Section01b_中值定理 (2)
型一 证明f(n)(ξ)=0
常用方法
- Case 1 f′(ξ)=0,寻找f(?)=f(?)
- Case 2 f′′(ξ)=0,寻找f′(?)=f′(?) 或 f(?)=f(?)=f(?)
例题
- 例1 f(x)∈C[0,2],在(0,2)内可导且3f(0)=f(1)+2f(2)。证明:∃ ξ∈(a,b),使得f′(ξ)=0
∵∴∵∴∴∴f(x)∈C[0,2]设f(x)∈C[1,2], ∃ m,M3m≤f(1)+2f(2)≤3M3f(0)=f(1)+2f(2)m≤f(0)≤M∃ c∈(1,2), f(c)=f(0)∃ ξ∈(0,c)⊂(0,1), f′(ξ)=0
- 例2 f(x)二阶可导,且x→0limxf(x)−1=0又f(1)=1,证明:∃ ξ∈(0,1), f′′(ξ)=0
∵∴∵∴∵∴x→0limxf(x)−1=0f(0)=1,f′(0)=0f(0)=f(1)=1∃ c∈(0,1), f′(c)=0f′(c)=f′(0)∃ ξ∈(0,c)⊂(0,1), f′′(ξ)=0
- 例3 f(x)二阶可导,且x→0limxf(x)=1又f(1)=1,证明:∃ ξ∈(0,1), f′′(ξ)=0
∵∴∵∴∵∴x→0limxf(x)=1f(0)=0,f′(0)=1f(0)=0,f(1)=1∃ c∈(0,1),f′(c)=1−0f(1)−f(0)=1f′(c)=f′(0)∃ ξ∈(0,c)⊂(0,1),f′(ξ)=0
- 例4 f(x)二阶可导,存在 L: y=f(x),连A(a,f(a)),B(b,f(b)) 交 L 于 C(c,f(c))a<c<b,证明 ∃ ξ∈(a,b),f′′(ξ)=0
∵∴∵∴∴连A(a,f(a)),B(b,f(b))交L于C(c,f(c))∃ ξ1∈(a,c),ξ2∈(c,b), f′(ξ1)=c−af(c)−f(a),f′(ξ2)=b−cf(b)−f(c)A,B,C三点共线f′(ξ1)=f′(ξ2)∃ ξ∈(ξ1,ξ2)⊂(a,b), f′′(ξ)=0
型二 仅有ξ
常用方法
- 还原法
- 条件⎩⎨⎧仅有ξ导数差一阶两项
- 工具 ff′=(lnf)′, f′f′′=(lnf′)′
- 分组法
- 条件⎩⎨⎧仅有ξ导数差一阶非两项
- 思想:将非两项凑成两项,如:g(n)(x)±g(n−1)(x)n=1,2,⋯
例题
- 例1 设f(x)∈C[0,1],在(0,1)内可导,f(1)=0 证明:∃ ξ∈(0,1),使 2f(ξ)+ξf′(ξ)=0
⇒⇒⇒∵∴∴∵∴Analysis2f(x)+xf′(x)=0x2+xf′(x)=0(lnx2+lnf(x))′=0[ln(x2f(x))]′=0Proof令ϕ(x)=x2f(x)ϕ(0)=0,f(1)=0ϕ(0)=ϕ(1)=0∃ ξ∈(0,1),ϕ′(ξ)=0而ϕ′(x)=2xf(x)+x2f′(x)ξ∈(0,1)2f(ξ)+ξf′(ξ)=0
- 例2 f(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导,f(a)=f(b)=0,证明:∃ ξ∈(a,b),使f′(ξ)−2f(ξ)=0
⇒⇒⇒∵∴∴∵∴Analysisf′(x)−2f(x)=0f(x)f′(x)−2=0[lnf(x)−lne2x]′=0[lne2xf(x)]′=0Proof令ϕ(x)=e2xf(x)f(a)=f(b)=0ϕ(a)=ϕ(b)=0∃ ξ∈(a,b),ϕ′(ξ)=0而ϕ′(x)=(e2x)2e2x[f′(x)−2f(x)]=e2xf′(x)−2f(x)e2x=0f′(ξ)−2f(ξ)=0
