中值定理

本文深入探讨了数学分析中的核心定理,包括f(x)的有界性、最值及介值定理,f′(x)的费马、罗尔、拉格朗日与柯西中值定理,以及泰勒定理。通过典型例题解析,阐述了如何利用这些定理解决涉及函数及其导数的问题。

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一、涉及f(x)f(x)f(x)的定理——预备定理
f(x)f(x)f(x)[a,b][a,b][a,b]上连续,则:
(1)有界性定理:∃k>0,∀x∈[a,b]\exists k>0,\forall x\in[a,b]k>0,x[a,b],使得∣f(x)∣≤k|f(x)|\leq kf(x)k
(2)最值定理:m≤f(x)≤Mm\leq f(x)\leq Mmf(x)M,其中m,Mm,Mm,M分别为f(x)f(x)f(x)的最小值和最大值。
(3)介值定理:当m≤μ≤Mm\leq \mu \leq MmμM时,∃ξ∈[a,b],使得f(ξ)=μ\exists \xi\in[a,b],使得f(\xi)=\muξ[a,b],使f(ξ)=μ
(4)零点定理(研究方程根的存在性):当f(a)f(b)&lt;0f(a)f(b)&lt;0f(a)f(b)<0时,∃ξ∈(a,b)\exists \xi\in(a,b)ξ(a,b),使得f(ξ)=0f(\xi)=0f(ξ)=0
二、涉及f′(x)f&#x27;(x)f(x)的定理——主体定理
(1)费马定理:设f(x)在x=x0设f(x)在x=x_0f(x)x=x0处可导且取得极值,则f′(x)=0f&#x27;(x)=0f(x)=0
(2)罗尔定理:设f(x)在[a,b]f(x)在[a,b]f(x)[a,b]上连续,(a,b)(a,b)(a,b)上可导,且f(a)=f(b),则∃ξ∈(a,b),使得f′(ξ)=0f(a)=f(b),则\exists\xi\in(a,b),使得f&#x27;(\xi)=0f(a)=f(b)ξ(a,b),使f(ξ)=0
(3)拉格朗日中值定理:设f(x)f(x)f(x)[a,b][a,b][a,b]上连续,在(a,b)(a,b)(a,b)上可导,则∃ξ∈(a,b)\exists\xi\in(a,b)ξ(a,b),使得f′(ξ)=f(b)−f(a)b−af&#x27;(\xi)=\displaystyle{{f(b)-f(a)}\over{b-a}}f(ξ)=baf(b)f(a)
(4)柯西中值定理:设f(x)、g(x)f(x)、g(x)f(x)g(x)满足在[a,b][a,b][a,b]上连续,在(a,b)(a,b)(a,b)上可导,g′(x)≠0g&#x27;(x)\neq 0g(x)̸=0,则存在∃ξ∈(a,b)\exists\xi\in(a,b)ξ(a,b),使得f′(ξ)g′(ξ)=f(b)−f(a)g(b)−g(a)\displaystyle{{f&#x27;(\xi)}\over{g&#x27;(\xi)}}={{f(b)-f(a)}\over{g(b)-g(a)}}g(ξ)f(ξ)=g(b)g(a)f(b)f(a)
(5)泰勒定理
1、带拉氏余项的nnn阶泰勒公式(证明题)
f(x)f(x)f(x)在某领域内存在n+1n+1n+1阶导数
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+f′′(x0)2!(x−x0)2+⋯+fn(x0)n!(x−x0)n+fn+1(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1f(x)=f(x_0)+f&#x27;(x_0)(x-x_0)+\displaystyle{{f&#x27;&#x27;(x_0)}\over{2!}}(x-x_0)^2+\dots+{{f^{n}(x_0)}\over{n!}}(x-x_0)^n+{{f^{n+1}(\xi)}\over{(n+1)!}}(x-x_0)^{n+1}f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+2!f(x0)(xx0)2++n!fn(x0)(xx0)n+(n+1)!fn+1(ξ)(xx0)n+1
2、带佩氏余项的泰勒公式(计算题)
f(x)f(x)f(x)x=x0x=x_0x=x0n+1n+1n+1阶可导
f(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+f′′(x0)2!(x−x0)2+⋯+fn(x−x0)n!(x−x0)n+o(x−x0)nf(x)=f(x_0)+f&#x27;(x_0)(x-x_0)+\displaystyle{{f&#x27;&#x27;(x_0)}\over{2!}}(x-x_0)^2+\dots+{{f^{n}(x-x_0)}\over{n!}}(x-x_0)^n+o(x-x_0)^nf(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+2!f(x0)(xx0)2++n!fn(xx0)(xx0)n+o(xx0)n
x0=0x_0=0x0=0时,为麦克劳林展式
三、题型
(1)涉及f(x)f(x)f(x)的问题

