【高等数学学习记录】微分中值定理
一、知识点
(一)罗尔定理
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费马引理
设函数 f ( x ) f(x) f(x) 在点 x 0 x_0 x0 的某邻域 U ( x 0 ) U(x_0) U(x0) 内有定义,并且在 x 0 x_0 x0 处可导,如果对任意的 x ∈ U ( x 0 ) x\in U(x_0) x∈U(x0) ,有 f ( x ) ≤ f ( x 0 ) f(x)\leq f(x_0) f(x)≤f(x0)(或 f ( x ) ≥ f ( x 0 ) f(x)\geq f(x_0) f(x)≥f(x0)) ,那么 f ′ ( x 0 ) = 0 f'(x_0)=0 f′(x0)=0. -
罗尔定理
如果函数 f ( x ) f(x) f(x) 满足:
(1) 在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续;
(2) 在开区间 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导;
(3) 在区间端点处的函数值相等,即 f ( a ) = f ( b ) f(a)=f(b) f(a)=f(b),那么在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内至少有一点 ξ ( a < ξ < b ) \xi(a<\xi<b) ξ(a<ξ<b),使得 f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi)=0 f′(ξ)=0.
(二)拉格朗日中值定理
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拉格朗日中值定理
如果函数 f ( x ) f(x) f(x) 满足
(1) 在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续;
(2) 在开区间 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导;
那么在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内至少有一点 ξ ( a < ξ < b ) \xi(a<\xi<b) ξ(a<ξ<b),使等式 f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( ξ ) ( b − a ) f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a) f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a) 成立.
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拉格朗日中值定理的几何意义
由上图可以看出, f ( b ) − f ( a ) b − a \frac{f(b)-f(a)}{b-a} b−af(b)−f(a) 为弦 A B AB AB 的斜率,而 f ′ ( ξ ) f'(\xi) f′(ξ) 为曲线在点 C C C 处的切线的斜率.
因此拉格朗日中值定理的几何意义是:如果连续曲线 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x) 的弧 A B AB AB 上除端点外处处具有不垂直于 x x x 轴的切线,那么这弧上至少有一点 C C C,使曲线在 C C C 处的切线平行于弦 A B AB AB.
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定理
如果函数 f ( x ) f(x) f(x) 在区间 I I I 上的导数恒为零,那么 f ( x ) f(x) f(x) 在区间 I I I 上是一个常数.
(三)柯西中值定理
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柯西中值定理
如果函数 f ( x ) f(x) f(x) 及 F ( x ) F(x) F(x) 满足
(1) 在闭区间 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续;
(2) 在开区间 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导;
(3) 对任一 x ∈ ( a , b ) x\in (a,b) x∈(a,b) , F ′ ( x ) ≠ 0 F'(x)\neq 0 F′(x)=0 ,
那么在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内至少有一点 ξ \xi ξ,使等式 f ( b ) − f ( a ) F ( b ) − F ( a ) = f ′ ( ξ ) F ′ ( ξ ) \frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\frac{f'(\xi)}{F'(\xi)} F(b)−F(a)f(b)−f(a)=F′(ξ)f′(ξ) 成立.
二、练习题
- 验证罗尔定理对函数 y = l n s i n x y=lnsinx y=lnsinx 在区间 [ π 6 , 5 π 6 ] [\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}] [6π,65π] 上的正确性.
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证明:
∵ \because ∵
(1) y = l n s i n x y=lnsinx y=lnsinx 在区间 [ π 6 , 5 π 6 ] [\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}] [6π,65π] 上连续,在区间 ( π 6 , 5 π 6 ) (\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}) (6π,65π) 内可导
(2) y ∣ x = π 6 = y ∣ x = 5 π 6 = l n 1 2 y|_{x=\frac{\pi}{6}}=y|_{x=\frac{5\pi}{6}}=ln\frac{1}{2} y∣x=6π=y∣x=65π=ln21
∴ \therefore ∴ 以上满足罗尔定理的前提条件
∵ y ′ = c o s x s i n x = c o t x \because y'=\frac{cosx}{sinx}=cotx ∵y′=sinxcosx=cotx ,当 x = π 2 x=\frac{\pi}{2} x=2π 时, y ′ = 0 y'=0 y′=0
∴ \therefore ∴ 在 ( π 6 , 5 π 6 ) (\frac{\pi}{6},\frac{5\pi}{6}) (6π,65π) 内至少存在一点 x = π 2 x=\frac{\pi}{2} x=2π,使得 y ′ = 0 y'=0 y′=0
∴ \therefore ∴ 罗尔定理对题目所给函数的正确性得以验证.