- 例3 f(x) 在 [0,1] 上二阶可导,且f(0)=f(1) 证明:∃ ξ∈(0,1),使f′′(ξ)=1−ξ2f′(ξ)
⇒⇒⇒∵∴∴∴∵∴Analysisf′′(x)=1−x2f′(x)f′(x)f′′(x)+x−12=0[lnf′(x)+ln(x−1)2]′=0[ln(x−1)2f′(x)]′=0Proof令ϕ(x)=(x−1)2f′(x)f(0)=f(1)∃c∈(0,1),f′(c)=0ϕ(c)=ϕ(1)=0∃ ξ∈(c,1)⊂(0,1),ϕ′(ξ)=0而ϕ′(x)=2(x−1)f′(x)+(x−1)2f′′(x)ξ∈(0,1)ξ−12f′(ξ)+f′′(ξ)=0f′′(ξ)=1−ξ2f′(ξ)
- 例4 f(x) 二阶可导,x→0limxf(x)=1,f(1)=1 证:∃ ξ∈(0,1), f′′(ξ)−f′(ξ)+1=0
⇒⇒⇒⇒⇒⇒∵∴∵∴∴∴∵∴Analysisf′′(x)−f′(x)+1=0[f′(x)−1]′−[f(x)−x]′=0令g(x)=f(x)−xg′′(x)−g′(x)=0g′(x)g′′(x)−1=0[lng′(x)]′−[lnex]′=0[lnexg′(x)]′=0Proof令ϕ(x)(=exg′(x))=exf′(x)−1x→0limxf(x)=1f(0)=0,f′(0)=1f(0)=0,f(1)=1∃ c∈(0,1),f′(c)=1−0f(1)−f(1)=1ϕ(c)=0=ϕ(0)∃ ξ∈(0,c)⊂(0,1),ϕ′(ξ)=0而ϕ′(x)=(ex)2ex[f′′(x)−f′(x)+1]=exf′′(x)−f′(x)+1ex=0f′′(ξ)−f′(ξ)+1=0
型三 有ξ 有a,b
常用方法
- Case 1 ξ 与 a,b 可分离
- 将 ξ 与 a,b 分离
- 对 a,b 一侧{f(b)−f(a) or b−af(b)−f(a)⇒Lagrangeg(b)−g(a)f(b)−f(a)⇒Cauchy
- Case 2 ξ 与 a,b 不可分离
- 将 ξ 换为 x
- 去分母,移项⇒(⋯)=0⇒(⋯)′=0
例题
- 例1 ab>0(a<b),证:∃ ξ∈(a,b) 使得 aeb−bea=(a−b)(1−ξ)eξ
⇒⇒⇒∵∴∴Analysisaeb−bea=(a−b)(1−ξ)eξa−baeb−bea=(1−ξ)eξb1−a1beb−aea令g(x)=xex,h(x)=x1Proof令g(x)=xex,h(x)=x1h′(x)=0∃ ξ∈(a,b),h′(ξ)g′(ξ)=h(b)−h(a)g(b)−g(a)而g′(x)=x2ex(x−1),h′(x)=−x21−eξ(ξ−1)=h(b)−h(a)g(b)−g(a)eξ(1−ξ)=a−baeb−beaaeb−bea=(a−b)eξ(1−ξ)
- 例2 f(x),g(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导且g′(x)=0,证明 ∃ ξ∈(a,b),使得 g(ξ)−g(b)f(x)−f(ξ)=g′(ξ)f′(ξ)
⇒⇒∴∴∴∵∴∴Analysisg(x)−g(b)f(a)−f(x)=g′(x)f′(x)g′(x)[f(a)−f(x)]−[g(x)−g(b)]f′(x)=0{[f(a)−f(x)][g(x)−g(b)]}′=0Proof令ϕ(x)=[f(a)−f(x)][g(b)−g(x)]ϕ(a)=ϕ(b)=0∃ ξ∈(a,b),ϕ′(ξ)=0而ϕ′(x)=g′(x)[f(a)−f(x)]−[g(x)−g(b)]f′(x)g′(ξ)[f(a)−f(ξ)]−[g(ξ)−g(b)]f′(ξ)=0g′(x)=0g(x)−g(b)=0x=bg(ξ)−g(b)f(a)−f(ξ)=g′(ξ)f′(ξ)
