經院12級第六章習題課題解
微分中值定理與taylor定理
一、中值定理:
rolle中值定理:若滿足:在上連續,內可導,,則,使得.
lagrange中值定理:若滿足:在上連續,內可導,則,使得。
canchy 中值定理:若和滿足:在上連續,內可導,和不同時為零,,則,使得。
二、taylor定理:
1、若在點存在直至階導數,則
(稱此式為帶peano型餘項的階taylor公式)
特別:時,
2、若在上存在直至階的連續導函式,在內存在階導函式,則對任意給定的,至少存在一點使得:
(稱此式為常lagrange型餘項的階taylor 公式)
事實上,是在與之間的某個值,則
特別:時,
(稱此公式為常maclaurin餘項的階taylor公式)
三、利用rolle定理證明中值等式
為證明這類命題必須設法構造輔助函式,使得題中假設足以保證所構造的輔助函式具備rolle定理得的條件,然後由rolle定理得到輔助函式所滿足的中值等式,再由此式推出所要證的結果。找輔助函式常用的方法有兩種:
(1)湊導數法:將要證的結論改寫成乙個函式的導數在點處等於零的形式:。
例1:設在上連續,且。試證在內存在一點使得
證明:為證①式成立,即證,則需證,使得。為此建構函式:
顯然,在處連續。事實上,因
在上連續,在內可導,並且。於是,由rolle定理,,使,而
故,即例2:設和在上存在二階導數,且
,試證:
(1) 在(a,b)內;
(2) 在(a,b)內至少存在一點,使
證明:(1)(反證法):假設存在點,使。對在和上分別使用rolle定理,存在使。再對在上使用rolle定理知,存在,使。這與條件矛盾。故。
(2)由於所證等式可寫為:
而於是,建構函式:
則在上連續,在內可導,並且,
故,由rolle定理,存在,使得,即
從而結論成立。
(ii)積分法:由於,則要找的輔助函式就是的原函式,而是已知的,因而求出的不定積分即可:
具體步驟:
1° 將待證的中值等式命題中的換成,得;
2° 通過適當的恒等變形將轉化為易於積分的形式(若需要);
3° 兩邊積分求出原函式;
4° 解出任意常數。
則要求的輔助函式。
例3 設函式在[0,1]上連續,在內可導,且,求證:至少存在一點,使得。
證明:將改為得到,即得
為的一階線性齊次微分方程,於是
於是令,則在上連續,在內可導,且,由rolle定理知,存在使得,即
四、lagrange 中值定理理證明的應用
例1 設在上連續,在內可微,,則存在使得
證明:由於在上連續,且,則由連續函式的介值定理,存在,使得。分別在區間與上應用lagrange 中值定理:
存在,使
存在,使
即 。
例2 設在上可微,,則在上非一致連續。
證明:由於,則存在使得。現考慮在上的一致連續性。
(反證法):假設在一致連續,則對於存在,使得當時,。
由於,則在上單增,於是,可推出(數學歸納法):
。另一方面,取,使
,(lagrange定理)
則當時,
兩端除以後,令,得
這與矛盾,從而在上非一致連續。故在上非一致連續。
例3 設在上可微,,則。
證明:令在上,現證。
(反證) 假設,則由的連續性知。取,使得。下證在,(從而得出矛盾)。
,由lagrange中值定理,存在
使得同理可得:
於是,歸納推得:
則當時,這與假設矛盾,故。
(注:可考慮類似應用cauchy中值定理)
五、taylor公式的應用:
例1 設在上二階可導,且,,試證存在,使得
證明:設
則,.由fermat(費馬)定理知.將在點處taylor展開到二階餘項,有
而 若若
例2 設具有二階連續導數,,則
證明:設。,若,則
於是當時,同上類似可得:
故此命題得證。
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