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3.1 微分中值定理

NOTE

本节所有证明过程要求掌握

费马引理

对于函数 ,且在 处可导,若对于任意的 ,都有 (或 那么有


不妨设 ,则根据极限的保号性有

因此有

证毕。


通常称导数为零的点为函数的驻点(或稳定点临界点

罗尔定理

如果函数 满足

  1. 在闭区间 上连续
  2. 在开区间 内可导
  3. 在区间端点处的函数值相等,即

那么 ,使得


在闭区间 上连续,故 ,使得

时,,有 ,故

时,则 之中必有一个不在区间的端点上(因为

不妨假设 ,由费马引理,

,则

证毕。


三个条件的解读:

  1. 若闭区间上不连续,则取不出 。可能出现趋于无穷的地方;
  2. 若开区间内不可导,则费马引理无法应用;
  3. 若端点函数值不相等,则无法保证 必有一个不在端点上。

罗尔定理的几何意义是:如果连续曲线 的弦 平行于 轴,且弧 除端点外处处具有不垂直于 轴的切线,那么这弧上至少有一点 ,使曲线在点 处的切线平行于 轴。

例 1

二阶可导,满足 ,证明:存在 ,使得

TIP

先构造一个二次函数 ,使其过 三个点。

解得 。这时候我们把原函数减去 ,就创造了罗尔定理应用的条件。

解:

上运用罗尔定理得

上再运用罗尔定理,有

则有

证毕。

拉格朗日中值定理

如果函数 满足

  1. 在闭区间 上连续
  2. 在开区间 内可导

,使得


使得

则有 。根据罗尔定理, 使得

那么有 。证毕。


拉格朗日中值定理是罗尔定理的推广。

在拉格朗日中值定理的基础上加入 ,则 ,则 ,拉格朗日中值定理特殊化为罗尔定理。

拉格朗日中值定理的几何意义是:如果连续曲线 的弧 除端点外处处具有不垂直于 轴的切线,那么这弧上至少有一点 ,使曲线在点 处的切线平行于弦

例 2

证明区间内导数为 的函数为常函数。

证毕。

所以我们有

此结论可以直接使用。

例 3

,求证

。由拉格朗日中值定理,有

故有

证毕。

例 4

证明当 时,

,由拉格朗日中值定理,有

由于 ,因此上式即为

又有 ,故

柯西中值定理

如果函数 满足

  1. 在闭区间 上连续
  2. 在开区间 内可导

,使得


欲证

即证 内有根,

即证 内有根,

即证 内有根。

考虑使用罗尔定理。设

  • 在闭区间 上连续

  • 在开区间 内可导

  • 在区间端点处的函数值相等,即

因此 。现在倒着写回去即可。


柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广。取 ,柯西中值定理特殊化为拉格朗日中值定理。再推广下去,就是泰勒了。

通往泰勒的一道例题

例 5

的某邻域内具有 阶导数,且 ,试用柯西中值定理证明:

因此, 时,有

证毕。