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Lecture 21:微分中值定理

1316 字
7 分钟
Lecture 21:微分中值定理

本章常考题型与典型例题#

常考题型

    1. 求函数的极值和最值,确定曲线的凹向和拐点; (基础题)
    1. 求渐近线;(基础题)
    1. 方程的根;(较难题)
    1. 不等式的证明:(较难题)
    1. 中值定理证明题(难题)

1.1 微分中值定理#

目的:为什么需要微分中值定理 -> 建立导数和函数的关系 -> 奠定通过导数研究函数的基础;

常考题型

  • 题型一:求极限
  • 题型二:函数的极值和最值,曲线的凹向与拐点
  • 题型三:曲线的渐近线
  • 题型四:方程的根
  • 题型五:不等式的证明
  • 题型六:中值定理的证明题(难)

1.2 三大定理#

三大定理的意义

  • 罗尔定理: 存在ξ∈(a,b),使 f′(ξ)=0存在\xi\in(a,b)\text{,使 }f^{\prime}(\xi)=0
  • 拉格朗日中值定理 :f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)f(b)-f(a)=f^{\prime}(\xi)(b-a)
    • 建立了局部与整体的关系
      • 导数反应的是一点的变化率,是一个局部;
      • 但 (a,b)是一个整体区间的变化;
      • 所以:f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)f(b)-f(a)=f^{\prime}(\xi)(b-a) 建立了局部与整体之间的关系;
    • 建立了函数值和导数值之间的关系
      • 为:用导数研究函数,奠定了理论基础;
  • 柯西中值定理

三大定理的关系

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适用范围

  • 证明恒等式
  • 证明不等式
  • 证明有关中值问题的结论

1.2.1 罗尔定理#

定义:极大值与极小值#

描述: 若∃δ>0,使得若 \exists\delta>0\text{,使得} 极小值: ∀x∈U(x0,δ) 恒有 f(x)≥f(x0),则称 f(x) 在 x0取极小值\forall x\in U(x_0,\delta)\text{ 恒有 }f(x)\geq f(x_0)\text{,则称 }f(x)\text{ 在 }x_0\text{取极小值} 极大值:∀x∈U(x0,δ) 恒有 f(x)≤f(x0),则称 f(x) 在 x0 取极大值\forall x\in U(x_0,\delta)\text{ 恒有 }f(x)\leq f(x_0)\text{,则称 }f(x)\text{ 在 }x_0\text{ 取极大值}

解释 因为这一点为极大值或者极小值,因此在极值这一点的斜率肯定和 Y 轴垂直;

引理:费马引理

  • 若 f(x) 在 x0处取得极值,且 f(x) 在 x0 处可导,则\text{若 }f(x)\text{ 在 }x_0\text{处取得极值,且 }f(x)\text{ 在 }x_0\text{ 处可导,则}:极值点 f′(x0)=0f^{\prime}(x_0)=0
  • 费马引理:是可导函数取到机制的必要条件;
定理:罗尔定理#

描述:若满足三个条件: 1)ff 在 [a,b][a,b] 上连续; 2)ff 在 (a,b)(a,b) 内可导; 3)f(a)=f(b) 则可知:则 ∃ξ∈(a,b),使 f′(ξ)=0\text{则 }\exists\xi\in(a,b)\text{,使 }f^{\prime}(\xi)=0 推导结论:有一点的切线,和 ab 两点的连线平行 -> 拉格朗日定理;

解释

  • 推导关系:【定义】极大值与极小值 -> 【定理】费马引理 -> 【定理】罗尔定理
  • 图示
    • Pasted image 20231225142739.png
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1.2.2 拉格朗日中值定理#

定理:拉格朗日中值定理#

描述:若满足以下几个条件: 1)ff 在 [a,b][a,b] 上连续 2)ff 在 (a,b)a,b) 内可导 则:可得 ∃ξ∈(a,b),使 f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)\text{可得 }\exists\xi\in(a,b)\text{,使 }f(b)-f(a)=f^{\prime}(\xi)(b-a)

解释

  • 拉格朗日定理是罗尔定理的推广;
  • 罗尔定理是拉格朗日定理的特例;

补充

  • a>b,a<b结论都成立a>b,a<b\quad\text{结论都成立}
  • 改写形式:f(b)−b(a)=f′[a+θ(b−a)](b−a)(0<θ<1)f(b)-b(a)=f^{\prime}[a+\theta(b-a)](b-a)\quad(0<\theta<1)
  • 重要-> 改写形式:f(x0+Δx)−f(x0)=f′[x0+θΔx]Δx(0<θ<1)f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=f^{\prime}[x_0+\theta\Delta x]\Delta x\quad(0<\theta<1)
    • 这种形式是以下微分近似形式的精确描述:Δy≈f′(x0)Δx\Delta y\approx f^{\prime}(x_0)\Delta x

解释

  • 图示
    • Pasted image 20231225143334.png
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  • 没有了 f (a)=f (b)的限制条件,所以不一定有切线平行 X 轴;
  • 但是会有一点的斜率和当前函数值连线相等:
    • Pasted image 20231225143547.png
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推论 1:有限增量公式

  • f(x0+Δx)−f(x0)=f′[x0+θΔx]Δx(0<θ<1)f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=f^{\prime}[x_0+\theta\Delta x]\Delta x\quad(0<\theta<1)
  • 近似描述:Δy≈f′(x0)Δx\Delta y\approx f^{\prime}(x_0)\Delta x