例1:f(x)f(x)f(x)[0,2][0,2][0,2]上连续,在(0,2)(0,2)(0,2)内可导,3f(0)=f(1)+2f(2)3f(0)=f(1)+2f(2)3f(0)=f(1)+2f(2),证明:∃ξ∈(0,2),f′(ξ)=0\exists\xi\in(0,2),f&#x27;(\xi)=0ξ(0,2),f(ξ)=0
证明:
∵f(x)\because f(x)f(x)[1,2][1,2][1,2]上连续
∴m≤f(x)≤M\therefore m\leq f(x)\leq Mmf(x)M
∴m≤f(1)≤M,m≤f(2)≤M\therefore m\leq f(1)\leq M,m\leq f(2)\leq Mmf(1)M,mf(2)M
∴3m≤f(1)+2f(2)≤3M\therefore 3m\leq f(1)+2f(2)\leq 3M3mf(1)+2f(2)3M
∴∃η∈[1,2]\therefore \exists\eta\in[1,2]η[1,2],有f(η)=f(0)+2f(2)3=f(0)f(\eta)=\displaystyle{{f(0)+2f(2)}\over{3}}=f(0)f(η)=3f(0)+2f(2)=f(0)
由罗尔定理可得,∃ξ∈(0,2)\exists\xi\in(0,2)ξ(0,2),有f′(ξ)=0f&#x27;(\xi)=0f(ξ)=0

(2)涉及f′(x)f&#x27;(x)f(x)的问题
1、罗尔定理
难点:如何构造辅助函数;如何验证两端点值相等
(构造辅助函数的方法)求导公式逆用法
f′(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0f&#x27;(\xi)+g(\xi)f(\xi)=0f(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0
⇒f′(x)+g(x)f(x)=0\Rightarrow f&#x27;(x)+g(x)f(x)=0f(x)+g(x)f(x)=0
⇒e∫g(x)dx[f′(x)+g(x)f(x)]=0\Rightarrow e^{\int{g(x)}{\rm d}x}[f&#x27;(x)+g(x)f(x)]=0eg(x)dx[f(x)+g(x)f(x)]=0
⇒原函数F(x)=f(x)e∫g(x)dx\Rightarrow 原函数F(x)=f(x)e^{\int{g(x)}{\rm d}x}F(x)=f(x)eg(x)dx

A、f′′(ξ)+g(ξ)f′(ξ)=0⇒F(x)=f′(x)e∫g(x)dxf&#x27;&#x27;(\xi)+g(\xi)f&#x27;(\xi)=0\Rightarrow F(x)=f&#x27;(x)e^{\int{g(x)}{\rm d}x}f(ξ)+g(ξ)f(ξ)=0F(x)=f(x)eg(x)dx
B、f(x)+g(x)∫0xf(t)dt=0⇒F(x)=e∫g(x)dx∫0xf(t)dtf(x)+g(x)\int^x_0{f(t)}{\rm d}t=0\Rightarrow F(x)=e^{\int{g(x)}{\rm d}x}\int^x_0{f(t)}{\rm d}tf(x)+g(x)0xf(t)dt=0F(x)=eg(x)dx0xf(t)dt
C、f′(x)+g(x)[f(x)−1]=0⇒F(x)=[f(x)−1]e∫g(x)dxf&#x27;(x)+g(x)[f(x)-1]=0\Rightarrow F(x)=[f(x)-1]e^{\int{g(x)}{\rm d}x}f(x)+g(x)[f(x)1]=0F(x)=[f(x)1]eg(x)dx