- 验证拉格朗日中值定理对函数 y = 4 x 3 − 5 x 2 + x − 2 y=4x^3-5x^2+x-2 y=4x3−5x2+x−2 在区间 [ 0 , 1 ] [0,1] [0,1] 上的正确性.
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证明:
题目所给函数在区间 [ 0 , 1 ] [0,1] [0,1] 上连续,在区间 ( 0 , 1 ) (0,1) (0,1) 内可导,满足拉格朗日中值定理的前提条件.
f ( 1 ) − f ( 0 ) 1 − 0 = 4 − 5 + 1 − 2 − ( 0 − 0 + 0 − 2 ) = 0 \frac{f(1)-f(0)}{1-0}=4-5+1-2-(0-0+0-2)=0 1−0f(1)−f(0)=4−5+1−2−(0−0+0−2)=0
y ′ = 12 x 2 − 10 x + 1 y'=12x^2-10x+1 y′=12x2−10x+1
当 x = 5 ± 13 12 x=\frac{5\pm\sqrt{13}}{12} x=125±13 时, y ′ = 0 y'=0 y′=0,且 5 − 13 12 \frac{5-\sqrt{13}}{12} 125−13 和 5 + 13 12 \frac{5+\sqrt{13}}{12} 125+13 均在区间 ( 0 , 1 ) (0,1) (0,1) 内.
∴ \therefore ∴ 拉格朗日中值定理对题目所给函数的正确性得以验证.
- 对函数 f ( x ) = s i n x f(x)=sinx f(x)=sinx 及 F ( x ) = x + c o s x F(x)=x+cosx F(x)=x+cosx 在区间 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [0,2π] 上验证柯西中值定理的正确性.
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证明:
(1) f ( x ) f(x) f(x) 及 F ( x ) F(x) F(x) 均在区间 [ 0 , π 2 ] [0,\frac{\pi}{2}] [0,2π] 上连续,在区间 ( 0 , π 2 ) (0,\frac{\pi}{2}) (0,2π) 内可导
(2) 由于 f ′ ( x ) = c o s x f'(x)=cosx f′(x)=cosx 及 F ′ ( x ) = 1 − s i n x F'(x)=1-sinx F′(x)=1−sinx 对任一 x ∈ ( 0 , π 2 ) x\in(0,\frac{\pi}{2}) x∈(0,2π) 均不等于0
∴ \therefore ∴ 以上满足柯西中值定理的前提条件
∵ f ( π 2 ) − f ( 0 ) F ( π 2 ) − F ( 0 ) = 1 − 0 π 2 − 1 = 2 π − 2 \because \frac{f(\frac{\pi}{2})-f(0)}{F(\frac{\pi}{2})-F(0)}=\frac{1-0}{\frac{\pi}{2}-1}=\frac{2}{\pi-2} ∵F(2π)−F(0)f(2π)−f(0)=2π−11−0=π−22
f ′ ( x ) F ′ ( x ) = c o s x 1 − s i n x = s i n ( π 2 − x ) 1 − c o s ( π 2 − x ) = c o s ( π 4 − x 2 ) s i n ( π 4 − x 2 ) = c o t ( π 4 − x 2 ) \frac{f'(x)}{F'(x)}=\frac{cosx}{1-sinx}=\frac{sin(\frac{\pi}{2}-x)}{1-cos(\frac{\pi}{2}-x)}=\frac{cos(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2})}{sin(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2})}=cot(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2}) F′(x)f′(x)=1−sinxcosx=1−cos(2π−x)sin(2π−x)=sin(4π−2x)cos(4π−2x)=cot(4π−2x)
当 x = π 2 − 2 a r c t a n ( π − 2 2 ) x=\frac{\pi}{2}-2arctan(\frac{\pi-2}{2}) x=2π−2arctan(2π−2) 时, x ∈ ( 0 , π 2 ) x\in (0,\frac{\pi}{2}) x∈(0,2π) 且 c o t ( π 4 − x 2 ) = 2 π − 2 cot(\frac{\pi}{4}-\frac{x}{2})=\frac{2}{\pi-2} cot(4π−2x)=π−22
∴ \therefore ∴ 柯西中值定理对题目所给函数的正确性得以验证
- 试证明对函数 y = p x 2 + q x + r y=px^2+qx+r y=px2+qx+r 应用拉格朗日中值定理时所求得的点 ξ \xi ξ 总是位于区间的正中间.
