罗尔定理和中值定理
这个中值定理(简称MVT)是数学教育文献中最常见的科目之一。它是数学家武库中的重要工具之一,用于证明微分学和积分学中的许多其他定理。令人好奇的是,它最常见的推导是由于它自己的特殊情况——罗尔定理。后者以米歇尔·罗尔(1652-1719),法国数学家,建立了现在通用的符号
对于n第个根并坚持认为-a>-b,对于正a和正b,a<b。这一壮举与之背道而驰笛卡尔'教学并为引入无处不在的数字线.
罗尔定理
让f成为连续的在上封闭区间 [甲,乙]并且在开放式区间 (a、b)。如果f(a)=f(b),则在(a、b)哪里(f) '(c)=0。
(导数为零的f图的切线与x轴平行,连接两个“端点”的线也平行(a,f(a))和(b,f(b))在图表上。连接到曲线上的点的线(在我们的上下文中是函数图)通常被称为割线因此,罗尔定理声称存在一个点,在该点上图形的切线与正割平行,前提是正割是水平的。)
中值定理
让f成为连续的在上封闭区间 [甲,乙]并且在开放式区间 (a、b)。那么在(a、b)哪里
(1) | (f) ‘(c)=(f(b)-f(a))/(b-a)。 |
(中值定理声称存在一个点,在该点切线与割线连接平行(a,f(a))和(b,f(b))罗尔定理显然是MVT的一个特殊情况,其中f满足一个附加条件,f(a)=f(b)。)
下面的小程序说明了这两个定理。它显示函数的图形、图形上定义正割的两个点以及图形切线所附着的中间第三个点。图表及其上的三个点可以拖动。
截至2018年,任何浏览器都不支持Java插件(了解更多信息). 这个Wolfram演示,罗尔定理,显示相同或相似主题的项目,但与名为“MVT”的原始Java小程序不同。最初给出的指令可能不再精确对应。
中值定理的证明
假设罗尔定理。正割方程--一条直线--通过点(a,f(a))和(b,f(b))由提供
g(x)=f(a)+[(f(b)-f(a))/(b-a)](x-a)。
这条线是直的,经检查,g(a)=f(a)和g(b)=f(b)。因此,差异f-g满足罗尔定理的条件:
(f-g)(a)=f(a)-g(a)=0=f(b)-g。
因此,我们被保证存在一个点c(a、b)这样的话(f-g)'(c)=0。但是
(f-g)'(x)=f “(x)-g'(x)=f “(x)-(f(b)-f(a))/(b-a)。
(f-g)'(c)=0等于
(f)‘(c)=(f(b)-f(a))/(b-a)。
备注
以上内容是标准公式的标准证明。选择辅助函数g(x)的动机经常受到质疑,甚至被认为是模糊的。(f-g)(x)表示垂直距离--差异--在两个图之间:f的图和g的图的割线。其他函数g也可以起到相同的作用。
设A、B、X表示点(A、f(A)),(b,f(b)),和(x,f(x)),分别是。然后可以很容易地计算出x到AB的距离d(x),然后进行区分。更优雅的方法取决于d(x)与AB长度|AB|的乘积等于ΔABX面积S(x)的两倍。该区域在决定因素中有一个简单的表达式:
首先要注意,S(a)=S(b)(=0)并非出乎意料。因此,我们可以应用罗尔定理。导数S'(x)由下式给出
因此S'(c)=0立即意味着(1).
罗尔定理和中值定理都是纯粹存在除了声称c点位于区间(a、b),两者都没有提供更准确的位置信息。因此,一代又一代的学生发现这些定理令人困惑。以下J.Dieudonné,R.P.博厄斯认为以下形式的MVT更直观,也同样有用:
假设导数(f) '函数f的有界于(a、b):
m≤(f) '(x) ≤M。
然后
(b-a)m≤f(b)-f(a)≤m(b-a)。
对于一个函数,它是其导数的积分,这与
这反过来又是所谓的积分中值定理:
如果f在闭区间[a,b]上是连续的,那么至少有一个点c是这样的
有关更多信息和应用程序,请参阅蒂莫西·高尔斯.
工具书类
- 微积分世纪II,T.Apostol等人(编辑),MAA,1992年
- J.Dieudonne,现代分析基础,学术出版社,1960年
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