高数强化NO27|辅助函数的构造|双中值问题|泰勒中值问题|零点问题

辅助函数的构造

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证:(1) 用反证法. 假设∃c∈(a,b)满足g(c)=0.则由罗尔定理可得,∃ξ1∈(a,c), ξ2∈(c,b)使得g′(ξ1)=g′(ξ2)=0再由罗尔定理可得:∃ξ∈(ξ1,ξ2),使得g′′(ξ)=0.与条件相矛盾.故在(a,b)内g(x)≠0. \begin{aligned} &\text{证:(1) 用反证法. 假设} \exists c \in (a,b) \text{满足} g(c) = 0. \\ &\quad \text{则由罗尔定理可得,} \exists \xi_1 \in (a,c),\ \xi_2 \in (c,b) \text{使得} g'(\xi_1) = g'(\xi_2) = 0 \\ &\quad \text{再由罗尔定理可得:} \exists \xi \in (\xi_1,\xi_2), \text{使得} g''(\xi) = 0. \text{与条件相矛盾.} \\ \\ &\quad \text{故在} (a,b) \text{内} g(x) \neq 0. \end{aligned} 证:(1) 用反证法假设c(a,b)满足g(c)=0.则由罗尔定理可得,ξ1(a,c), ξ2(c,b)使得g(ξ1)=g(ξ2)=0再由罗尔定理可得:ξ(ξ1,ξ2),使得g′′(ξ)=0.与条件相矛盾.故在(a,b)g(x)=0.
分析:f(ξ)g′′(ξ)−f′′(ξ)g(ξ)=0f(x)g′′(x)+f′(x)g′(x)−(f′(x)g′(x)+f′′(x)g(x)) \begin{aligned} &\text{分析:} f(\xi)g''(\xi) - f''(\xi)g(\xi) = 0 \\ \\ &f(x)g''(x) + f'(x)g'(x) -( f'(x)g'(x) + f''(x)g(x)) \end{aligned} 分析:f(ξ)g′′(ξ)f′′(ξ)g(ξ)=0f(x)g′′(x)+f(x)g(x)(f(x)g(x)+f′′(x)g(x))
(2)设F(x)=f(x)g′(x)−f′(x)g(x), F(a)=F(b)=0∃ξ∈(a,b),满足F′(ξ)=0,即f(ξ)g′′(ξ)−f′′(ξ)g(ξ)=0,整理后可得f(ξ)g(ξ)=f′′(ξ)g′′(ξ). \begin{aligned} &(2) \text{设} F(x) = f(x)g'(x) - f'(x)g(x),\ F(a) = F(b) = 0 \\ &\quad \exists \xi \in (a,b), \text{满足} F'(\xi) = 0, \text{即} \\ &\quad f(\xi)g''(\xi) - f''(\xi)g(\xi) = 0, \text{整理后可得} \frac{f(\xi)}{g(\xi)} = \frac{f''(\xi)}{g''(\xi)}. \end{aligned} (2)F(x)=f(x)g(x)f(x)g(x), F(a)=F(b)=0ξ(a,b),满足F(ξ)=0,f(ξ)g′′(ξ)f′′(ξ)g(ξ)=0,整理后可得g(ξ)f(ξ)=g′′(ξ)f′′(ξ).
【小结】常见的构造辅助函数的方法有如下三种:1.直接积分法:先移项把结论整理成F′(ξ)=0,此时左端即为F′(ξ),可以得到F′(x),再积分求出一个原函数即可以得到辅助函数F(x);2.结论是两部分相加,考虑凑导数公式(uv)′=u′v+uv′;3.形如f(n)(ξ)+p(ξ)f(n−1)(ξ)=0辅助函数的构造方法:两边同除f(n−1)(ξ),得到f(n)(ξ)f(n−1)(ξ)+p(ξ)=0再积分即可得到F(x)=e∫p(x)dxf(n−1)(x)。还应注意,积分求辅助函数的时候,要会灵活运用分部积分等积分技巧. \begin{aligned} &\text{【小结】常见的构造辅助函数的方法有如下三种:} \\ \\ &1.\text{直接积分法:先移项把结论整理成} F'(\xi)=0,\text{此时左端即为} F'(\xi),\text{可以得到} F'(x), \\ &\text{再积分求出一个原函数即可以得到辅助函数} F(x); \\ \\ &2.\text{结论是两部分相加,考虑凑导数公式} (uv)'=u'v+uv'; \\ \\ &3.\text{形如} f^{(n)}(\xi)+p(\xi)f^{(n-1)}(\xi)=0 \text{辅助函数的构造方法:两边同除} f^{(n-1)}(\xi),\text{得到} \\ &\quad \frac{f^{(n)}(\xi)}{f^{(n-1)}(\xi)} + p(\xi)=0 \text{再积分即可得到} F(x)=e^{\int p(x)dx}f^{(n-1)}(x)。 \\ \\ &\text{还应注意,积分求辅助函数的时候,要会灵活运用分部积分等积分技巧.} \end{aligned} 【小结】常见的构造辅助函数的方法有如下三种:1.直接积分法:先移项把结论整理成F(ξ)=0此时左端即为F(ξ)可以得到F(x)再积分求出一个原函数即可以得到辅助函数F(x)2.结论是两部分相加,考虑凑导数公式(uv)=uv+uv3.形如f(n)(ξ)+p(ξ)f(n1)(ξ)=0辅助函数的构造方法:两边同除f(n1)(ξ)得到f(n1)(ξ)f(n)(ξ)+p(ξ)=0再积分即可得到F(x)=ep(x)dxf(n1)(x)还应注意,积分求辅助函数的时候,要会灵活运用分部积分等积分技巧.
