1、键入文字 西安交通工程学院高等数学教案1 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组时间-月-日星期-课题 3.1 微分中值定理教学目的 理解并会用罗尔定理、拉格朗日定理,了解柯西中值定理。教学重点 罗尔定理、拉格朗日定理的应用。教学难点 罗尔定理、拉格朗日定理的应用。课 型 基础课 备课组教法选择 讲 授 教 学 过 程 教法运用及板书 要点一、罗尔定理1. 罗尔定理几何意义:对于在 上每一点都有不垂直于 轴的切线,且两端点,bax的连线与 轴平行的不间断的曲线 来说,至少存在一点 C,使得其x)(xf切线平行于 轴。CA B从图中可以看出:符合条件的点出现在最大值和最小值点,由此得到启发证明
2、罗尔定理。为应用方便,先介绍费马(Fermat)引理费马引理 设函数 在点 的某邻域 内有定义 并且在)(xf0)(0xU处可导 如果对任意 有 (或 ) 那么0xU)(f(0f )(f证明:不妨设 时, (若 ,可以类似地)(0x)(0xf)(0xfab12yo键入文字 西安交通工程学院高等数学教案2 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组此表 2 学时填写一份, “教学过程”不足时可续页证明).于是对于 ,有 , 从而当 时, )(00xU)(00xff; 而当 时, ;)(0xf根据函数 在 处可导及极限的保号性的得)(f00 xf 0)(limxff,所以 , 证毕.)(0 0x 0
3、)(xf定义 导数等于零的点称为函数的驻点(或稳定点,临界点).罗尔定理 如果函数 满足:(1)在闭区间 上连续 (2)在开区)(f ,ba间 内可导 (3)在区间端点处的函数值相等,即 那么在),(ba )(f内至少在一点 使得函数 在该点的导数等于零,即)(ba)(xf 0)(f证明:由于 在 上连续,因此必有最大值 M 和最小值 ,于是)(xf, m有两种可能的情形:(1) ,此时 在 上必然取相同的数值 M,即mM)(f,ba .)(xf由此得 因此,任取 ,有.0)(xf ).0)(f(2) ,由于 ,所以 M 和 至少与一个不等于 在()fm)(xf区间 端点处的函数值.不妨设 (
4、若 ,可类似证明),则必定,ba)af)f在 有一点 使 . 因此任取 有 , 从而由费马引),(f)(,bx(x理有 . 证毕0f【例 1】 验证罗尔定理对 在区间 上的正确性32)(xf ,1解 显然 在 上连续,在)(2xf )(3,上可导,且 , 又 , 取)3,1(0)3(1f )1(2xf键入文字 西安交通工程学院高等数学教案3 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组,有 .)31(,0)(f说明:1 若罗尔定理的三个条件中有一个不满足, 其结论可能不成立;2 使得定理成立的 可能多于一个,也可能只有一个.【例 2】 证明方程 有且仅有一个小于 1 的正实根.015x证明:设 ,
5、 则 在 上连续,且)(xf )(f, .3)1(,0ff由介值定理存在 使 , 即 为方程的小于 1 的正实根.,00x0设另有 使 因为 在 之间满足罗)1(x.)(1f)(xf0,尔定理的条件, 所以至少存在一个 (在 之间)使得 .0,f但 , 矛盾, 所以 为方程的唯一实根.)(5)4xf )(,00x2、拉格朗日(Lagrange)中值定理在罗尔定理中,第三个条件为(iii) ,然而对一般的函数,)(bfaf此条不满足,现将该条件去掉,但仍保留前两个条件,这样,结论相应地要改变,这就是拉格朗日中值定理:定理 2:若函数满足:(i) 在 上连续 ; )(xf,ba(ii) 在 上可导
6、; )则在 内至少存在一点 ,),(使得 。abff)(即 ()()ffx-=-若此时,还有 , 。可见罗尔中值定理是拉格0)(f朗日中值定理的一个特殊情况,因而用罗尔中值定理来证明之。证明:上式又可写为 (1)(abff作一个辅助函数: (2)()(xxF显然, 在 上连续,在 上可导,且)(x,ba),(-2 -1 1 2-0.75-0.5-0.250.250.50.75键入文字 西安交通工程学院高等数学教案4 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组)()()( afabffaFb,所以由罗尔中值定理,在 内至少存在一点 ,使得)(),(b。 又 0(FaffxfF)(或 。0)(abf