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证明:
设 [ a , b ] [a,b] [a,b] 为任意区间,由拉格朗日中值定理得,
∃ ξ ∈ ( a , b ) \exist \xi\in (a,b) ∃ξ∈(a,b),使得 f ′ ( ξ ) = f ( b ) − f ( a ) b − a f'(\xi)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a} f′(ξ)=b−af(b)−f(a)
∵ f ′ ( ξ ) = 2 p ξ + q \because f'(\xi)=2p\xi+q ∵f′(ξ)=2pξ+q 及 f ( b ) − f ( a ) b − a = p b 2 + q b + r − p a 2 − q a − r b − a = p ( a + b ) + q \frac{f(b)-f(a)}{b-a}=\frac{pb^2+qb+r-pa^2-qa-r}{b-a}=p(a+b)+q b−af(b)−f(a)=b−apb2+qb+r−pa2−qa−r=p(a+b)+q
∴ 2 p ξ + q = p ( a + b ) + q \therefore 2p\xi+q=p(a+b)+q ∴2pξ+q=p(a+b)+q
∴ ξ = a + b 2 \therefore \xi=\frac{a+b}{2} ∴ξ=2a+b
∴ ξ \therefore \xi ∴ξ 总是位于区间的正中间
- 不用求出函数 f ( x ) = ( x − 1 ) ( x − 2 ) ( x − 3 ) ( x − 4 ) f(x)=(x-1)(x-2)(x-3)(x-4) f(x)=(x−1)(x−2)(x−3)(x−4) 的导数,说明方程 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f′(x)=0 有几个实根,并指出它们所在的区间。
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证明:
∵ f ( 1 ) = f ( 2 ) = f ( 3 ) = f ( 4 ) = 0 \because f(1)=f(2)=f(3)=f(4)=0 ∵f(1)=f(2)=f(3)=f(4)=0
又 ∵ f ( x ) \because f(x) ∵f(x) 在区间 [ 1 , 2 ] [ 2 , 3 ] [ 3 , 4 ] [1,2][2,3][3,4] [1,2][2,3][3,4] 上连续,在区间 ( 1 , 2 ) ( 2 , 3 ) ( 3 , 4 ) (1,2)(2,3)(3,4) (1,2)(2,3)(3,4) 内可导
∴ \therefore ∴ 根据罗尔定理得,存在 ξ 1 ∈ ( 1 , 2 ) , ξ 2 ∈ ( 2 , 3 ) , ξ 3 ∈ ( 3 , 4 ) \xi_1\in(1,2),\xi_2\in(2,3),\xi_3\in(3,4) ξ1∈(1,2),ξ2∈(2,3),ξ3∈(3,4) 使得 f ′ ( ξ 1 ) = f ′ ( ξ 2 ) = f ′ ( ξ 3 ) = 0 f'(\xi_1)=f'(\xi_2)=f'(\xi_3)=0 f′(ξ1)=f′(ξ2)=f′(ξ3)=0
∵ f ′ ( x ) = 0 \because f'(x)=0 ∵f′(x)=0 是三次多项式,有三个实根
∴ ξ 1 , ξ 2 , ξ 3 \therefore \xi_1,\xi_2,\xi_3 ∴ξ1,ξ2,ξ3 是 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0 f′(x)=0 得三个实根,分别属于区间 ( 1 , 2 ) ( 2 , 3 ) ( 3 , 4 ) (1,2)(2,3)(3,4) (1,2)(2,3)(3,4).
- 证明恒等式 a r s s i n x + a r c c o s x = π 2 ( − 1 ≤ x ≤ 1 ) arssinx+arccosx=\frac{\pi}{2}(-1\leq x\leq 1) arssinx+arccosx=2π(−1≤x≤1).
