考研高数——积分中值定理证明

积分中值定理 柯西积分中值定理及其证明 积分中值定理提供了一个关于函数在区间上的平均值的简单公式。柯西积分中值定理是对积分中值定理的推广,涉及两个函数,并引入了加权积分的概念。柯西积分中值定理(Cauchy’s Mean Value Theorem for Integrals)的证明借助了拉格朗日中值定理(Lagrange Mean Value Theorem for Derivatives)。以下是该定理的证明步骤。 阅读详情
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本文深入探讨了积分中值定理,通过两种不同的证明方法,详细解释了定理成立的条件及其数学意义。首先,利用最值定理和介值定理证明了存在性;其次,借助原函数存在定理和拉格朗日中值定理提供了另一种证明思路。

积分中值定理1:设 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ a , b ] [a, b] [a,b] 上连续,则 ∃ ξ ∈ [ a , b ] \exists \xi \in [a, b] ∃ξ∈[a,b],使得:
∫ a b f ( x ) d x = f ( ξ ) ( b − a ) \int_a^b f(x) \mathrm{d}x = f(\xi)(b-a) ∫ab​f(x)dx=f(ξ)(b−a)

【证明】

  • 解法一:

原式 ⇒ \Rightarrow ⇒
f ( ξ ) = ∫ a b f ( x ) d x b − a f(\xi) = \frac{\int_a^bf(x) \mathrm{d}x}{b-a} f(ξ)=b−a∫ab​f(x)dx​

f ( x ) 在 [ a , b ] f(x) 在 [a, b] f(x)在[a,b] 上连续,根据最值定理2,

m ⩽ f ( x ) ⩽ M m \leqslant f(x) \leqslant M m⩽f(x)⩽M

其中, m m m, M M M,分别为 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ a , b ] [a,b] [a,b] 上的最小值和最大值,则有

∫ a b m d x ⩽ ∫ a b f ( x ) d x ⩽ ∫ a b M d x \int_a^bm \mathrm{d}x \leqslant \int_a^bf(x) \mathrm{d}x \leqslant \int_a^bM \mathrm{d}x ∫ab​mdx⩽∫ab​f(x)dx⩽∫ab​Mdx

根据积分就是面积的几何意义,有

m ( b − a ) ⩽ ∫ a b f ( x ) d x ⩽ M ( b − a ) m(b-a) \leqslant \int_a^bf(x) \mathrm{d}x \leqslant M(b-a) m(b−a)⩽∫ab​f(x)dx⩽M(b−a)

⇒ m ⩽ ∫ a b f ( x ) d x b − a ⩽ M \Rightarrow m \leqslant \frac{\int_a^bf(x) \mathrm{d}x}{b-a} \leqslant M ⇒m⩽b−a∫ab​f(x)dx​⩽M

根据介值定理2, ∃ ξ ∈ [ a , b ] \exists \xi \in [a, b] ∃ξ∈[a,b],使得

f ( ξ ) = ∫ a b f ( x ) d x b − a f(\xi) = \frac{\int_a^bf(x) \mathrm{d}x}{b-a} f(ξ)=b−a∫ab​f(x)dx​

证毕。

  • 解法二:

由于 f ( x ) f(x) f(x) 在 [ a , b ] [a, b] [a,b] 上连续,根据原函数存在定理,存在

F ( x ) = ∫ a x f ( t ) d t F(x) = \int_a^x f(t) \mathrm{d}t F(x)=∫ax​f(t)dt

由牛顿-莱布尼茨公式及拉格朗日中值定理,有

∫ a b f ( x ) d x = F ( b ) − F ( a ) = F ′ ( ξ ) ( b − a ) = f ( x ) ( b − a ) \int_a^bf(x) \mathrm{d}x = F(b) - F(a) = F'(\xi)(b - a) = f(x)(b - a) ∫ab​f(x)dx=F(b)−F(a)=F′(ξ)(b−a)=f(x)(b−a)

其中, ξ ∈ ( a , b ) \xi \in (a, b) ξ∈(a,b)

证毕。


  1. 积分中值定理 ↩︎

  2. 最值定理、介值定理 ↩︎ ↩︎

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