辅助函数的构造数值型:f′(ξ)+f(ξ)=0.f′(x)+f(x)=0, exf′(x)+exf(x)=0, F(x)=exf(x)f′(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0.e∫g(x)dxf′(x)+(e∫g(x)dx)′f(x)=0, F(x)=e∫g(x)dxf(x) \begin{aligned} &\text{辅助函数的构造} \\ \\ &\text{数值型:} \\ &f'(\xi) + f(\xi) = 0. \quad f'(x) + f(x) = 0,\ e^x f'(x) + e^x f(x) = 0,\ F(x) = e^x f(x) \\ \\ &f'(\xi) + g(\xi)f(\xi) = 0. \quad e^{\int g(x)dx} f'(x) + \left(e^{\int g(x)dx}\right)' f(x) = 0,\ F(x) = e^{\int g(x)dx} f(x) \end{aligned} 辅助函数的构造数值型:f(ξ)+f(ξ)=0.f(x)+f(x)=0, exf(x)+exf(x)=0, F(x)=exf(x)f(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0.eg(x)dxf(x)+(eg(x)dx)f(x)=0, F(x)=eg(x)dxf(x)
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证:(1) 令F(x)=f(x)−x, F(1)=0, F(0)=f(0)−0=0,则由罗尔定理可知:∃ξ∈(0,1)使得f′(ξ)=1 \begin{aligned} &\text{证:(1) 令} F(x) = f(x) - x,\ F(1) = 0,\ F(0) = f(0) - 0 = 0, \\ &\quad \text{则由罗尔定理可知:} \exists \xi \in (0,1) \text{使得} f'(\xi) = 1 \end{aligned} 证:(1) F(x)=f(x)x, F(1)=0, F(0)=f(0)0=0,则由罗尔定理可知:ξ(0,1)使得f(ξ)=1
(2)令F(x)=ex(f′(x)−1)F(ξ)=0, f(x)为奇函数,f′(x)为偶函数f′(−ξ)=1, F(−ξ)=0,∃η∈(−ξ,ξ)⊂(−1,1),使得F′(η)=0整理后可得f′′(η)+f′(η)=1, ∃η∈(−1,1). \begin{aligned} &(2) \text{令} F(x) = e^x \left(f'(x) - 1\right) \\ &\quad F(\xi) = 0,\ f(x) \text{为奇函数,} f'(x) \text{为偶函数} \\ &\quad f'(-\xi) = 1,\ F(-\xi) = 0, \\ &\quad \exists \eta \in (-\xi,\xi) \subset (-1,1), \text{使得} F'(\eta) = 0 \\ &\quad \text{整理后可得} f''(\eta) + f'(\eta) = 1,\ \exists \eta \in (-1,1). \end{aligned} (2)F(x)=ex(f(x)1)F(ξ)=0, f(x)为奇函数,f(x)为偶函数f(ξ)=1, F(ξ)=0,η(ξ,ξ)(1,1),使得F(η)=0整理后可得f′′(η)+f(η)=1, η(1,1).
