MA.3.3 微分中值定理

Fermat 定理 和 Rolle 定理

极值

以极大值、极大值点为例
f:U(x0,δ)→R,若∀x∈U(x0,δ),都有

f(x0)≥f(x)

则称f(x0)为f的极大值,点x0为f的极大值点

极值点与最值点的关系?

本质上无关:最值具有局部性
但是

Theorem

定义域内部的最值点一定是极值点

Fermat 定理

设f在x0取极值, 且f在x0可导, 则f′(x0)=0
Tip: x0为I的一个内点(即非端点)

可导的极值点必为驻点
极值也可在不可导点取得,故
极值点必包含于驻点和不可导点中.

Rolle 定理

设f∈C[a,b]∩D(a,b), 且f(a)=f(b), 则
∃ξ∈(a,b)使得f′(ξ)=0

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有最大、最小值, 即∃ξ1, ξ2∈[a,b], 使得
f(ξ1)=m=minx∈[a,b]f(x), f(xi2)=M=maxx∈[a,b]f(x)

> 令M,m为f在[a,b]的最大、小值
> 若M=m, 则f为常值函数, 结论显见
> 若M>m
> ∵f(a)=f(b)
> ∴M,m中至少有一个≠f(a)=f(b)
> 不妨设M≠f(a)=f(b)
> ⇒∃ξ∈(a,b)―
> M=f(ξ)在f内部
> ∵M为最大值, f∈D[a,b]
> 由 #Fermat引理 f′(ξ)=0

Example

证明:∀C∈R, x3−3x+C=0在[0,1]不存在两个相异实根

证明:(反证法)
若∃x1<x2∈[0,1]均为实根
令f(x)=x3−3x+C,x∈[x1,x2]
∴f∈D[x1,x2],f(x1)=0=f(x2)
根据 #Rolle定理
∃ξ∈(x1,x2)⊂[0,1]:f′(ξ)=0
∵f′(ξ)=3ξ2−3<0,矛盾

Example

#极限的构造

设f∈C(a,b)∩D(a,b), 且f(a)=f(b)=0.
证明:∃ξ∈(a,b)使f(ξ)+f′(ξ)=0

Analysis:
即证:
(1+f′(x)f(x))=0
⇒(x+ln⁡f(x))′=0⋯f(x)>0
⇒(ln⁡ex+ln⁡f(x))′
⇒[ln⁡exf(x)]x=ξ′=defln⁡F(x)=0
⇒ln⁡F(x)有驻点⇒F(x)有驻点

Proof:
F(x):=exf(x)
∴F∈C[a,b]∩D(a,b)…保四则运算
且F(a)=eaf(a)=0, F(b)=ebf(b)=0
#Rolle定理
⇒∃ξ∈(a,b),F′(ξ)=0
即:ex(f(ξ)+f′(ξ))=0
⇒f(ξ)+f′(ξ)=0

从结论出发

eλxf(x),xαf(x),sin⁡xf(x),cos⁡xf(x)

微分中值定理

Lagrange 中值定理

设f∈C[a,b]∩D(a,b),则∃ξ∈(a,b)使得:

f′(ξ)=f(b)−f(a)b−a

Analysis:
即证:[f′(x)−f(b)−f(a)b−a]x=ξ=0
⇒[F(x)−◻ x]x=ξ′=0
l:y=kx,AB:y=kx+b


Proof:
令F(x):=f(x)−[f(a)+f(b)−f(a)b−a(x−a)]
则:(四则运算)F(x)∈C[a,b]∩D(a,b)且F(a)=F(b)=0
#Rolle定理
∃ξ∈(a,b),F′(ξ)=0
即:f′(ξ)−f(b)−f(a)b−a=0

变形: Lagrange 中值公式

f(x2)−f(x1)=f′(ξ)(x2−x1)

F(x+Δx)−f(x)=f′(x+θΔx)Δx, θ∈(0,1)

常值函数

设I为区间,f∈D(I),且f′(x)=0,则:f(x)=C

Proof:

∀x1,x2∈I
则:∃ξ∈(x1,x2)使:
#Lagrange中值公式
f(x2)−f(x1)=f′(x)(x2−x1)

导数相同

设I为区间,且f′(x)=g′(x),则:f(x)−g(x)=C

Lipschitz 条件

若∃L>0(常数),使∀x1,x2∈I有

|f(x2)−f(x1)|≤L(x2−x1)

则称f在I上满足Lipschitz条件

Corollary

设f∈D(I),且f′(x)在I有界, 则f在I上满足Lipschitz条件, 从而f∈U.C(I)

Proof:

∵f′有界
∃L>0,∀x∈I,|f′(x|<L
∴∀x1,x2∈I,∃ξ∈(x1,x2)或(x2,x1)
#Lagrange中值公式
|f(x2)−f(x1)|=|f′(ξ)(x2−f(x1))|≤L|x2−x1|