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证明:
设 f ( x ) = a r c s i n x − a r c c o s x f(x)=arcsinx-arccosx f(x)=arcsinx−arccosx
∵ f ′ ( x ) = 1 1 − x 2 − 1 1 − x 2 = 0 \because f'(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}=0 ∵f′(x)=1−x21−1−x21=0
∴ f ( x ) \therefore f(x) ∴f(x) 在区间 ( − 1 , 1 ) (-1,1) (−1,1) 上是一个常数
∴ f ( 0 ) = a r c s i n 0 + a r c c o s 0 = 0 + π 2 = π 2 \therefore f(0)=arcsin0+arccos0=0+\frac{\pi}{2}=\frac{\pi}{2} ∴f(0)=arcsin0+arccos0=0+2π=2π
- 若方程 a 0 x n + a 1 x n − 1 + ⋯ + a n − 1 x = 0 a_0x^n+a_1x^{n-1}+\cdots + a_{n-1}x=0 a0xn+a1xn−1+⋯+an−1x=0 有一个正根 x = x 0 x=x_0 x=x0,证明方程 a 0 n x n − 1 + a 1 ( n − 1 ) x n − 2 + ⋯ + a n − 1 = 0 a_0nx^{n-1}+a_1(n-1)x^{n-2}+\cdots +a_{n-1}=0 a0nxn−1+a1(n−1)xn−2+⋯+an−1=0 必有一个小于 x 0 x_0 x0 的正根.
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证明:
令 f ( x ) = a 0 x n + a 1 x n − 1 + ⋯ + a n − 1 x f(x)=a_0x^n+a_1x^{n-1}+\cdots +a_{n-1}x f(x)=a0xn+a1xn−1+⋯+an−1x
f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f(0)=0 且 f ( x 0 ) = 0 f(x_0)=0 f(x0)=0
f ( x ) f(x) f(x) 在 [ 0 , x 0 ] [0,x_0] [0,x0] 上连续,在 ( 0 , x 0 ) (0,x_0) (0,x0) 内可导
由罗尔定理的,存在 ξ ∈ ( 0 , x 0 ) \xi \in (0,x_0) ξ∈(0,x0) 使得 f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi) = 0 f′(ξ)=0
∴ \therefore ∴ 题目得证.
- 若函数 f ( x ) f(x) f(x) 在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内具有二阶导数,且 f ( x 1 ) = f ( x 2 ) = f ( x 3 ) f(x_1)=f(x_2)=f(x_3) f(x1)=f(x2)=f(x3),其中 a < x 1 < x 2 < x 3 < b a<x_1<x_2<x_3<b a<x1<x2<x3<b,证明:在 ( x 1 , x 3 ) (x_1,x_3) (x1,x3) 内至少有一点 ξ \xi ξ,使得 f ′ ′ ( ξ ) = 0 f''(\xi)=0 f′′(ξ)=0.
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证明:
由题意得 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ x 1 , x 2 ] [x_1,x_2] [x1,x2] 及 [ x 2 , x 3 ] [x_2,x_3] [x2,x3] 上连续,在 ( x 1 , x 2 ) (x_1,x_2) (x1,x2) 及 ( x 2 , x 3 ) (x_2,x_3) (x2,x3) 内可导.
根据罗尔定理,存在 ξ 1 ∈ ( x 1 , x 2 ) \xi_1\in (x_1,x_2) ξ1∈(x1,x2) 及 ξ 2 ∈ ( x 2 , x 3 ) \xi_2\in(x_2,x_3) ξ2∈(x2,x3) 使得 f ′ ( ξ 1 ) = f ′ ( ξ 2 ) = 0 f'(\xi_1)=f'(\xi_2)=0 f′(ξ1)=f′(ξ2)=0
∵ f ′ ( x ) \because f'(x) ∵f′(x) 在 [ ξ 1 , ξ 2 ] [\xi_1,\xi_2] [ξ1,ξ2] 上连续,在 ( ξ 1 , ξ 2 ) (\xi_1,\xi_2) (ξ1,ξ2) 内可导
∴ \therefore ∴ 根据罗尔定理,存在 ξ ∈ ( ξ 1 , ξ 2 ) ⊂ ( x 1 , x 3 ) \xi\in(\xi_1,\xi_2)\subset (x_1,x_3) ξ∈(ξ1,ξ2)⊂(x1,x3) 使得 f ′ ′ ( ξ ) = 0 f''(\xi)=0 f′′(ξ)=0
∴ \therefore ∴ 题目得证.