【小结】u⋅v型的辅助函数常用的构造技巧:(1) ξf′+f→F=xf;(2) f′+λf→F=eλxf;(3) f⋅f′→F=f2。 \begin{aligned} &\text{【小结】} u \cdot v \text{型的辅助函数常用的构造技巧:} \\ \\ &(1) \ \xi f' + f \to F = xf; \\ \\ &(2) \ f' + \lambda f \to F = e^{\lambda x}f; \\ \\ &(3) \ f \cdot f' \to F = f^2。 \end{aligned} 【小结】uv型的辅助函数常用的构造技巧:(1) ξf+fF=xf(2) f+λfF=eλxf(3) ffF=f2
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分析:f′(x)=(1−1x)f(x)f′(x)+(1x−1)f(x)=0F(x)=e∫(1x−1)dxf(x)=xe−x+Cf(x) (C∈R)令C=1,与题中函数类似 \begin{aligned} &\text{分析:} \\ &f'(x) = \left(1-\frac{1}{x}\right)f(x) \\ &f'(x) + \left(\frac{1}{x}-1\right)f(x) = 0 \\ \\ &F(x) = e^{\int \left(\frac{1}{x}-1\right)dx} f(x) \\ &\quad = x e^{-x + C} f(x) \ (C \in \mathbb{R}) \\ \\ &\text{令} C=1, \text{与题中函数类似} \end{aligned} 分析:f(x)=(1x1)f(x)f(x)+(x11)f(x)=0F(x)=e(x11)dxf(x)=xex+Cf(x) (CR)C=1,与题中函数类似
解:令F(x)=xe1−xf(x), F(1)=f(1)由积分中值定理可知,F(η)=k⋅1k⋅ηe1−ηf(η)=f(1)=F(1)由罗尔定理可知,∃ξ∈(η,1)⊂(0,1)使得F′(η)=0,即f′(ξ)=(1−1ξ)f(ξ) \begin{aligned} &\text{解:令} F(x) = x e^{1-x} f(x),\ F(1) = f(1) \\ &\quad \text{由积分中值定理可知,} \\ &F(\eta) = k \cdot \frac{1}{k} \cdot \eta e^{1-\eta} f(\eta) = f(1) = F(1) \\ \\ &\text{由罗尔定理可知,} \exists \xi \in (\eta,1) \subset (0,1) \text{使得} \\ &F'(\eta) = 0, \text{即} f'(\xi) = \left(1-\frac{1}{\xi}\right)f(\xi) \end{aligned} 解:令F(x)=xe1xf(x), F(1)=f(1)由积分中值定理可知,F(η)=kk1ηe1ηf(η)=f(1)=F(1)由罗尔定理可知,ξ(η,1)(0,1)使得F(η)=0,f(ξ)=(1ξ1)f(ξ)
【小结】积分的区间长度和前面乘的系数如果是1,这个时候被积函数直接取为辅助函数。 \begin{aligned} &\text{【小结】积分的区间长度和前面乘的系数如果是1,这个时候被积函数直接取为辅助函} \\ &\text{数。} \end{aligned} 【小结】积分的区间长度和前面乘的系数如果是1,这个时候被积函数直接取为辅助函数。
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分析f(ξ)=(2−ξ)f′(ξ)f(ξ)+(ξ−2)f′(ξ)=0f′(x)+1x−2f(x)=0F(x)=e∫1x−2dxf(x)=eln⁡∣x−2∣f(x)=(x−2)f(x) \begin{aligned} &分析\\&f(\xi) = (2-\xi)f'(\xi) \\ &f(\xi) + (\xi-2)f'(\xi) = 0 \\ &f'(x) + \frac{1}{x-2}f(x) = 0 \\ \\ &F(x) = e^{\int \frac{1}{x-2}dx} f(x) \\ &\quad = e^{\ln|x-2|} f(x) \\ &\quad = (x-2)f(x) \end{aligned} 分析f(ξ)=(2ξ)f(ξ)f(ξ)+(ξ2)f(ξ)=0f(x)+x21f(x)=0F(x)=ex21dxf(x)=elnx2∣f(x)=(x2)f(x)
证:(1) 设F(x)=(x−2)f(x). F(1)=F(2)=0故由罗尔定理可知,∃ξ∈(1,2)使得F′(ξ)=0即f(ξ)=(2−ξ)eξ2 \begin{aligned} &\text{证:(1) 设} F(x) = (x-2)f(x).\ F(1) = F(2) = 0 \\ &\quad \text{故由罗尔定理可知,} \exists \xi \in (1,2) \text{使得} F'(\xi) = 0 \\ &\quad \text{即} f(\xi) = (2-\xi)e^{\xi^2} \end{aligned} 证:(1) F(x)=(x2)f(x). F(1)=F(2)=0故由罗尔定理可知,ξ(1,2)使得F(ξ)=0f(ξ)=(2ξ)eξ2