型四 多中值
常用方法
- Case 1
- 条件:仅有f′(ξ),f′(η)
- 方法
- 找三点
- 两次Lagrange
- Case 2
- 含 ξ,η 项的复杂程度不同
- 方法
- 保留复杂中值项
- 并将复杂项转化为{(⋯)′⇒Lagrange(⋯)′(⋯)′⇒Cauchy
例题
- 例1 f(x)∈C[0,1],在(0,1)内可导,f(0)=0,f(1)=1
- 证明 ∃ c∈(0,1),使得f(c)=1−c
∵∴∴∴令ϕ(x)=f(x)−1+xϕ(0)=−1,ϕ(1)=1ϕ(0)ϕ(1)=−1<0∃ c∈(0,1),ϕ(c)=0f(c)=1−c
- 证明 ∃ ξ,η∈(0,1)(ξ=η),使得 f′(ξ)f′(η)=1
∴∴由题1得f(c)=1−c∃ ξ∈(0,c),η∈(c,1),f′(ξ)=c−0f(c)−f(0)=c1−c,f′(η)=1−cf(1)−f(c)=1−ccf′(ξ)f′(η)=1
- 例2 f(x)∈C[0,1],在(0,1)内可导,且f(0)=0,f(1)=1
- 证明:∃ c∈(0,1),使f(c)=21
∴∴∴∴令ϕ(x)=f(x)−21ϕ(0)=−21,ϕ(1)=21ϕ(0)ϕ(1)<0∃c∈(0,1),ϕ(c)=0f(c)=21
- 证明:∃ ξ∈(0,c),η∈(c,1),使f′(ξ)1+f′(η)1=2
∵∴∴f(0)=0,f(1)=1,f(c)=21∃ ξ∈(0,c),η∈(c,1)f′(ξ)=c−0f(c)−f(0)=2c1f′(η)=1−cf(1)−f(c)=2(1−c)1f′(ξ)1+f′(η)1=2c+2(1−c)=2
- 例3 f(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导,f(a)=f(b),f+′(a)>0,证明:∃ ξ,η∈(a,b),使得f′(ξ)>0,f′(η)<0
∵∴∴∵∴f+′(a)>0∃ c∈(a,b),f(c)>f(a)∃ ξ∈(a,c),η∈(c,b)f′(ξ)=c−af(c)−f(a)f′(η)=b−cf(b)−f(c)f(c)>f(a),f(a)=f(b),a<c<bf′(ξ)>0,f′(η)<0
- 例4 f(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导,且f(a)=f(b)=1,证明:∃ ξ,η∈(a,b),使eη−ξ[f′(η)+f′(η)]=1
⇒⇒∵∴∴∴∵∴∴Analysiseη−ξ[f′(η)+f(η)]=1eη[f′(η)+f(η)]=eξ左式=(eηf(η))′Proof令ϕ(x)=exf(x)f(a)=f(b)=1ϕ(a)=ea,ϕ(b)=eb∃ η∈(a,b),ϕ′(η)=b−aeb−ea而ϕ′(x)=ex[f′(x)+f(x)]eη[f′(η)+f(η)]=b−aeb−ea令h(x)=ex∃ ξ∈(a,b),h′(ξ)=b−ah(b)−h(a)=b−aeb−ea;且h′(x)=ex∃ ξ∈(a,b),eξ=b−aeb−eaeη[f′(η)+f(η)]=eξeη−ξ[f′(η)+′(η)]=1
- 例5 f(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导(a>0) 证明:∃ ξ,η∈(a,b),使得f′(ξ)=(a+b)2ηf′(η)
