4.2 The Mean Value Theorem

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在开始这一节前,先回顾前面的一些知识点,使得理解本节内容的时候更加系统性。


首先是可微,连续和存在极限三者的关系:

differentiable \to continuous \to exist limit

但是反方向的推导是不成立的:

exist limit \nrightarrow continuous \nrightarrow differentiable


中间值定理(Intermediate value theorem)

在一个函数的连续区间[a, b],如果存在一个c,使得f(a)f(c)f(b)f(a) \leq f(c) \leq f(b),那么acba \leq c \leq b



罗尔定理(Rolle's Theorem)

Suppose that y = f(x) is continuous at every point of the closed interval [a, b]and differentiable at every point of its interior (a, b). If

f(a)=f(b)f(a) = f(b)

then there's at least one number c in (a, b) at which

f(c)=0f'(c) = 0

证明这个定理需要用到上一节的连续定理

“在函数f的一个连续闭区间[a, b],存在最大和最小值。”

那么对于上述定理的函数f,它的极值存在于三种情况:

  1. 在区间内存在c,使得f'(c) = 0
  2. f'没有定义域(即不存在)的区域
  3. 区间的边界处,即f(a)或f(b)

因为定理的前提说了,函数f在区间内均可微(differentiable),那么第二条不可能发生。假如第三条成立,那么最大值等于最小值等于f(a)或者f(b),这意味着函数在这个区间是一条水平线,也就是说有无数导数为零的点。据此可证明以上定理成立。



中值定理/拉格朗日中值定理(The mean value theorem)

Suppose y = f(x) is continuous on a close interval [a, b] and differentiable on the interval's interior (a, b). Then there is at least one point c in (a, b) at which

f(b)f(a)ba=f(c)\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(c)

我们借助图表来来证明此定理

4.2-1.png

假设穿过a,b两点的割线函数为g(x),根据点斜率公式可知它的表达式为:

g(x)=f(a)+f(b)f(a)ba(xa)g(x) = f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a)

将f(x)和g(x)相减,构造一个新的函数h(x),其表达式为:

h(x)=f(x)g(x)=f(x)f(a)f(b)f(a)ba(xa)h(x) = f(x) - g(x) = f(x) - f(a) - \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(x - a)

因为g(x)过f(x)的a和b点,那么h(a) = 0, h(b) = 0。又因为f(x)和g(x)在a,b区间均可微,根据3.2节微分定理,h(x)也是可微的。这样就凑齐了罗尔定理的成立条件,根据此定理,在a,b区间中存在c,使得:

h(c)=0h'(c) = 0

对h求导

h(x)=f(x)f(b)f(a)bah'(x) = f'(x) - \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

代入c,得到

h(c)=0=f(c)f(b)f(a)baf(c)=f(b)f(a)bah'(c) = 0 = f'(c) - \frac{f(b) - f(a)}{b - a} \\ f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

证毕。


朗格朗日中值定理十分重要,它可以推导出很多推论,是分析函数性质的核心定理之一。 下面有两个重要的推论。


推论一: 函数的导函数为零的,是常数函数。

引用下英文表述: If f'(x) = 0 at each point x of an open interval (a, b), then f(x) = C for all x(a,b)x \in (a, b), where C is a constant.

证明:

在a,b区间内取任意不相等的两点x1x_1x2x_2,根根拉格朗日定理有:

f(x2)f(x1)x2x1=f(c)=0\frac{f(x_2) - f(x_1)}{x_2 - x_1} = f'(c) = 0

因为x2x1x_2 \neq x_1,那么f(x2)=f(x1)f(x_2) = f(x_1),因此函数f在区间a,b中的值均相等,即其为常数函数。

证毕。


推论二: 导函数值相等的函数,它们之间的差值为一常数。

引用下英文表述:If f'(x) = g'(x) at each point x in an open interval (a, b), then there exist a constant C such that f(x) = g(x) + C for all x(a,b)x \in (a, b). That is f - g is a constant on (a, b).