分析f(2)η−ln⁡2⋅eη2=0f(2)x−ln⁡2⋅ex2=0f(2)x−ln⁡2⋅f′(x)=0(f(2)ln⁡x−ln⁡2⋅f(x))′ \begin{aligned} &分析\\&\frac{f(2)}{\eta} - \ln 2 \cdot e^{\eta^2} = 0 \quad \frac{f(2)}{x} - \ln 2 \cdot e^{x^2} = 0 \\ &\frac{f(2)}{x} - \ln 2 \cdot f'(x) = 0 \\ &\left(f(2)\ln x - \ln 2 \cdot f(x)\right)' \end{aligned} 分析ηf(2)ln2eη2=0xf(2)ln2ex2=0xf(2)ln2f(x)=0(f(2)lnxln2f(x))
(2)G(x)=f(x)ln⁡x−ln⁡2⋅f(x),G(1)=0, G(2)=0,故由罗尔定理可知,∃η∈(1,2)使得G′(η)=0,即f(η)=ln⁡2⋅ηeη2 \begin{aligned} &(2) G(x) = f(x)\ln x - \ln 2 \cdot f(x), \\ &\quad G(1) = 0,\ G(2) = 0, \\ &\quad \text{故由罗尔定理可知,} \exists \eta \in (1,2) \text{使得} G'(\eta) = 0, \text{即} f(\eta) = \ln 2 \cdot \eta e^{\eta^2} \end{aligned} (2)G(x)=f(x)lnxln2f(x),G(1)=0, G(2)=0,故由罗尔定理可知,η(1,2)使得G(η)=0,f(η)=ln2ηeη2
【小结】运用柯西中值定理,一定要有两个函数,两个点,一个中值。如果题目中没有直接给出两个点,可以根据条件判断是否有隐含的点。 \begin{aligned} &\text{【小结】运用柯西中值定理,一定要有两个函数,两个点,一个中值。如果题目中没有} \\ &\text{直接给出两个点,可以根据条件判断是否有隐含的点。} \end{aligned} 【小结】运用柯西中值定理,一定要有两个函数,两个点,一个中值。如果题目中没有直接给出两个点,可以根据条件判断是否有隐含的点。

双中值问题

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证:(1) 令F(x)=f(x)+x−1, F(x)在[0,1]上连续.F(0)=−1<0, F(1)=1>0,故由零点定理可知,∃ξ∈(0,1),使得f(ξ)=1−ξ. \begin{aligned} &\text{证:(1) 令} F(x) = f(x) + x - 1,\ F(x) \text{在} [0,1] \text{上连续}. \\ &F(0) = -1 < 0,\ F(1) = 1 > 0, \\ &\text{故由零点定理可知,} \exists \xi \in (0,1), \text{使得} f(\xi) = 1 - \xi. \end{aligned} 证:(1) F(x)=f(x)+x1, F(x)[0,1]上连续.F(0)=1<0, F(1)=1>0,故由零点定理可知,ξ(0,1),使得f(ξ)=1ξ.
(2)由拉格朗日中值定理可知:∃η∈(0,ξ), f(ξ)−f(0)ξ−0=f′(η),即1−ξξ=f′(η)∃ζ∈(ξ,1), f(1)−f(ξ)1−ξ=f′(ζ),即1−(1−ξ)1−ξ=f′(ζ)故f′(η)f′(ζ)=1 \begin{aligned} &(2) \text{由拉格朗日中值定理可知:} \\ &\exists \eta \in (0,\xi),\ \frac{f(\xi)-f(0)}{\xi - 0} = f'(\eta), \text{即} \frac{1-\xi}{\xi} = f'(\eta) \\ &\exists \zeta \in (\xi,1),\ \frac{f(1)-f(\xi)}{1 - \xi} = f'(\zeta), \text{即} \frac{1-(1-\xi)}{1-\xi} = f'(\zeta) \\ \\ &\text{故} f'(\eta) f'(\zeta) = 1 \end{aligned} (2)由拉格朗日中值定理可知:η(0,ξ), ξ0f(ξ)f(0)=f(η),ξ1ξ=f(η)ζ(ξ,1), 1ξf(1)f(ξ)=f(ζ),1ξ1(1ξ)=f(ζ)f(η)f(ζ)=1
【小结】1.当ξ,η具有轮换对称性或题目中明确要求ξ,η互不相同时一般使用拉格朗日中值定理。2.具体解题步骤是:(1)寻找一点c,将区间[a,b]分成两个小区间[a,c]和[c,b];(此步为做题的关键);(2)分别在每个区间上使用拉格朗日中值定理;(3)合并两式. \begin{aligned} &\text{【小结】}1.\text{当} \xi,\eta \text{具有轮换对称性或题目中明确要求} \xi,\eta \text{互不相同时一般使用拉格朗日} \\ &\text{中值定理。} \\ \\ &2.\text{具体解题步骤是:(1)寻找一点} c \text{,将区间} [a,b] \text{分成两个小区间} [a,c] \text{和} [c,b];(\text{此} \\ &\text{步为做题的关键);(2)分别在每个区间上使用拉格朗日中值定理;(3)合并两式.} \end{aligned} 【小结】1.ξ,η具有轮换对称性或题目中明确要求ξ,η互不相同时一般使用拉格朗日中值定理。2.具体解题步骤是:(1)寻找一点c,将区间[a,b]分成两个小区间[a,c][c,b];(步为做题的关键);(2)分别在每个区间上使用拉格朗日中值定理;(3)合并两式.