- 设 a > b > 0 a>b>0 a>b>0, n > 1 n>1 n>1,证明: n b n − 1 ( a − b ) < a n − b n < n a n − 1 ( a − b ) nb^{n-1}(a-b)<a^n-b^n<na^{n-1}(a-b) nbn−1(a−b)<an−bn<nan−1(a−b).
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证明:
令 f ( x ) = x n f(x)=x^n f(x)=xn
∵ f ( x ) \because f(x) ∵f(x) 在区间 [ b , a ] [b,a] [b,a] 上连续,在区间 ( b , a ) (b,a) (b,a) 内可导
∴ \therefore ∴ 根据拉格朗日中值定理得, ∃ ξ ∈ ( b , a ) \exist \xi\in(b,a) ∃ξ∈(b,a),使得 f ′ ( ξ ) = f ( a ) − f ( b ) a − b f'(\xi)=\frac{f(a)-f(b)}{a-b} f′(ξ)=a−bf(a)−f(b)
∴ n ξ n − 1 = a n − b n a − b \therefore n\xi^{n-1}=\frac{a^n-b^n}{a-b} ∴nξn−1=a−ban−bn 即 ( a − b ) n ξ n − 1 = a n − b n (a-b)n\xi^{n-1}=a^n-b^n (a−b)nξn−1=an−bn
∵ b < ξ < a \because b<\xi<a ∵b<ξ<a
∴ n b n − 1 ( a − b ) < n ξ n − 1 ( a − b ) < n a n − 1 ( a − b ) \therefore nb^{n-1}(a-b)<n\xi^{n-1}(a-b)<na^{n-1}(a-b) ∴nbn−1(a−b)<nξn−1(a−b)<nan−1(a−b)
∴ n b n − 1 ( a − b ) < a n − b n < n a n − 1 ( a − b ) \therefore nb^{n-1}(a-b)<a^n-b^n<na^{n-1}(a-b) ∴nbn−1(a−b)<an−bn<nan−1(a−b)
- 设 a > b > 0 a>b>0 a>b>0 ,证明: a − b a < l n a b < a − b b \frac{a-b}{a}<ln\frac{a}{b}<\frac{a-b}{b} aa−b<lnba<ba−b.
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证明:
令 f ( x ) = l n x f(x)=lnx f(x)=lnx
∵ f ( x ) \because f(x) ∵f(x) 在区间 [ b , a ] [b,a] [b,a] 上连续,在区间 ( b , a ) (b,a) (b,a) 内可导
∴ \therefore ∴ 根据拉格朗日中值定理得, ∃ ξ ∈ ( b , a ) \exist \xi \in(b, a) ∃ξ∈(b,a),使得 f ′ ( ξ ) = f ( a ) − f ( b ) a − b f'(\xi)=\frac{f(a)-f(b)}{a-b} f′(ξ)=a−bf(a)−f(b)
∴ 1 ξ = l n a − l n b a − b \therefore \frac{1}{\xi}=\frac{lna-lnb}{a-b} ∴ξ1=a−blna−lnb
∵ b < ξ < a \because b<\xi<a ∵b<ξ<a
∴ 1 a < 1 ξ < 1 b \therefore \frac{1}{a}<\frac{1}{\xi}<\frac{1}{b} ∴a1<ξ1<b1
∴ 1 a < l n a − l n b a − b < 1 b \therefore \frac{1}{a}<\frac{lna-lnb}{a-b}<\frac{1}{b} ∴a1<a−blna−lnb<b1
∴ a − b a < l n a b < 1 b \therefore \frac{a-b}{a}<ln\frac{a}{b}<\frac{1}{b} ∴aa−b<lnba<b1
- 证明下列不等式:
(1) ∣ a r c t a n a − a r c t a n b ∣ ≤ ∣ a − b ∣ |arctana-arctanb|\leq |a-b| ∣arctana−arctanb∣≤∣a−b∣
(2) 当 x > 1 x>1 x>1 时, e x > e ⋅ x e^x>e\cdot x ex>e⋅x
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证明:
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(1)