例2:设函数f(x)f(x)f(x)[2,4][2,4][2,4]上连续,在(2,4)(2,4)(2,4)上可导,且f(2)=∫34(x−1)2f(x)dxf(2)=\int^4_3{(x-1)^2f(x)}{\rm d}xf(2)=34(x1)2f(x)dx,证明:∃ξ∈(2,4)\exists\xi\in(2,4)ξ(2,4),使得f′(ξ)=2f(ξ)1−ξf&#x27;(\xi)=\displaystyle{{2f(\xi)}\over{1-\xi}}f(ξ)=1ξ2f(ξ)
证明:
F(x)=(1−x)2f(x)F(x)=(1-x)^2f(x)F(x)=(1x)2f(x),易知f(2)=F(2)f(2)=F(2)f(2)=F(2)
由题可得,f(2)=∫34(x−1)2f(x)dx=∫34F(x)dx=F(2)f(2)=\int^4_3{(x-1)^2f(x)}{\rm d}x=\int^4_3{F(x)}{\rm d}x=F(2)f(2)=34(x1)2f(x)dx=34F(x)dx=F(2)
由积分中值定理可得,存在η∈(3,4)\eta\in(3,4)η(3,4),使得F(η)=F(2)F(\eta)=F(2)F(η)=F(2)
∴∃ξ∈(2,η)\therefore\exists\xi\in(2,\eta)ξ(2,η),使得F′(ξ)=0F&#x27;(\xi)=0F(ξ)=0
f′(ξ)=2f(ξ)1−ξf&#x27;(\xi)=\displaystyle{{2f(\xi)}\over{1-\xi}}f(ξ)=1ξ2f(ξ)

2、多次使用罗尔定理
难点:找到三个互不相同且函数值相等的点
(构造辅助函数的方法)积分还原法
将欲证结论中的变量改为xxx ⇒\Rightarrow 积分,令c=0c=0c=0 ⇒\Rightarrow 移项,使等式一端为0,另一端即为辅助函数

例3:设f(x)f(x)f(x)[a,b][a,b][a,b]上连续,在(a,b)(a,b)(a,b)上可导,f′′(x)≠0,f(a)=f(b)=0f&#x27;&#x27;(x)\neq 0,f(a)=f(b)=0f(x)̸=0,f(a)=f(b)=0,证明:∀x∈(a,b)\forall x\in(a,b)x(a,b),有f(x)≠0f(x)\neq 0f(x)̸=0
证明:
假设∃x0∈(a,b)\exists x_0\in(a,b)x0(a,b),有f(x0)=0f(x_0)=0f(x0)=0
∵f(a)=f(x0),∴∃ξ1∈(a,x0)\because f(a)=f(x_0),\therefore\exists\xi_1\in(a,x_0)f(a)=f(x0),ξ1(a,x0),使得f′(ξ1)=0f&#x27;(\xi_1)=0f(ξ1)=0
∵f(b)=f(x0),∴∃ξ2∈(x0,b)\because f(b)=f(x_0),\therefore\exists\xi_2\in(x_0,b)f(b)=f(x0),ξ2(x0,b),使得f′(ξ2)=0f&#x27;(\xi_2)=0f(ξ2)=0
同理可得∃ξ∈(ξ1,ξ2)\exists\xi\in(\xi_1,\xi_2)ξ(ξ1,ξ2),使得f′′(ξ)=0f&#x27;&#x27;(\xi)=0f(ξ)=0,与题目条件矛盾,所以假设不成立
命题得证