⇒∵∴∴∴∵∴Analysisf′(ξ)=(a+b)2ηf′(η)(a+b)f′(ξ)=(x2)′f′(η)Proof令g(x)=x2x∈[a,b]a>0g′(x)=0∃ η∈(a,b),g′(η)f′(η)=g(b)−g(a)f(b)−f(a)=b2−a2f(b)−f(a)而g′(x)=2x2ηf′(η)=(b−a)(b+a)f(b)−f(a)∃ ξ∈(a,b),f′(ξ)=b−af(b)−f(a)2ηf′(η)=b+af′(ξ)f′(ξ)=(a+b)2ηf′(η)
- 例6 f(x)∈C[a,b],在(a,b)内可导(a>0) 证明∃ ξ,η∈(a,b),使得ab⋅f′(ξ)=η2f′(η)
⇒⇒∵∴∴∴∵∴Analysisab⋅f′(ξ)=η2f′(η)ab⋅f′(ξ)=η21f′(η)右式=(−x1)′f′(η)Proof令g(x)=−x1x∈[a,b]a>0g′(x)=0∃ η∈(a,b),g′(η)f′(η)=g(b)−g(a)f(b)−f(a)=a1−b1f(b)−f(a)=ab⋅b−af(b)−f(a)而g′(x)=x21η2f′(η)=ab⋅b−af(b)−f(a)∃ ξ∈(a,b),f′(ξ)=b−af(b)−f(a)η2f′(η)=ab⋅f′(ξ)
型六 Lagrange的应用
常见情形
- f(b)−f(a)⇒Lagrange
- f(a),f(b),f(c) or f′(a),f′(b),f′(c)⇒Lagrange×2
- f⇔f′ 且无积分
例题
- 例1 x→+∞limx2(sinx−11−sinx+11)
∴∴∵∴令f(t)=sint∃ ξ∈(x−11,x+11),f′(ξ)=x−11−x+11sinx−11−sinx+11sinx−11−sinx+11=x2−12f′(ξ)原式=x→+∞limx2−12x2f′(ξ)x→+∞limx+11=x→+∞limx+1=01原式=x→+∞lim2x2−12x2f′(0)=x→+∞lim2x2−12x2cos0=2
- 例2 x→∞limf′(x)=e,且x→∞lim[f(x)−f(x−1)]=x→∞lim(x−cx+c)x,求c
∵∴∵∴∴∴∃ ξ∈(x−1,x), f′(ξ)=x−(x−1)f(x)−f(x−1)=f(x)−f(x−1)左式=x→∞limf′(ξ)x→∞limx=x→∞limx−1=∞左式=ξ→∞limf′(ξ)=ex→∞lim(x−cx+c)x=ex→∞lim[(1+x−c2c)2cx−c]xx−c2c=elimx→∞x−c2cx=e2c2c=1c=21
- 例3 f(0)=0,f′′(x)>0,证:2f(1)<f(2)
∵∴∵∴f(0)=0∃ ξ1∈(0,1), ξ2∈(1,2)f′(ξ1)=1−0f(1)−f(0)=f(1)f′(ξ2)=2−1f(2)−f(1)=f(2)−f(1)f′′(x)>0 且 ξ2>ξ1f′(ξ2)>f′(ξ1)f(2)−f(1)>f(1)f(2)>2f(1)
- 例4 f(x)在[a,b]上可导,且∣f′(x)∣≤M,f(x)在(a,b)内至少有一个零点,证明 ∣f(a)∣+∣f(b)∣≤M(b−a)
∵∴∵∴∴f(x)在(a,b)内至少有一个零点设x=c(a<c<b)时,有f(c)=0∃ ξ1∈(a,c), ξ2∈(c,b)f′(ξ1)=c−af(c)−f(a)=c−a−f(a)f′(ξ2)=b−cf(b)−f(c)=b−cf(b)∣f′(x)∣≤M∣f′(ξ1)∣=c−a∣f(a)∣≤M∣f′(ξ2)∣=b−c∣f(b)∣≤M∣f(a)∣+∣f(b)∣≤M[(c−a)+(b−c)]∣f(a)∣+∣f(b)∣≤M(b−a)