令 f ( x ) = a r c t a n x f(x)=arctanx f(x)=arctanx
根据拉格朗日中值定理, ∃ ξ ∈ ( a , b ) \exist \xi \in (a,b) ∃ξ∈(a,b),使得 f ′ ( ξ ) = f ( b ) − f ( a ) b − a f'(\xi)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a} f′(ξ)=b−af(b)−f(a)
即 1 1 + ξ 2 = a r c t a n b − a r c t a n a b − a \frac{1}{1+\xi^2}=\frac{arctanb-arctana}{b-a} 1+ξ21=b−aarctanb−arctana
∴ ∣ b − a 1 + ξ 2 ∣ = ∣ a r c t a n b − a r c t a n a ∣ \therefore \begin{vmatrix}\frac{b-a}{1+\xi^2}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}arctanb-arctana\end{vmatrix} ∴ 1+ξ2b−a = arctanb−arctana
∵ 1 + ξ 2 ≥ 1 \because 1+\xi^2\geq 1 ∵1+ξ2≥1
∴ ∣ b − a 1 + ξ 2 ∣ ≥ ∣ b − a ∣ \therefore \begin{vmatrix}\frac{b-a}{1+\xi^2}\end{vmatrix}\geq \begin{vmatrix}b-a\end{vmatrix} ∴ 1+ξ2b−a ≥ b−a
∴ ∣ a r c t a n a − a r c t a n b ∣ ≤ ∣ a − b ∣ \therefore \begin{vmatrix}arctana-arctanb\end{vmatrix}\leq \begin{vmatrix}a-b\end{vmatrix} ∴ arctana−arctanb ≤ a−b
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(2)
令 f ( x ) = e x f(x)=e^x f(x)=ex
根据拉格朗日中值定理, ∃ ξ ∈ ( 1 , x ) \exist \xi\in(1,x) ∃ξ∈(1,x),使得 f ′ ( ξ ) = f ( x ) − f ( 1 ) x − 1 f'(\xi)=\frac{f(x)-f(1)}{x-1} f′(ξ)=x−1f(x)−f(1)
即 e ξ = e x − e x − 1 e^\xi=\frac{e^x-e}{x-1} eξ=x−1ex−e
∴ ( x − 1 ) e ξ = e x − e \therefore (x-1)e^\xi=e^x-e ∴(x−1)eξ=ex−e
∵ ξ > 1 \because \xi>1 ∵ξ>1
∴ ( x − 1 ) e ξ > ( x − 1 ) e \therefore (x-1)e^\xi>(x-1)e ∴(x−1)eξ>(x−1)e
∴ e x − e > e ⋅ x − e \therefore e^x-e>e\cdot x-e ∴ex−e>e⋅x−e
∴ e x > e ⋅ x \therefore e^x>e\cdot x ∴ex>e⋅x
- 证明方程 x 5 + x − 1 = 0 x^5+x-1=0 x5+x−1=0 只有一个正根.
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证明:
令 f ( x ) = x 5 + x − 1 f(x)=x^5+x-1 f(x)=x5+x−1
假设 x 5 + x − 1 = 0 x^5+x-1=0 x5+x−1=0 的正根数量大于1.
∴ ∃ x 1 > x 2 > 0 \therefore \exist x_1>x_2>0 ∴∃x1>x2>0 是其中两个正根
∵ f ( x ) \because f(x) ∵f(x) 在 [ x 2 , x 1 ] [x_2,x_1] [x2,x1] 上连续,在 ( x 2 , x 1 ) (x_2,x_1) (x2,x1) 内可导
∴ \therefore ∴ 根据罗尔定理, ∃ ξ ∈ ( x 2 , x 1 ) \exist \xi\in (x_2,x_1) ∃ξ∈(x2,x1) 使得 f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi)=0 f′(ξ)=0
但是 f ′ ( x ) = 5 x 4 + 1 > 0 f'(x)=5x^4+1>0 f′(x)=5x4+1>0,与 f ′ ( ξ ) = 0 f'(\xi)=0 f′(ξ)=0 矛盾,假设不成立.