证明:

在a,b区间内取任意不相等的两点x1x_1x2x_2,根根拉格朗日定理有:

f(x2)f(x1)x2x1=f(c1)g(x2)g(x1)x2x1=g(c2)\frac{f(x_2) - f(x_1)}{x_2 - x_1} = f'(c_1) \\ \frac{g(x_2) - g(x_1)}{x_2 - x_1} = g'(c_2)

因为

f(c1)=g(c2)f'(c_1) = g'(c_2)

所以

f(x2)f(x1)x2x1=g(x2)g(x1)x2x1f(x2)f(x1)=g(x2)g(x1)f(x2)g(x2)=f(x1)g(x1)\frac{f(x_2) - f(x_1)}{x_2 - x_1} = \frac{g(x_2) - g(x_1)}{x_2 - x_1} \\ f(x_2) - f(x_1) = g(x_2) - g(x_1) \\ f(x_2) - g(x_2) = f(x_1) - g(x_1)

即f(x) - g(x) = C。

证毕。

注意:推论二可以推广到无限区间,比如(a,)(a, \infty)(,b)(-\infty, b)(,)(-\infty, \infty)



应用举例:

已知地球的重力加速度是9.8m/sec29.8m/sec^2,假设自由落体的速度和时间函数为υ(t)\upsilon(t),则

υ(t)=9.8\upsilon'(t) = 9.8

根据上面推论二,可知

υ(t)=9.8t+C\upsilon(t) = 9.8t + C

当t = 0时,速度为零,即C = 0。

假设位移和时间的函数为s(t),则

s(t)=υ(t)=9.8ts'(t) = \upsilon(t) = 9.8t

那么,根据推论二,可知

s(t)=4.9t2+Cs(t) = 4.9t^2 + C

当t = 0,s等于自由落体的初始高度h,那么

s(t)=4.9t2+hs(t) = 4.9t^2 + h


练习

  1. f(x)=x2+2x1, [0,1]f(x) = x^2 + 2x - 1, \ [0, 1]

f(b)f(a)ba=f(1)f(0)10=3\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{f(1) - f(0)}{1 - 0} = 3

f(x)=2x+2, f(c)=3, c=1/2f'(x) = 2x + 2, \ f'(c) = 3, \ c = 1/2


  1. f(x)=x2/3, [0,1]f(x) = x^{2/3}, \ [0, 1]

f(b)f(a)ba=12/302/310=1\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{1^{2/3} - 0^{2/3}}{1 - 0} = 1

f(x)=23x1/3, f(c)=1, c=8/27f'(x) = \frac{2}{3}x^{-1/3}, \ f'(c) = 1, \ c = 8/27


  1. f(x)=x+1x, [12,2]f(x) = x + \frac{1}{x}, \ [\frac{1}{2}, 2]

f(b)f(a)ba=2+12122212=0\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{2 + \frac{1}{2} - \frac{1}{2} - 2}{2 - \frac{1}{2}} = 0

f(x)=11x2, f(c)=0, c=1f'(x) = 1 - \frac{1}{x^2}, \ f'(c) = 0, \ c = 1


  1. f(x)=x1, [1,3]f(x) = \sqrt{x - 1}, \ [1, 3]

f(b)f(a)ba=2031=22\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{\sqrt{2} - 0}{3 - 1} = \frac{\sqrt{2}}{2}

f(x)=12x1, f(c)=22, c=3/2f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x - 1}}, \ f'(c) = \frac{\sqrt{2}}{2}, \ c = 3/2


  1. f(x)=x2/3, [1,8]f(x) = x^{2/3}, \ [-1, 8]

f(b)f(a)ba=82/3(1)2/38+1=1/3\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = \frac{8^{2/3} - (-1)^{2/3}}{8 + 1} = 1/3

f(x)=23x1/3=1/3, x=8f'(x) = \frac{2}{3x^{1/3}} = 1/3, \ x = 8


  1. f(x)=x4/5, [0,1]f(x) = x^{4/5}, \ [0, 1]

f(b)f(a)ba=14/504/5=1\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = 1^{4/5} - 0^{4/5} = 1

f(x)=45x1/5=1, x=(45)5f'(x) = \frac{4}{5x^{1/5}} = 1, \ x = (\frac{4}{5})^5


  1. f(x)=x(1x), [0,1]f(x) = \sqrt{x(1-x)}, \ [0, 1]

f(b)f(a)ba=0\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = 0

f(x)=12[x(1x)]1/2[(1x)x]=12x2[x(1x)]1/2=0, x=1/2f'(x) = \frac{1}{2}[x(1 - x)]^{-1/2}\cdot[(1 - x) - x] = \frac{1 - 2x}{2[x(1 - x)]^{1/2}} = 0, \ x = 1/2


f(x)={sinxx,πx<00,x=0f(x) = \begin{cases} \frac{\sin x}{x}, & -\pi \leq x < 0 \\ 0, & x = 0 \end{cases}