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证:令g1(x)=x, g2(x)=ex则将g1(x)与f(x)在[a,b]上用柯西中值定理:∃ξ∈(a,b), f(b)−f(a)g1(b)−g1(a)=f′(ξ)g1′(ξ),即f(b)−f(a)b−a=f′(ξ)1①再将g2(x)与f(x)在[a,b]上用柯西中值定理:∃η∈(a,b), f(b)−f(a)g2(b)−g2(a)=f′(η)g2′(η),即f(b)−f(a)eb−ea=f′(η)eη②①②相比得:f′(ξ)f′(η)=eb−eab−a⋅e−η \begin{aligned} &\text{证:令} g_1(x) = x,\ g_2(x) = e^x \\ \\ &\text{则将} g_1(x) \text{与} f(x) \text{在} [a,b] \text{上用柯西中值定理:} \\ &\exists \xi \in (a,b),\ \frac{f(b)-f(a)}{g_1(b)-g_1(a)} = \frac{f'(\xi)}{g_1'(\xi)}, \text{即} \frac{f(b)-f(a)}{b-a} = \frac{f'(\xi)}{1} \quad ① \\ \\ &\text{再将} g_2(x) \text{与} f(x) \text{在} [a,b] \text{上用柯西中值定理:} \\ &\exists \eta \in (a,b),\ \frac{f(b)-f(a)}{g_2(b)-g_2(a)} = \frac{f'(\eta)}{g_2'(\eta)}, \text{即} \frac{f(b)-f(a)}{e^b - e^a} = \frac{f'(\eta)}{e^\eta} \quad ② \\ \\ &①② \text{相比得:} \frac{f'(\xi)}{f'(\eta)} = \frac{e^b - e^a}{b-a} \cdot e^{-\eta} \end{aligned} 证:令g1(x)=x, g2(x)=ex则将g1(x)f(x)[a,b]上用柯西中值定理:ξ(a,b), g1(b)g1(a)f(b)f(a)=g1(ξ)f(ξ),baf(b)f(a)=1f(ξ)再将g2(x)f(x)[a,b]上用柯西中值定理:η(a,b), g2(b)g2(a)f(b)f(a)=g2(η)f(η),ebeaf(b)f(a)=eηf(η)①②相比得:f(η)f(ξ)=baebeaeη
【小结】1.当ξ,η不具有轮换对称性,题目中也未要求ξ,η互不相同时使用柯西中值定理,证明思路如下:(1)寻找两个函数g1(x),g2(x);(2)g1(x),g2(x)分别和f(x)搭配使用柯西中值定理:f(b)−f(a)g1(b)−g1(a)=f′(ξ)g1′(ξ),f(b)−f(a)g2(b)−g2(a)=f′(η)g2′(η);(3)合并上述两式。2、函数g1(x),g2(x)的构造,基本思路如下:(1)把结论中ξ有关的放一起,η有关的放一起,即整理成f′(ξ)g1′(ξ),f′(η)g2′(η)形式;(2)从中读出g1′(ξ),g2′(η)进而得出两个辅助函数g1(x),g2(x)。 \begin{aligned} &\text{【小结】}1.\text{当} \xi,\eta \text{不具有轮换对称性,题目中也未要求} \xi,\eta \text{互不相同时使用柯西中值定} \\ &\text{理,证明思路如下:(1)寻找两个函数} g_1(x),g_2(x);(2)g_1(x),g_2(x) \text{分别和} f(x) \\ &\text{搭配使用柯西中值定理:} \frac{f(b)-f(a)}{g_1(b)-g_1(a)} = \frac{f'(\xi)}{g_1'(\xi)}, \frac{f(b)-f(a)}{g_2(b)-g_2(a)} = \frac{f'(\eta)}{g_2'(\eta)};(3)\text{合并上} \\ &\text{述两式。} \\ \\ &2、\text{函数} g_1(x),g_2(x) \text{的构造,基本思路如下:} \\ &(1)\text{把结论中} \xi \text{有关的放一起,} \eta \text{有关的放一起,即整理成} \frac{f'(\xi)}{g_1'(\xi)}, \frac{f'(\eta)}{g_2'(\eta)} \text{形式;} \\ &(2)\text{从中读出} g_1'(\xi),g_2'(\eta) \text{进而得出两个辅助函数} g_1(x),g_2(x)。 \end{aligned} 【小结】1.ξ,η不具有轮换对称性,题目中也未要求ξ,η互不相同时使用柯西中值定理,证明思路如下:(1)寻找两个函数g1(x),g2(x);(2g1(x),g2(x)分别和f(x)搭配使用柯西中值定理:g1(b)g1(a)f(b)f(a)=g1(ξ)f(ξ),g2(b)g2(a)f(b)f(a)=g2(η)f(η);(3合并上述两式。2函数g1(x),g2(x)的构造,基本思路如下:1把结论中ξ有关的放一起,η有关的放一起,即整理成g1(ξ)f(ξ),g2(η)f(η)形式;2从中读出g1(ξ),g2(η)进而得出两个辅助函数g1(x),g2(x)