∴ f ( x ) = 0 \therefore f(x)=0 ∴f(x)=0 最多有一个正根
∵ f ( 0 ) = − 1 , f ( 1 ) = 1 \because f(0)=-1, f(1)=1 ∵f(0)=−1,f(1)=1
∴ ∃ ξ 1 ∈ ( 0 , 1 ) \therefore \exist \xi_1\in(0,1) ∴∃ξ1∈(0,1) 使得 f ( ξ 1 ) = 0 f(\xi_1)=0 f(ξ1)=0
- 设 f ( x ) f(x) f(x)、 g ( x ) g(x) g(x) 在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续,在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导,证明在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内有一点 ξ \xi ξ,使 ∣ f ( a ) f ( b ) g ( a ) g ( b ) ∣ = ( b − a ) ∣ f ( a ) f ′ ( ξ ) g ( a ) g ′ ( ξ ) ∣ \begin{vmatrix}f(a)& f(b)\\g(a) & g(b)\end{vmatrix}=(b-a)\begin{vmatrix}f(a) & f'(\xi)\\g(a) & g'(\xi)\end{vmatrix} f(a)g(a)f(b)g(b) =(b−a) f(a)g(a)f′(ξ)g′(ξ) .
-
证明:
令 F ( x ) = ∣ f ( a ) f ( x ) g ( a ) g ( x ) ∣ = f ( a ) g ( x ) − f ( x ) g ( a ) F(x)=\begin{vmatrix}f(a) & f(x)\\ g(a) & g(x)\end{vmatrix}=f(a)g(x)-f(x)g(a) F(x)= f(a)g(a)f(x)g(x) =f(a)g(x)−f(x)g(a)
则 F ′ ( x ) = f ( a ) g ′ ( x ) − g ( a ) f ′ ( x ) = ∣ f ( a ) f ′ ( x ) g ( a ) g ′ ( x ) ∣ F'(x)=f(a)g'(x)-g(a)f'(x)=\begin{vmatrix}f(a)&f'(x)\\g(a)&g'(x)\end{vmatrix} F′(x)=f(a)g′(x)−g(a)f′(x)= f(a)g(a)f′(x)g′(x)
∵ f ( x ) , g ( x ) \because f(x),g(x) ∵f(x),g(x) 在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续,在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导
∴ F ( x ) \therefore F(x) ∴F(x) 在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上连续,在 ( a , b ) (a,b) (a,b) 内可导
根据拉格朗日中值定理, ∃ ξ ∈ ( a , b ) \exist \xi\in(a,b) ∃ξ∈(a,b),使得 F ′ ( ξ ) = F ( b ) − F ( a ) b − a F'(\xi)=\frac{F(b)-F(a)}{b-a} F′(ξ)=b−aF(b)−F(a)
∴ \therefore ∴ ∣ f ( a ) f ( b ) g ( a ) g ( b ) ∣ = ( b − a ) ∣ f ( a ) f ′ ( ξ ) g ( a ) g ′ ( ξ ) ∣ \begin{vmatrix}f(a)& f(b)\\g(a) & g(b)\end{vmatrix}=(b-a)\begin{vmatrix}f(a) & f'(\xi)\\g(a) & g'(\xi)\end{vmatrix} f(a)g(a)f(b)g(b) =(b−a) f(a)g(a)f′(ξ)g′(ξ) .
- 证明:若函数 f ( x ) f(x) f(x) 在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty, +\infty) (−∞,+∞) 内满足关系式 f ′ ( x ) = f ( x ) f'(x)=f(x) f′(x)=f(x),且 f ( 0 ) = 1 f(0)=1 f(0)=1,则 f ( x ) = e x f(x)=e^x f(x)=ex.
-
证明:
令 F ( x ) = f ( x ) e x F(x)=\frac{f(x)}{e^x} F(x)=exf(x)
则 F ′ ( x ) = f ′ ( x ) e x − f ( x ) e x e 2 x = f ′ ( x ) − f ( x ) e x = 0 F'(x)=\frac{f'(x)e^x-f(x)ex}{e^{2x}}=\frac{f'(x)-f(x)}{e^x}=0 F′(x)=e2xf′(x)ex−f(x)ex=exf′(x)−f(x)=0
∴ F ( x ) \therefore F(x) ∴F(x) 为常数
取 x = 0 x=0 x=0,得 F ( 0 ) = f ( 0 ) e 0 = 1 F(0)=\frac{f(0)}{e^0}=1 F(0)=e0f(0)=1
∴ F ( x ) \therefore F(x) ∴F(x) 恒等于1
∴ f ( x ) = e x \therefore f(x)=e^x ∴f(x)=ex
- 设函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x) 在 x = 0 x=0 x=0 的某邻域内具有 n n n 阶导数,且 f ( 0 ) = f ′ ( 0 ) = ⋯ = f ( n − 1 ) ( 0 ) = 0 f(0)=f'(0)=\cdots =f^{(n-1)}(0)=0 f(0)=f′(0)=⋯=f(n−1)(0)=0,试用柯西中值定理证明: f ( x ) x n = f ( n ) ( θ x ) n ! ( 0 < θ < 1 ) \frac{f(x)}{x^n}=\frac{f^{(n)}(\theta x)}{n!}(0<\theta <1) xnf(x)=n!f(n)(θx)(0<θ<1).