3、拉氏定理的应用
A、给出高阶条件证明低阶不等式
例4:设f′′(x)&lt;0,f(0)=0f&#x27;&#x27;(x)&lt;0,f(0)=0f(x)<0,f(0)=0,证明:∀x1、x2&gt;0,有f(x1+x2)&lt;f(x1)+f(x2)\forall x_1、x_2&gt;0,有f(x_1+x_2)&lt;f(x_1)+f(x_2)x1x2>0f(x1+x2)<f(x1)+f(x2)
证明:设0&lt;x1&lt;x2&lt;x1+x20&lt;x_1&lt;x_2&lt;x_1+x_20<x1<x2<x1+x2
由拉格朗日中值定理可得,
∃ξ1∈(x2,x1+x2)\exists\xi_1\in(x_2,x_1+x_2)ξ1(x2,x1+x2),使得f(x1+x2)=f(x2)+x1f′(ξ1)f(x_1+x_2)=f(x_2)+x_1f&#x27;(\xi_1)f(x1+x2)=f(x2)+x1f(ξ1)
∃ξ2∈(0,x1)\exists\xi_2\in(0,x_1)ξ2(0,x1),使得f(x1)=x1f′(ξ2)f(x_1)=x_1f&#x27;(\xi_2)f(x1)=x1f(ξ2)
∵ξ1&gt;ξ2,f′′(x)&lt;0\because \xi_1&gt;\xi_2,f&#x27;&#x27;(x)&lt;0ξ1>ξ2,f(x)<0
∴f′(ξ1)&lt;f′(x2)\therefore f&#x27;(\xi_1)&lt;f&#x27;(x_2)f(ξ1)<f(x2)
∴f(x1+x2)=f(x2)+x1f(ξ1)&lt;f(x2)+x1f(ξ2)=f(x2)+f(x1)\therefore f(x_1+x_2)=f(x_2)+x_1f(\xi_1)&lt;f(x_2)+x_1f(\xi_2)=f(x_2)+f(x_1)f(x1+x2)=f(x2)+x1f(ξ1)<f(x2)+x1f(ξ2)=f(x2)+f(x1)
f(x1+x2)&lt;f(x1)+f(x2)f(x_1+x_2)&lt;f(x_1)+f(x_2)f(x1+x2)<f(x1)+f(x2)

B、给出低阶条件证明高阶不等式
例5:设f(x)f(x)f(x)三阶可导,且f(2)&gt;f(1),f(2)&gt;∫23f(x)dxf(2)&gt;f(1),f(2)&gt;\int^3_2{f(x)}{\rm d}xf(2)>f(1),f(2)>23f(x)dx,证明:∃ξ∈(1,3)\exists\xi\in(1,3)ξ(1,3),使得f′′(ξ)&lt;0f&#x27;&#x27;(\xi)&lt;0f(ξ)<0
证明:
由积分中值定理可得∃η∈(2,3),使得∫23f(x)dx=f(η)\exists\eta\in(2,3),使得\int^3_2{f(x)}{\rm d}x=f(\eta)η(2,3),使23f(x)dx=f(η),则有
∃ξ1∈(1,2),f(2)−f(1)2−1=f′(ξ1)&gt;0\exists\xi_1\in(1,2),\displaystyle{{f(2)-f(1)}\over{2-1}}=f&#x27;(\xi_1)&gt;0ξ1(1,2),21f(2)f(1)=f(ξ1)>0
∃ξ2∈(2,η),f(η)−f(2)η−2=f′(ξ2)&lt;0\exists\xi_2\in(2,\eta),\displaystyle{{f(\eta)-f(2)}\over{\eta-2}}=f&#x27;(\xi_2)&lt;0ξ2(2,η),η2f(η)f(2)=f(ξ2)<0
∴∃ξ∈(ξ1,ξ2),使得f′′(ξ)=0\therefore\exists\xi\in(\xi_1,\xi_2),使得f&#x27;&#x27;(\xi)=0ξ(ξ1,ξ2),使f(ξ)=0

C、具体化f(x)f(x)f(x),由a&lt;ξ&lt;ba&lt;\xi&lt;ba<ξ<b推出相关不等式问题
例6:设a&gt;b&gt;0a&gt;b&gt;0a>b>0,证明a−ba&lt;lnab&lt;a−bb\displaystyle{{a-b}\over{a}}&lt;ln{{a}\over{b}}&lt;{{a-b}\over{b}}aab<lnba<bab
证明:
f(x)=lnxf(x)=lnxf(x)=lnx,由拉格朗日中值定理可得,
∃ξ(b,a),有lna−lnb=(a−b)f′(ξ)=a−bξ\exists\xi(b,a),有lna-lnb=(a-b)f&#x27;(\xi)=\displaystyle{{a-b}\over{\xi}}ξ(b,a),lnalnb=(ab)f(ξ)=ξab
∴1a&lt;1ξ&lt;1b\therefore\displaystyle{{1}\over{a}}&lt;{{1}\over{\xi}}&lt;{{1}\over{b}}a1<ξ1<b1
⇒a−ba&lt;a−bξ&lt;a−bb\Rightarrow\displaystyle{{a-b}\over{a}}&lt;{{a-b}\over{\xi}}&lt;{{a-b}\over{b}}aab<ξab<bab
⇒a−ba&lt;lnab&lt;a−bb\Rightarrow\displaystyle{{a-b}\over{a}}&lt;ln{{a}\over{b}}&lt;{{a-b}\over{b}}aab<lnba<bab