泰勒中值定理

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 Taylor(泰勒)公式:f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+⋯+f(n)(x0)n!(x−x0)n+f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1(ξ介于x与x0之间)例:f(x)=x2+2x+1, f(1)=12+2⋅1+1, f(2)=22+2⋅2+1泰勒中值定理:表达式中的ξ是随着x的变化而变化的. \begin{aligned} &\text{ Taylor(泰勒)公式:} \\ &f(x) = f(x_0) + f'(x_0)(x-x_0) + \dots + \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n + \frac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1} \\ &\quad (\xi \text{介于} x \text{与} x_0 \text{之间}) \\ \\ &\text{例:} f(x) = x^2 + 2x + 1, \ f(1) = 1^2 + 2 \cdot 1 + 1, \ f(2) = 2^2 + 2 \cdot 2 + 1 \\ \\ &\text{泰勒中值定理:表达式中的} \xi \text{是随着} x \text{的变化而变化的.} \end{aligned}  Taylor(泰勒)公式:f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)++n!f(n)(x0)(xx0)n+(n+1)!f(n+1)(ξ)(xx0)n+1(ξ介于xx0之间)例:f(x)=x2+2x+1, f(1)=12+21+1, f(2)=22+22+1泰勒中值定理:表达式中的ξ是随着x的变化而变化的.
证:在x=0处用泰勒中值定理f(x)=f(0)+f′(0)x+f′′(0)2!x2+f′′′(ξ)3!x3(ξ介于0与x之间)f(1)=f(0)+f′(0)⋅1+f′′(0)2!⋅12+f′′′(ξ1)3!⋅13ξ1∈(0,1)①f(−1)=f(0)+f′(0)⋅(−1)+f′′(0)2⋅(−1)2+f′′′(ξ2)3⋅(−1)3ξ2∈(−1,0)②①−②相减得:f′′′(ξ1)+f′′′(ξ2)=6由f′′′(x)的连续性,设f′′′(x)在[−1,1]上的最小值为m,最大值为M.2m≤f′′′(ξ1)+f′′′(ξ2)=6≤2M,由介值定理可知,∃ξ∈(ξ2,ξ1)⊂[−1,1],使得f′′′(ξ)=3. \begin{aligned} &\text{证:在} x=0 \text{处用泰勒中值定理} \\ &f(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2!}x^2 + \frac{f'''(\xi)}{3!}x^3 \quad (\xi \text{介于} 0 \text{与} x \text{之间}) \\ \\ &f(1) = f(0) + f'(0) \cdot 1 + \frac{f''(0)}{2!} \cdot 1^2 + \frac{f'''(\xi_1)}{3!} \cdot 1^3 \quad \xi_1 \in (0,1) \quad ① \\ &f(-1) = f(0) + f'(0) \cdot (-1) + \frac{f''(0)}{2} \cdot (-1)^2 + \frac{f'''(\xi_2)}{3} \cdot (-1)^3 \quad \xi_2 \in (-1,0) \quad ② \\ \\ &① - ② \text{相减得:} f'''(\xi_1) + f'''(\xi_2) = 6 \\ \\ &\text{由} f'''(x) \text{的连续性,设} f'''(x) \text{在} [-1,1] \text{上的最小值为} m, \text{最大值为} M. \\ &\quad 2m \leq f'''(\xi_1) + f'''(\xi_2) = 6 \leq 2M, \\ &\text{由介值定理可知,} \exists \xi \in (\xi_2,\xi_1) \subset [-1,1], \text{使得} f'''(\xi) = 3. \end{aligned} 证:在x=0处用泰勒中值定理f(x)=f(0)+f(0)x+2!f′′(0)x2+3!f′′′(ξ)x3(ξ介于0x之间)f(1)=f(0)+f(0)1+2!f′′(0)12+3!f′′′(ξ1)13ξ1(0,1)f(1)=f(0)+f(0)(1)+2f′′(0)(1)2+3f′′′(ξ2)(1)3ξ2(1,0)相减得:f′′′(ξ1)+f′′′(ξ2)=6f′′′(x)的连续性,设f′′′(x)[1,1]上的最小值为m,最大值为M.2mf′′′(ξ1)+f′′′(ξ2)=62M,由介值定理可知,ξ(ξ2,ξ1)[1,1],使得f′′′(ξ)=3.