推论 2:\text{设 }f(x)\text{ 在区间 }I\text{ 上连续,在 }I\text{ 内可导,则在}$$I\text{ 上 }f(x)\equiv C\Leftrightarrow f^{\prime}(x)\equiv0

  • 左推导右是很明显的;
  • 关键在于右怎么推左;

证明:使用分析法证明拉格朗日中值定理

  • 核心方法:构造特殊函数,使用罗尔定理
    • 目标是证明:∃ξ∈(a,b),使 f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)\exists\xi\in(a,b)\text{,使 }f(b)-f(a)=f^{\prime}(\xi)(b-a)
    • 所以等于证明:f′(ξ)−f(b)−f(a)b−a=0f^{\prime}(\xi)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=0
    • 所以可以设置一个函数 F′(ξ)=0F^{\prime}(\xi)=0
    • 因此可得:令 F(x)=f(x)−f(b)−f(a)b−axF (x)=f (x)-\frac{f (b)-f (a)}{b-a}x
    • 所以根据摩尔定理: F′(ξ)=0F^{\prime}(\xi)=0

1.2.2.1 例题#

例题:试证∣sin⁡x−sin⁡y∣≤∣x−y∣\text{试证}\quad|\sin x-\sin y|\leq|x-y|

  • 分析
    • 分析过程:
  • 解析
  • 结论: sinx<x<tanx,x∈(0,π2)\mathrm{~sinx<x<tanx,x\in(0,\frac\pi2)}

例题:证明:当 x∈(0,π2) 时, arctan⁡x+arctan⁡1x=π2.\text{证明:当 }x\in(0,\frac\pi2)\text{ 时, }\arctan x+\arctan\frac1x=\frac\pi2.

  • 分析
    • 因为是要证明一个函数值在一个范围内等于一个常数,所以可以考虑使用{拉格朗日中值定理的推论 2};
  • 解析
    • f′(x)=11+x2+−1x21+(1x)2=0.f^{\prime}(x)=\frac{1}{1+x^{2}}+\frac{-\frac{1}{x^{2}}}{1+(\frac{1}{x})^{2}}=0.
    • 因此导数等于 0,根据推论 2 -> 当前函数值在范围内为一个常数;
    • 所以随便带入一个点,即可得到当前函数值恒定为 π/2\pi/2

1.2.3 柯西中值定理#

定理:柯西中值定理#

描述:若满足以下条件: 1)f,F 在 [a,b]上连续;f,F\text{ 在 }[a,b]\text{上连续}; 2)f,F 在 (a,b) 内可导,且 ∀x∈(a,b),F′(x)≠0f,F\text{ 在 }(a,b)\text{ 内可导,且 }\forall x\in(a,b),F^{\prime}(x)\neq0 则:∃ξ∈(a,b) ,使 f(b)−f(a)F(b)−F(a)=f′(ξ)F′(ξ)\exists\xi\in(a,b)\text{ ,使 }\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f^{\prime}(\xi)}{F^{\prime}(\xi)}

解释

  • 从拉格朗日中值定理 -> 柯西中值定理;
    • 将拉格朗日中值定理中函数设为参数方程:Y为f,x为FY 为 f,x 为 F;
    • 此时 f(b)−f(a)F(b)−F(a)\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)} 即表示 ab 线段的斜率;
    • 并且对 ξ\xi 一点 y、x 求导 -> f′(ξ)F′(ξ)\frac{f^{\prime}(\xi)}{F^{\prime}(\xi)} = dy/dxdy/dx -> 等于这一点斜率;
    • 所以 ∃ξ∈(a,b) ,使 f(b)−f(a)F(b)−F(a)=f′(ξ)F′(ξ)\exists\xi\in(a,b)\text{ ,使 }\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f^{\prime}(\xi)}{F^{\prime}(\xi)}
  • 几何含义
    • Pasted image 20240520005050.png
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  • 举例:lim⁡x→0x−sin⁡xx3=lim⁡x→0(x−sin⁡x)−(0−sin⁡0)x3−03\lim_{x\to0}\frac{x-\sin x}{x^3}=\lim_{x\to0}\frac{(x-\sin x)-(0-\sin^{}0)}{x^3-0^3}
    • 由柯西中值定理 f(b)−f(a)F(b)−F(a)=f′(ξ)F′(ξ)\frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f^{\prime}(\xi)}{F^{\prime}(\xi)},可知因此可得:lim⁡x→01−cos⁡23ξ2\lim_{x\to0}\frac{1-\cos^2}{3\xi^2}
    • 所以当前 ξ\xi 位于 xx 和 00 之间
    • 所以得到 lim⁡x→01−cos⁡x3x2=lim⁡x→012x23x2.\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{3x^{2}}=\lim_{x\to0}\frac{\frac{1}{2}x^{2}}{3x^{2}}.
    • 最后结果为 1/6;

1.2.4 三大定理总结#

核心:建立导数值和函数值的关系

问题分析:

    1. 如果给的问题是导数,要求研究函数,此时可以使用微分中值定理;
    1. 如果给的条件是函数,要求证明是导数,此时也可以使用微分中值定理;

三者关系

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使用分析

  • 拉格朗日定理和罗尔定理更常用;
  • 尤其是罗尔定理;

PART 3:知识点复盘#

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