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中值定理(基础阶段理论部分)

发表: 4/22/2026 更新: 5/22/2026 字数: 0 字 时长: 0 分钟

罗尔中值定理

Th1. (Rolle)

If

f(x)c[a,b]
f(x)(a,b)
f(a)=f(b)

then ζ(a,b)使f(ζ)=0
证:

f(x)c[a,b] mM.
m=M
f(x)C0  ζ(a,b)f(ζ)=0
m<M
f(a)=f(b).
mM(a,b)
 ζ(a,b).
使f(ζ)=Mζf(ζ)=0
f(x)
f(ζ)=0

1.f(x)c[0,2],(0,2).3f(0)=f(1)+2f(2).:ζ(0,2),使f(ζ)=0.

证:
10.f(x)c[1,2]f(x)[1,2]m,M.
3mf(1)+2f(2)3Mmf(1)+2f(2)3M.
c[1,2],使f(c)=f(1)+2f(2)3f(1)+2f(2)=3f(c)
20.f(0)=f(c)(罗尔中值定理)
ζ(0,c)(0,2),使f(ζ)=0

拉格朗日中值定理(狭义上的微分中值定理)

Th2. (Lagrange)⭐

If

f(x)c[a,b]
f(x)(a,b)

thenζ(a,b),使f(ζ)=f(b)f(a)ba
分析:

L:y=f(x)
LAB:yf(a)=f(b)f(a)ba(xa)
LAB:y=f(a)+f(b)f(a)ba(xa)

证:

φ(x)==f(x)f(a)f(b)f(a)ba(xa)
φ(x)c[a,b].(a,b)(函数的加减乘不会改变其连续性)
φ(a)=φ(b)=0
ζ(a,b),使φ(ζ)=0
φ(x)=f(x)f(b)f(a)ba
f(ζ)=f(b)f(a)ba

Notes:

f(a)=f(b)LR;(RolleLagrange)
f(ζ)=f(b)f(a)baf(b)f(a)=f(ζ)(ba)f(b)f(a)=f[a+(ba)θ](ba)(0<θ<1)
f(x).f(x)f(a)=f(ζ)(xa)=f(a+(ba)θ)(xa)(0<θ<1)

2.limxf(x)=e.limx[f(x+1)f(x1)].

解:
10.f(x+1)f(x1)=2f(ζ)(x1<ζ<x+1).(Lagrange)
20.=2limxf(ζ)=2limζf(ζ)=2e.

柯西中值定理

Th3. (Cauchy)

If

f(x),g(x)[a,b];
f(x),g(x)(a,b);
g(x)0(a<x<b);

thenζ(a,b)使f(b)f(a)g(b)g(a)=f(ζ)g(ζ)
Notes:

Ifg(x)=x,CL;(LagrangeCauchy)
g(x)0(a<x<b){g(ζ)0;g(b)g(a)0;

L:φ(x)=f(x)f(a)f(b)f(a)ba(xa)
C:φ(x)=f(x)f(a)f(b)f(a)g(b)g(a)[g(x)g(a)]

证:

φ(x)=f(x)f(a)f(b)f(a)g(b)g(a)[g(x)g(a)]
φ(x)c[a,b],(a,b)
φ(a)=φ(b)=0
ζ(a,b),使φ(ζ)=0(罗尔中值定理)
φ(x)=f(x)f(b)f(a)g(b)g(a)g(x)
f(ζ)=f(b)f(a)g(b)g(a)g(ζ)
g(ζ)0
f(b)f(a)g(b)g(a)=f(ζ)g(ζ)

泰勒展开

Th4. (Taylor)

If

f(x)x=x0n+1

thenf(x)=Pn(x)+Rn(x)

Pn(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(x0)2!(xx0)2++f(n)(x0)n!(xx0)n
Rn(x)={f(n+1)(ζ)(n+1)!(xx0)(n+1)Lagrange(ζx0x)o((xx0)n)
Ifx0=0:
f(x)=f(0)+f(0)x+f(0)2!x2++f(n)(0)n!xn+Rn(x)(麦克劳林公式)
Rn(x)={f(n+1)(ζ)(n+1)!(x)(n+1)Lagrange(ζ0x)o((x)n)

记:

ex=1+x+x22!++xnn!+o(xn);
sinx=xx33!+x55!x77!++(1)n(2n+1)!x2n+1+o(x2n+1);
cosx=1x22!+x44!x66!++(1)n(2n)!x2n+o(x2n);
11x=1+x+x2++xn+o(xn);
11+x=1x+x2++(1)nxn+o(xn);
ln(1+x)=xx22+x33+(1)(n1)nxn+o(xn);
(1+x)a=1+ax+a(a1)2!x2++a(a1)(an+1)n!xn+o(xn).

洛必达法则

应用:洛必达法则(0/0、∞/∞)

Case1 0/0
If

f(x),g(x)x=x0g(x)0;
limxx0f(x)=0,limxx0g(x)=0;
limxx0f(x)g(x)=A

thenlimxx0f(x)g(x)=A
Notes:

limxx0f(x)g(x)=Alimxx0f(x)g(x)=A充分非必要条件(PQ,QP).

limxx0f(x)g(x) 不存在,limxx0f(x)g(x) 不一定不存在(¬P¬Q).

仅表明洛必达法则不适用.

Case2 ∞/∞
If

f(x),g(x)x=x0g(x)0;
limxx0f(x)=,limxx0g(x)=;
limxx0f(x)g(x)=A

thenlimxx0f(x)g(x)=A

简单证明

① 当 limxx0f(x)g(x)=00 时,定义 f(x0)=0,g(x0)=0
② 则 f(x)g(x)=f(x)f(x0)g(x)g(x0)=f(ζ)g(ζ) (Cauchy)
③ 当 xx0,因为 ζ(x,x0)((x0,x)),此时 ζx0
④ 则 limxx0f(x)g(x)=limxx0f(ζ)g(ζ)=limζx0f(ζ)g(ζ)=limxx0f(x)g(x)(变量替换)

qindlute's notes