【小结】1.对于泰勒中值定理,首先要会识别,当题目中出现二阶及二阶以上的高阶导数时,考虑泰勒中值定理;2.如果函数n+1可导,则使用泰勒中值定理一般展开到n阶;3.关于泰勒中值定理在哪一点展开是这部分的难点,基本思路是看题目中函数在哪一点给的信息最多,就在哪一点展开。特别的,如果题目中已知函数f(x)在某一点x=x0处的导数值,使用泰勒公式时一般就直接在该点展开。 \begin{aligned} &\text{【小结】}1.\text{对于泰勒中值定理,首先要会识别,当题目中出现二阶及二阶以上的高阶导} \\ &\text{数时,考虑泰勒中值定理;} \\ \\ &2.\text{如果函数} n+1 \text{可导,则使用泰勒中值定理一般展开到} n \text{阶;} \\ \\ &3.\text{关于泰勒中值定理在哪一点展开是这部分的难点,基本思路是看题目中函数在哪一点} \\ &\text{给的信息最多,就在哪一点展开。特别的,如果题目中已知函数} f(x) \text{在某一点} x=x_0 \text{处} \\ &\text{的导数值,使用泰勒公式时一般就直接在该点展开。} \end{aligned} 【小结】1.对于泰勒中值定理,首先要会识别,当题目中出现二阶及二阶以上的高阶导数时,考虑泰勒中值定理;2.如果函数n+1可导,则使用泰勒中值定理一般展开到n阶;3.关于泰勒中值定理在哪一点展开是这部分的难点,基本思路是看题目中函数在哪一点给的信息最多,就在哪一点展开。特别的,如果题目中已知函数f(x)在某一点x=x0的导数值,使用泰勒公式时一般就直接在该点展开。

零点问题

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解:x=0显然为一个根.x≠0时,令F(x)=xarctan⁡x−k,F′(x)=arctan⁡x−x1+x2arctan⁡2x令g(x)=arctan⁡x−x1+x2,g′(x)=11+x2−11+x2−x⋅(−2x(1+x2)2)=2x2(1+x2)2>0g(x)单调递增,g(0)=0.x<0时,F′(x)<0,F(x)单调递减;x>0时,F′(x)>0,F(x)单调递增.lim⁡x→0F(x)=1−k.当1−k>0时,方程有一个根x=0;当1−k=0时,方程有一个根x=0;当1−k<0时,方程有三个根. \begin{aligned} &\text{解:} x=0 \text{显然为一个根.} \\ &x \neq 0 \text{时,令} F(x) = \frac{x}{\arctan x} - k, \\ &F'(x) = \frac{\arctan x - \frac{x}{1+x^2}}{\arctan^2 x} \\ \\ &\text{令} g(x) = \arctan x - \frac{x}{1+x^2}, \\ &g'(x) = \frac{1}{1+x^2} - \frac{1}{1+x^2} - x \cdot \left(-\frac{2x}{(1+x^2)^2}\right) = \frac{2x^2}{(1+x^2)^2} > 0 \\ \\ &g(x) \text{单调递增,} g(0) = 0. \\ &x < 0 \text{时,} F'(x) < 0, F(x) \text{单调递减;} \\ &x > 0 \text{时,} F'(x) > 0, F(x) \text{单调递增.} \\ \\ &\lim_{x \to 0} F(x) = 1 - k. \\ &\text{当} 1 - k > 0 \text{时,方程有一个根} x=0; \\ &\text{当} 1 - k = 0 \text{时,方程有一个根} x=0; \\ &\text{当} 1 - k < 0 \text{时,方程有三个根.} \end{aligned} 解:x=0显然为一个根.x=0时,令F(x)=arctanxxk,F(x)=arctan2xarctanx1+x2xg(x)=arctanx1+x2x,g(x)=1+x211+x21x((1+x2)22x)=(1+x2)22x2>0g(x)单调递增,g(0)=0.x<0时,F(x)<0,F(x)单调递减;x>0时,F(x)>0,F(x)单调递增.x0limF(x)=1k.1k>0时,方程有一个根x=0;1k=0时,方程有一个根x=0;1k<0时,方程有三个根.