对于sinxx\frac{\sin x}{x}x0x \neq 0。我们来考察当x = 0时是否连续。我们知道:

limx0sinxx=1f(0)\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1 \neq f(0)

因此f在x = 0处不连续,也就不满足拉格朗日中值定理的前提条件。


f(x)={x,0x<10,x=1f(x) = \begin{cases} x, & 0 \leq x < 1 \\ 0, & x = 1 \end{cases}

函数确实在(0, 1)区间可微且其导数为1,但是它并不在区间[0, 1]内连续,因为它在x = 1处不连续,因此也就不满足罗尔定理的前提条件。


f(x)={3,x=0x2+3x+a,0<x<1mx+b,1x2f(x) = \begin{cases} 3, & x = 0 \\ -x^2 + 3x + a, & 0 < x < 1 \\ mx + b, & 1 \leq x \leq 2 \end{cases}

需要在x = 0处连续,则:

limx0+(x2+3x+a)=a=3\lim_{x \to 0^+}(-x^2 + 3x + a) = a = 3

需要在x = 1处连续,则:

limx1(x2+3x+3)=limx1+(mx+b)m+b=5\lim_{x \to 1^-}(-x^2 + 3x + 3) = \lim_{x \to 1^+}(mx + b) \\ m + b = 5

需要在x = 1处可微,则:

limx1f(x)=limx1(2x+3)=1limx1+f(x)=limx1+(m)=mm=1b=4\lim_{x \to 1^-}f'(x) = \lim_{x \to 1^-}(-2x + 3) = 1 \\ \lim_{x \to 1^+}f'(x) = \lim_{x \to 1^+}(m) = m \\ \therefore m = 1 \\ b = 4

  1. b Use Rolle's Theorem to prove that between every two zeros of xn+an1xn1++a1x+a0x^n + a_{n - 1}x^{n - 1} + \cdots + a_1x + a_0 there lies a zero of nxn1+(n1)an1xn2++a1nx^{n - 1} + (n-1)a_{n-1}x^{n-2} + \cdots + a_1.

假设零点分别位于a,b两点,f(x)=xn+an1xn1++a1x+a0f(x) = x^n + a_{n - 1}x^{n - 1} + \cdots + a_1x + a_0,则:

f(a) = f(b) = 0

根据罗尔定理,存在x = c,使得f'(c) = 0,求f'(x)可得:

f(x)=nxn1+(n1)an1xn2++a1f'(x) = nx^{n - 1} + (n-1)a_{n-1}x^{n-2} + \cdots + a_1

即f'(x)存在一个零点。

证毕。


因为函数f在区间[a, b]有三个零点,假设其为x1,x2,x3x_1, x_2, x_3,那么

f(x1)=f(x2)=f(x3)=0f(x_1) = f(x_2) = f(x_3) = 0

根据罗尔定理,x1x_1x2x_2之间至少存在一点c1c_1,使得f(c1)=0f'(c_1)=0,同理至少存在一点c2c_2,使得f(c2)=0f'(c_2) = 0,则有:

f(c1)=f(c2)=0f'(c_1) = f'(c_2) = 0

再根据罗尔定理,c1c_1c2c_2之间至少存在一点c3c_3,使得f(c3)=0f''(c_3)=0,即ff''再[a, b]区间至少有一个零点。


因为f''在区间[a, b]大于零,即连续。根据罗尔定理,如果f'存在两个零点x1x_1x2x_2

f(x1)=f(x2)=0f'(x_1) = f'(x_2) = 0

那么在x1x_1x2x_2之间至少存在一点cc,使得f(c)=0f''(c) = 0,这个和f>0f'' > 0矛盾。f<0f'' < 0的情况也如此。


假设三次多项式的导函数有四个或更多的零点(解),那么根据罗尔定理,f'就有至少3个零点(解)。但是f'是二次函数,它最多只有两个解,显然矛盾。所以函数f最多有三个零点。