7、f abff)()(注 1:拉格朗日中值定理是罗尔中值定理的推广;2:定理中的结论,可以写成 ,)()(fafb)此式也称为拉格朗日公式,其中 可写成:()(01)a(3)()fbfba若令 (4),h()()hfh3:若 ,定理中的条件相应地改为: 在 上连续,在a(x,ab内可导,则结论为: ),(b )(faf也可写成 ()b可见,不论 哪个大,其拉格朗日公式总是一样的。这时, 为介于a,之间的一个数,(4)中的 不论正负,只要 满足条件,(4)就成立。b, h)(xf4:设在点 处有一个增量 ,得到点 ,在以 和 为端点xxx的区间上应用拉格朗日中值定理,有 xfff )()()10(
8、即 这准确地表达了 和 这两个增量间的xyyx关系,故该定理又称为微分中值定理。5:几何意义:如果曲线 在除端点外的每一点都有不平行于)(fy轴的切线,则曲线上至少存在一点,该点的切线平行于两端点的连线。y键入文字 西安交通工程学院高等数学教案5 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组由定理还可得到下列结论:推论 1:如果 在区间 上的导数恒为 0,则 在 上是一个常数。)(xfyI)(xfI证明:在 中任取两点 , 在 连续,在I12()x, )(fy12,可导,由拉格朗日中值定理,则在 内至少存在一点 ,使得12(,)x 12,12()()ffxfx由假设可知在 上, ,从而在 上, ,
9、I012(,0)(xf, 所以 ,)(f 0)xf )f可见, 在 上的每一点都有: (常数) 。xI )(f【例 1】 【例 3】 证明当 时 . 0ln(1)xx+证: 设 ,显然 在0 ,x上满足拉格朗日中值定()ln(1)fx=f理条件,故至少存在一点 使0,x()0()fx-=由于 , , ,代入上式有1()fx=+()f=1()f+即 ln()1Lnxx- ln()1x=又由于 所以0+即 11x+ln(1)xx(1)xlnx+注:(1)构造辅助函数 ;(2)正确确定区间左右端点,利用 TH2 可()f得.三、 三、柯西中值定理定理 3:若 满足:)(,xFf(1)在 上连续; (
10、2)在 内可导;(3) ba),(ba(,)xab(0Fx键入文字 西安交通工程学院高等数学教案6 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组则在 内至少存在一点 ,使得 。),(ba)()(aFbff证明:令 ,显然, 在 上连)()( xfFafxx,续,且 在 内可导,更进一步还有 ,事实上, ,ba)(ba)()()()()( afFfbaFf 0)()( afbFf所以 满足罗尔定理的条件,故在 内至少存在一点 ,使得x,b,0)(又 )()()( xfFabfx因为 , 0)()(fFabf 0)(F)()(ff注 1:柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广,事实上,令 ,xF)(就得
11、到拉格朗日中值定理;2:几何意义:若用 ( )表示曲线 ,则其几何)(xFYfXbxac意义同前一个。【例 4】 【例 4】 证明 ( ) 。2arcosrsin1证:令 ,xxf)(,01 22f由推论知 f(x)=常数!再由 ,故 。)(f 2arcosrsinx键入文字 西安交通工程学院高等数学教案7 / 7西安交通工程学院高等数学课程建设组【例 6】 【例 5】若方程 有一个正根 ,0110 xaxann 0x证明方程 必有一个小于 的正根。)(21证明:令 ,在闭区间 上满足罗xaxaxf nn110)( ,0x尔定理的三个条件,故 )(f)01210( nnn axx)(1210 nna上式表明 ( )即为方程x0x的根。110ann