高等数学常见中值定理证明及应用

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中值定理

首先我们来看看几大定理:

1、 介值定理:设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,且在该区间的端点取不同的函数值f(a)=A

及f(b)=B ,那么对于A 与B 之间的任意一个数C ,在开区间(a,b)内至少有一点ξ使得f(ξ)=C(a<ξ

Ps:c 是介于A 、B 之间的,结论中的ξ取开区间。

介值定理的推论:设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上有最大值M ,最小值

m,若m ≤C ≤M,则必存在ξ∈[a,b], 使得f(ξ)=C 。(闭区间上的连续函数必取得介于最大值M 与最小值m 之间的任何值。此条推论运用较多)

Ps :当题目中提到某个函数f(x),或者是它的几阶导函数在某个闭区间上连续,那么该函数或

者其几阶导函数必可以在该闭区间上取最大值和最小值,那么就对于在最大值和最小值之间的任何一个值,必存在一个变量使得该值等于变量处函数值。

2、 零点定理:设函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,且f(a)与f(b)异号,即f(a).f(b)<0,那么在开区

间内至少存在一点ξ使得f(ξ)=0.

Ps:注意条件是闭区间连续,端点函数值异号,结论是开区间存在点使函数值为0.

3、 罗尔定理:如果函数f(x)满足:

(1)、在闭区间[a,b]上连续; (2)、在开区间(a,b)内可导; (3)、在区间端点处函数值相等,即f(a)=f(b).

那么在(a,b)内至少有一点ξ(

4、 拉格朗日中值定理:如果函数f(x)满足:

(1)、在闭区间[a,b]上连续; (2)、在开区间(a,b)内可导;

那么在(a,b)内至少有一点ξ(

5、 柯西中值定理:如果函数f(x)及g(x)满足

(1)、在闭区间[a,b]上连续; (2)、在开区间(a,b)内可导; (3)、对任一x(a

那么在(a,b)内至少存在一点ξ,使得

)

`()

`()()()()(ξξg f a g b g a f b f =--

Ps :对于罗尔定理、拉格朗日中值定理、柯西中值定理结论都是开开区间内取值。

6、 积分中值定理:若函数f(x)在[a,b]上连续,则至少存在一点],[b a ∈ξ使得

)()()(a b f dx x f b

a

-=⎰

ξ

Ps :该定理课本中给的结论是在闭区间上成立。但是在开区间上也是满足的,下面我们来证明下其在开区间内也成立,即定理变为:若函数f(x)在[a,b]上连续,则至少存在一点),(b a ∈ξ使得

)()()(a b f dx x f b

a

-=⎰

ξ

证明:设⎰

=

x

a

dx x f x F )()(,],[b a x ∈

因为)(x f 在闭区间上连续,则)(x F 在闭区间上连续且在开区间上可导(导函数即为)(x f )。

则对)(x F 由拉格朗日中值定理有:

),(b a ∈∃ξ使得a

b dx x f a

b a F b F F b

a

-=--=

)()

()()`(ξ

而)()`(ξξf F = 所以),(b a ∈∃ξ使得

)()()(a b f dx x f b

a

-=⎰

ξ。

在每次使用积分中值定理的时候,如果想在开区间内使用,我们便构造该函数,运用拉格朗日中值定理来证明下使其在开区间内成立即可。千万不可直接运用,因为课本给的定理是闭区间。

定理运用:

1、设)(x f 在[0,3]上连续,在(0,3)内存在二阶导函数,且⎰

+==2

)3()2()()0(2f f dx x f f .

证明:(1))2,0(∈∃η使)0()(f f =η

(2))3,0(∈∃ξ使0)``(=ξf

证明:先看第一小问题:如果用积分中指定理似乎一下子就出来了,但有个问题就是积分中值定理是针对闭区间的。有的人明知这样还硬是这样做,最后只能是0分。具体证明方法在上面已经说到,如果要在开区间内用积分中指定理,必须来构造函数用拉格朗日中值定理证明其在开区间内符合。 (1)、令

]2,0[),()(0

∈=⎰

x x F dt t f x

则由题意可知)2,0(]2,0[)(上连续,在x F 内可导.

则对)(x F 由拉格朗日中值定理有:

2

)

0()2()`()2,0(F F F -=

∈∃ηη使

)2,0(),0(2

)()(2

∈==

∴⎰ηηf dt t f f

(2)、对于证明题而言,特别是真题第一问证明出来的结论,往往在第二问中都会有运用,

在做第二问的时候我们不要忘记了第一问证明出来的东西,我们要时刻注意下如何将第一问的东西在第二问中进行运用:

第二问是要证明存在点使得函数二阶倒数为0,这个很容易想到罗尔定理来证明零点问题,如果有三个函数值相等,运用两次罗尔定理那不就解决问题啦,并且第一问证明出来了一个等式,如果有f(a)=f(b)=f(c),那么问题就解决了。

第一问中已经在(0,2)内找到一点,那么能否在(2,3)内也找一点满足结论一的形式呢,有了这样想法,就得往下寻找了,

)3()2()0(2f f f +=,看到这个很多人会觉得熟悉的,和介值定理很像,下面就来证明:

]3,0[)(在x f 上连续,则在]3,2[上也连续,由闭区间上连续函数必存在最大值和最小值,

分别设为M,m;

则.)3(,)2(M f m M f m ≤≤≤≤ 从而,M f f m ≤+≤

2

)

3()2(,那么由介值定理就有:

)0(2

)

3()2()(],3,2[f f f c f c =+=∈∃使

]3,2[),2,0(),()()0(∈∈==∴c c f f f ηη

则有罗尔定理可知:

0)`(),,0(11=∈∃ξηξf ,0)`(),,(22=∈∃ξηξf c 0)``(),3,0(),(21=⊆∈∃ξξξξf

Ps :本题记得好像是数三一道真题,考察的知识点蛮多,涉及到积分中值定理,介值定理,最值定理,罗而定理,思路清楚就会很容易做出来。

2、设f(x)在[0,1]上连续,在(0,1)内可导,且f(0)=0,f(1)=1. 证明:ξξξ-=∈∃1)()1,0()1(f 使得、

1)`()`(),1,0()2(=⋅∈∃ηξξηf f 使得、两个不同点、 本题第一问较简单,用零点定理证明即可。

(1)、首先构造函数:]1,0[,1)()(∈-+=x x x f x F

1

)1()1(11)0()0(==-=-=f F f F

01)1()0(<-=⋅F F

由零点定理知:ξξξξ-==∈∃1)(,0)()1,0(f F 即使得

(2)、初看本问貌似无从下手,但是我们始终要注意,对于真题这么严谨的题目,他的设问是一问紧接一问,第一问中的结论或多或少总会在第二问中起到作用。在想想高数定理中的就这么些定理,第一问用到的零点定理,从第二问的结论来看,也更本不涉及什么积分问题,证明此问题也只可能从三大中值定理出发,具体是哪个定理,得看自己的情况,做题有时候就是慢慢试,一种方法行不通,就换令一种方法,有想法才是最重要的,对于一道题,你没

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