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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

① f(x)∈c[a,b];
② f(x)在(a,b)内可导
③ f(a)=f(b)

then∃ ζ∈(a,b),使f′(ζ)=0
证:

f(x)∈c[a,b]⇒∃ m,M.
① m=M
f(x)≡C0,则 ∀ ζ∈(a,b),有f′(ζ)=0;
② m<M
∵f(a)=f(b).
∴m,M至少一个在(a,b)内取到。
设∃ ζ∈(a,b).
使f(ζ)=M⇒ζ为极大点⇒f′(ζ)=0或不存在
∵f(x)可导
∴f′(ζ)=0

例1.f(x)∈c[0,2],(0,2)内可导.3f(0)=f(1)+2f(2).证:∃ζ∈(0,2),使f′(ζ)=0.

证:
10.f(x)∈c[1,2]⇒f(x)在[1,2]上有m,M.
3m≤f(1)+2f(2)≤3M⇒m≤f(1)+2f(2)3≤M.
∃c∈[1,2],使f(c)=f(1)+2f(2)3⇒f(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

① f(x)∈c[a,b];
② f(x)在(a,b)内可导

then∃ζ∈(a,b),使f′(ζ)=f(b)−f(a)b−a
分析:

L曲:y=f(x)
LAB:y−f(a)=f(b)−f(a)b−a(x−a)
即LAB:y=f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a)

证:

令φ(x)=曲−直=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)b−a(x−a)
φ(x)∈c[a,b].在(a,b)内可导(函数的加减乘不会改变其连续性)
又φ(a)=φ(b)=0
∴∃ζ∈(a,b),使φ(ζ)′=0
而φ′(x)=f′(x)−f(b)−f(a)b−a
∴f′(ζ)=f(b)−f(a)b−a

Notes:

① 如果f(a)=f(b),则L⇒R;(Rolle定理⊂Lagrange定理)
② f′(ζ)=f(b)−f(a)b−a⇔f(b)−f(a)=f′(ζ)(b−a)⇔f(b)−f(a)=f′[a+(b−a)θ](b−a)(0<θ<1)
③ f(x)可导.则f(x)−f(a)=f′(ζ)(x−a)=f′(a+(b−a)θ)(x−a)(0<θ<1)

例2.limx→∞f′(x)=e.求limx→∞[f(x+1)−f(x−1)].

解:
10.f(x+1)−f(x−1)=2f′(ζ)(x−1<ζ<x+1).(Lagrange)
20.原式=2limx→∞f′(ζ)=2limζ→∞f′(ζ)=2e.

柯西中值定理

Th3. (Cauchy) ​

If

① f(x),g(x)在[a,b]上连续;
② f(x),g(x)在(a,b)内可导;
③ g′(x)≠0(a<x<b);

then∃ζ∈(a,b),使f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ζ)g′(ζ)
Notes:

① Ifg(x)=x,则C⇒L;(Lagrange定理⊂Cauchy定理)
② g′(x)≠0(a<x<b)⇒{g′(ζ)≠0;g(b)−g(a)≠0;
③
L:φ(x)=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)b−a(x−a)
C:φ(x)=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)[g(x)−g(a)]

证:

令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)内可导
∵φ(a)=φ(b)=0
∴∃ζ∈(a,b),使φ′(ζ)=0(罗尔中值定理)
而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)在x=x0领域内n+1阶可导

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

Pn(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+f″(x0)2!(x−x0)2+⋯+f(n)(x0)n!(x−x0)n
Rn(x)={f(n+1)(ζ)(n+1)!(x−x0)(n+1)——Lagrange型(ζ介于x0与x之间)o((x−x0)n)——皮亚诺型
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型(ζ介于0与x之间)o((x)n)——皮亚诺型

记:

① ex=1+x+x22!+⋯+xnn!+o(xn);
② sin⁡x=x−x33!+x55!−x77!+⋯+(−1)n(2n+1)!x2n+1+o(x2n+1);
③ cos⁡x=1−x22!+x44!−x66!+⋯+(−1)n(2n)!x2n+o(x2n);
④ 11−x=1+x+x2+⋯+xn+o(xn);
⑤ 11+x=1−x+x2+⋯+(−1)nxn+o(xn);
⑥ ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯+(−1)(n−1)nxn+o(xn);
⑦ (1+x)a=1+ax+a(a−1)2!x2+⋯+a(a−1)⋯(a−n+1)n!xn+o(xn).

洛必达法则

应用:洛必达法则(0/0、∞/∞) ​

Case1 0/0
If

① f(x),g(x)在x=x0去心领域内可导且g′(x)≠0;
② limx→x0f(x)=0,limx→x0g(x)=0;
③ limx→x0f′(x)g′(x)=A

thenlimx→x0f(x)g(x)=A
Notes:

limx→x0f′(x)g′(x)=A 是 limx→x0f(x)g(x)=A 的充分非必要条件(P⇒Q,Q⇏P).

若 limx→x0f′(x)g′(x) 不存在,limx→x0f(x)g(x) 不一定不存在(¬P⇏¬Q).

仅表明洛必达法则不适用.

Case2 ∞/∞
If

① f(x),g(x)在x=x0去心领域内可导且g′(x)≠0;
② limx→x0f(x)=∞,limx→x0g(x)=∞;
③ limx→x0f′(x)g′(x)=A

thenlimx→x0f(x)g(x)=A

简单证明

① 当 limx→x0f(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 x→x0,因为 ζ∈(x,x0)(或(x0,x)),此时 ζ→x0
④ 则 limx→x0f(x)g(x)=limx→x0f′(ζ)g′(ζ)=limζ→x0f′(ζ)g′(ζ)=limx→x0f′(x)g′(x)(变量替换)

qindlute's notes