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
证 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
- 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
那么 ,使得 。
证 在闭区间 上连续,故 ,使得
① 时,,有 ,故 。
② 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,。
取 ,则 。
证毕。
三个条件的解读:
- 若闭区间上不连续,则取不出 。可能出现趋于无穷的地方;
- 若开区间内不可导,则费马引理无法应用;
- 若端点函数值不相等,则无法保证 时 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
设 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:
设
对 在 与 上运用罗尔定理得
对 在 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
- 在闭区间 上连续
- 在开区间 内可导
则 ,使得 。
证 取 使得
记 ,
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 取 , 有
证毕。
所以我们有
此结论可以直接使用。
例 3
,求证 。
证 记 。由拉格朗日中值定理,有
故有
证毕。
例 4
证明当 时,。
设 ,由拉格朗日中值定理,有
由于 ,因此上式即为
又有 ,故
即
柯西中值定理
如果函数 和 满足
- 在闭区间 上连续
- 在开区间 内可导
则 ,使得
欲证 ,
即证 在 内有根,
即证 在 内有根,
即证 在 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
设 在 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。