Proposition

f在I上满足Lipschitz条件⇒f∈U.C(I)

Proof:

∀ε>0,∃δ>0,(不妨取δ=Lε)
使∀x1,x2∈I,且|x2−x1|<δ:
|f(x2)−f(x1)|≤L|x2−x1|≤ε

Question

Lipschitz←?U.C
Lipschitz→?导数有界

Example

判断f(x)=x在[1,∞)上的一致连续性

证明f′有界即可

证明恒等式arcsin⁡x+arccos⁡x=π2

f′=0→x:=0

Corollary

f′(x)=0在开区间成立,但在闭区间连续 ⇒f′(x)=0可以推广到闭区间

Cauchy 定理

设f,g∈C[a,b]∩D(a,b), 且∀x∈(a,b),g′(x)≠0, 则∃ξ∈(a,b)使

f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ)

即证:[f′(x)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)g′(x)]x=ξ=0
即证:[f(x)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)g(x)]x=ξ′=0
令F(x):=[(f(x)−f(a))−f(b)−f(a)g(b)−g(a)(g(x)−g(a))]x=ξ=0
#Rolle定理
∃ξ∈(a,b):F′(ξ)=0
即:f′(ξ)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)g′(x)=0

Example

0<a<b,f∈C[a,b]∩D(a,b).证明:∃ξ∈(a,b), 使:

f(b)−f(a)=ξf′(ξ)ln⁡ba

⇒f(b)−f(a)ln⁡b−ln⁡a=f′(ξ)1ξ

导函数的性质

Intro

f(x)={ln⁡(1+2x)x>0sin⁡xx≤0,f+′(0)=?.

Solution.1:
定义:limx→0+f(x)−f(0)x−0=limx→0+ln⁡(1+2x)−0x=2
Solution.2:(WRONG!)
x>0:f′(x)=21+2x⇒f+′(0)=limx→0+21+2x=2

很遗憾, 若f(0)≠0, 此时Solution1极限不存在, 但Solution2仍然能算出(错)解

导函数极限与导数的关系

设f在x0右连续, 在(x0,x0+δ)可导, 若limx→x0+f′(x)=l, 则f在x0右可导, 且f+′(x0)=l

左导数类似

∵f∈C[x0,x]∩D(x0,x)
∴∃ξx∈(x0,x)…ξ依赖于x
#Lagrange中值公式
∵f(x)−f(x0)x−x0=f′(ξx)
∴limx→x0+f(x)−f(x0)x−x0=limx→x0+f′(ξx)=limξ→x0+f′(ξx)=l

且慢

graph LR
右连续 -- 满足 --> 右可导 -- 满足 --> 右导数=导函数极限
右连续 -- 不满足 --> 不可导
右可导 -- 不满足 --> 不可导

Review: 连续、可导、导函数

无第一类间断点

Corollary

设f∈D(a,b), 则f′(x)在(a,b)内无第一类间断点

开区间连续函数的导数无第一类间断点

Proof:

(反证法)
若∃x0∈(a,b)是第一类间断点
∴limx→x0−f′(x)=l1, limx→x0+f′(x)=l2
∵f在x0可导⇒f连续
∴f−′(x0)=l1, f+′(x0)=l2
∵f在x0可导
∴f+′(x0)=f−′(x0)=f′(x0)
i.e. l1=l2=f′(x0)
∴limx→x0f′(x)=f′(x0)⇒连续,矛盾

"零值性" / Darboux 定理

设f∈D[a,b], 且f′(a)⋅f′(b)<0, 则:∃ξ∈(a,b),使

f′(ξ)=0

Proof:

不妨f+′(a)>0,f−′(b)<0
∴f+′(a)=limx→a+f(x)−f(a)x−a>0
#极限局部保号性
∃δ1>0, ∀x∈(a,a+δ1)有:
f(x)−f(a)x−a>0…取绝对值
取x=x1∈(a,a+δ),则:f(x1)−f(a)x1−a>0
⇒f(x1)>f(a)
同理:f(x2)>f(b)
又∵f∈C[a,b], ∴∃ξ∈[a,b]使f(ξ)=maxa≤x≤b{f(x)}
注意:f(ξ)≥{f(x1>f(a)f(x2)>f(b)
⇒ξ(a,b)从而f(ξ)极大值
#Fermat定理
f′(ξ)=0

"介值性"

设f∈D[a,b], 且f′(a)<f′(b), 则:∀λ∈(f′(a),f′(b)), ∃ξ∈(a,b),使

f′(ξ)=λ

Proof:
令F(x):=f(x)−λx
x∈[a,b],则F∈D[a,b],且
F′(a)=f′(a)−λ<0, F′(b)=f′(b)−λ>0
#Darboux定理
∃ξ∈(a,b)
F′(ξ)=0
即:f(ξ)=λ