-
证明:
∵ y = f ( x ) \because y=f(x) ∵y=f(x) 及 x n x^n xn 在 x = 0 x=0 x=0 的某邻域内具有 n n n 阶导数
∴ \therefore ∴ 由柯西中值定理可得, ∃ ξ 1 ∈ ( 0 , x ) \exist \xi_1\in(0,x) ∃ξ1∈(0,x) 使得 f ( x ) − f ( 0 ) x n − 0 n = f ( x ) x n = f ′ ( ξ 1 ) n ξ 1 n − 1 \frac{f(x)-f(0)}{x^n-0^n}=\frac{f(x)}{x^n}=\frac{f'(\xi_1)}{n\xi_1^{n-1}} xn−0nf(x)−f(0)=xnf(x)=nξ1n−1f′(ξ1)
∵ f ′ ( x ) \because f'(x) ∵f′(x) 及 n x n − 1 nx^{n-1} nxn−1 满足柯西中值定理得前提条件
∴ ∃ ξ 2 ∈ ( 0 , ξ 1 ) \therefore \exist \xi_2\in(0, \xi_1) ∴∃ξ2∈(0,ξ1),使得 f ′ ( ξ 1 ) − f ′ ( 0 ) n ξ 1 n − 1 − n 0 n − 1 = f ′ ( ξ 1 ) n ξ 1 n − 1 = f ′ ′ ( ξ 2 ) n ( n − 1 ) ξ 2 n − 2 \frac{f'(\xi_1)-f'(0)}{n\xi_1^{n-1}-n0^{n-1}}=\frac{f'(\xi_1)}{n\xi_1^{n-1}}=\frac{f''(\xi_2)}{n(n-1)\xi_2^{n-2}} nξ1n−1−n0n−1f′(ξ1)−f′(0)=nξ1n−1f′(ξ1)=n(n−1)ξ2n−2f′′(ξ2)
⋯ \cdots ⋯
∴ ∃ ξ n ∈ ( 0 , ξ n − 1 ) \therefore \exist \xi_{n}\in(0,\xi_{n-1}) ∴∃ξn∈(0,ξn−1),使得 f ( n − 1 ) ( ξ n − 1 ) − f ( n − 1 ) ( 0 ) n ! ξ n − 1 − n ! 0 = f ( n − 1 ) ( ξ n − 1 ) n ! ξ n − 1 = f ( n ) ( ξ n ) n ! \frac{f^{(n-1)}(\xi_{n-1})-f^{(n-1)}(0)}{n!\xi_{n-1}-n!0}=\frac{f^{(n-1)}(\xi_{n-1})}{n!\xi_{n-1}}=\frac{f^{(n)}(\xi_n)}{n!} n!ξn−1−n!0f(n−1)(ξn−1)−f(n−1)(0)=n!ξn−1f(n−1)(ξn−1)=n!f(n)(ξn)
∴ f ( x ) x n = f ( n ) ( ξ n ) n ! \therefore \frac{f(x)}{x^n}=\frac{f^{(n)}(\xi_n)}{n!} ∴xnf(x)=n!f(n)(ξn)
∵ ξ n ∈ ( 0 , ξ n − 1 ) ⊂ ( 0 , x ) \because \xi_n\in(0,\xi_{n-1})\subset(0,x) ∵ξn∈(0,ξn−1)⊂(0,x)
∴ ∃ θ ∈ ( 0 , 1 ) \therefore \exist \theta\in(0,1) ∴∃θ∈(0,1) 使得 ξ n = θ x \xi_n=\theta x ξn=θx
∴ f ( x ) x n = f ( n ) ( θ x ) n ! ( 0 < θ < 1 ) \therefore \frac{f(x)}{x^n}=\frac{f^{(n)}(\theta x)}{n!}(0<\theta <1) ∴xnf(x)=n!f(n)(θx)(0<θ<1)
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1.《高等数学(第六版)》 ,同济大学数学系 编
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