【小结】讨论或证明方程根的个数用到的理论有两个:单调性与零点存在定理。基本步骤如下:①确定函数的单调区间;②确定单调区间分界点函数值的符号(端点不在定义域内的用极限代替);③在每个单调区间上使用零点存在定理。 \begin{aligned} &\text{【小结】讨论或证明方程根的个数用到的理论有两个:单调性与零点存在定理。} \\ &\text{基本步骤如下:} \\ &① \text{确定函数的单调区间;} \\ &② \text{确定单调区间分界点函数值的符号(端点不在定义域内的用极限代替);} \\ &③ \text{在每个单调区间上使用零点存在定理。} \end{aligned} 【小结】讨论或证明方程根的个数用到的理论有两个:单调性与零点存在定理。基本步骤如下:确定函数的单调区间;确定单调区间分界点函数值的符号(端点不在定义域内的用极限代替);在每个单调区间上使用零点存在定理。
![[Pasted image 20251214212537.png]]

解:f(0)=f(1)=f(2)=0,∃ξ1∈(0,1), ξ2∈(1,2),使得f′(ξ1)=0, f′(ξ2)=0,故f′(x)有两个零点;f(x)中含x2,x的次数为2, f′(x)=2x(x−1)(x−2)+x2[(x−1)(x−2)]′, f′(0)=0故f′(x)至少有三个零点. \begin{aligned} &\text{解:} f(0)=f(1)=f(2)=0, \\ &\quad \exists \xi_1 \in (0,1),\ \xi_2 \in (1,2), \text{使得} f'(\xi_1)=0,\ f'(\xi_2)=0, \text{故} f'(x) \text{有两个零点;} \\ \\ &f(x) \text{中含} x^2, x \text{的次数为} 2,\ f'(x)=2x(x-1)(x-2)+x^2\left[(x-1)(x-2)\right]',\ f'(0)=0 \\ &\text{故} f'(x) \text{至少有三个零点.} \end{aligned} 解:f(0)=f(1)=f(2)=0,ξ1(0,1), ξ2(1,2),使得f(ξ1)=0, f(ξ2)=0,f(x)有两个零点;f(x)中含x2,x的次数为2, f(x)=2x(x1)(x2)+x2[(x1)(x2)], f(0)=0f(x)至少有三个零点.
选(D)f(x)是四次多项式,f′(x)是三次多项式. 至多有三个零点,则f′(x)仅有3个零点. \begin{aligned} &\text{选(D)} \\ &f(x) \text{是四次多项式,} f'(x) \text{是三次多项式. 至多有三个零点,则} f'(x) \text{仅有3个零点.} \end{aligned} (D)f(x)是四次多项式,f(x)是三次多项式至多有三个零点,则f(x)仅有3个零点.
【小结】讨论导数的零点问题一般要用到三方面的知识:1.罗尔定理:如果f(x)具有n个零点,那么f′(x)至少有n−1个零点;2.泰勒公式:如果x=a为f(x)的n重根(f(x)与(x−a)n同阶),则x=a为f′(x)的n−1重根;3.代数基本定理:n次多项式至多有n个零点. \begin{aligned} &\text{【小结】讨论导数的零点问题一般要用到三方面的知识:} \\ &1.\text{罗尔定理:如果} f(x) \text{具有} n \text{个零点,那么} f'(x) \text{至少有} n-1 \text{个零点;} \\ \\ &2.\text{泰勒公式:如果} x = a \text{为} f(x) \text{的} n \text{重根(} f(x) \text{与} (x-a)^n \text{同阶),则} x = a \text{为} f'(x) \text{的} \\ &\quad n-1 \text{重根;} \\ \\ &3.\text{代数基本定理:} n \text{次多项式至多有} n \text{个零点.} \end{aligned} 【小结】讨论导数的零点问题一般要用到三方面的知识:1.罗尔定理:如果f(x)具有n个零点,那么f(x)至少有n1个零点;2.泰勒公式:如果x=af(x)n重根(f(x)(xa)n同阶),则x=af(x)n1重根;3.代数基本定理:n次多项式至多有n个零点.

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