D、将f(x)f(x)f(x)复杂化⇒\Rightarrow等式证明

(4)柯西中值定理的应用
例7:设f(x)f(x)f(x)[a,b][a,b][a,b]上可导,f+′(a)f−′(b)&lt;0f&#x27;_+(a)f&#x27;_-(b)&lt;0f+(a)f(b)<0,证明:∃ξ∈(a,b),使得f′(ξ)=0\exists\xi\in(a,b),使得f&#x27;(\xi)=0ξ(a,b),使f(ξ)=0
证明:
不妨设f+′(a)&gt;0,f−′(b)&lt;0f&#x27;_+(a)&gt;0,f&#x27;_-(b)&lt;0f+(a)>0,f(b)<0,则
f+′(a)=lim⁡x→a+f(x)−f(a)x−a&gt;0f&#x27;_+(a)=\lim_{x\rightarrow a^+}{{f(x)-f(a)}\over{x-a}}&gt;0f+(a)=limxa+xaf(x)f(a)>0,根据保号性原则,f(x)&gt;f(a)f(x)&gt;f(a)f(x)>f(a)
同理f(x)&lt;f(b)f(x)&lt;f(b)f(x)<f(b),则f(x)f(x)f(x)必在(a,b)(a,b)(a,b)上取得最大值,且该点亦为极大值点
∴∃ξ∈(a,b)\therefore\exists\xi\in(a,b)ξ(a,b),使得f′(ξ)=0f&#x27;(\xi)=0f(ξ)=0

(5)高阶导数的证明
1、证明ξ\xiξfn−1(x)f^{n-1}(x)fn1(x)的极值点(费马定理)
2、fn−1(x)=0f^{n-1}(x)=0fn1(x)=0的根的求解(罗尔定理)
3、泰勒展式n≥2n\geq 2n2

例8:设f(x)f(x)f(x)[0,1][0,1][0,1]内三阶可导,且f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0,又F(x)=x3f(x)F(x)=x^3f(x)F(x)=x3f(x),证明:∃ξ∈(0,1),使得F′′′(ξ)=0\exists\xi\in(0,1),使得F&#x27;&#x27;&#x27;(\xi)=0ξ(0,1),使F(ξ)=0
证明:
F(x)=F(0)+F′(0)x+F′′(0)2!x2+F′′′(0)3!x3F(x)=F(0)+F&#x27;(0)x+\displaystyle{{F&#x27;&#x27;(0)}\over{2!}}x^2+{{F&#x27;&#x27;&#x27;(0)}\over{3!}}x^3F(x)=F(0)+F(0)x+2!F(0)x2+3!F(0)x3
F(0)=0F(0)=0F(0)=0
F′(x)=3x2f(x)+x3f′(x),F′(0)=0F&#x27;(x)=3x^2f(x)+x^3f&#x27;(x),F&#x27;(0)=0F(x)=3x2f(x)+x3f(x),F(0)=0
F′′(x)=6xf(x)+3x2f′(x)+3x2f′(x)+x3f′′(x),F′′(x)=0F&#x27;&#x27;(x)=6xf(x)+3x^2f&#x27;(x)+3x^2f&#x27;(x)+x^3f&#x27;&#x27;(x),F&#x27;&#x27;(x)=0F(x)=6xf(x)+3x2f(x)+3x2f(x)+x3f(x),F(x)=0
∴F(x)=F′′′(ξ)6x3\therefore F(x)=\displaystyle{{F&#x27;&#x27;&#x27;(\xi)}\over{6}}x^3F(x)=6F(ξ)x3
F(1)=F′′′(ξ)6=f(1)=0F(1)=\displaystyle{{F&#x27;&#x27;&#x27;(\xi)}\over{6}}=f(1)=0F(1)=6F(ξ)=f(1)=0
解得F′′′(ξ)=0F&#x27;&#x27;&#x27;(\xi)=0F(ξ)=0

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