x)≡0,所以 f()=0 .
从而 f(x2)=f(x1) .
例4
证
推论2 若f(x)及g(x)在(a,b)内可导,且对任意x∈(a,b),有f(x)=g(x),则在(a,b)内,f(x)=g(x)+C(C为常数).
证 因[f(x)-g(x)] =f(x)-g(x)=0,
由推论1,有f(x)-g(x)=C,
即f(x)=g(x)+C,x∈(a,b).
三、 柯西中值定理
证 若g(a)=g(b),则由罗尔定理,至少存在一点1∈(a,b),使g(1)=0,这与定理的假设矛盾.故g
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