高等数学微分中值定理教学ppt课件.ppt

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1、第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 第三章第三章 导数的应用导数的应用 第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 第二节第二节 函数的性质函数的性质 第三节第三节 洛必达法则洛必达法则 第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 本节主要内容本节主要内容: : 一一. .罗尔中值定理罗尔中值定理二二. .拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理三三. .柯西中值定

2、理柯西中值定理第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分一、罗尔中值定理一、罗尔中值定理 费马（费马（FermatFermat）引理）引理函数函数y=f(x)在在N(x0, )有定义，有定义，y=f (x0)存在，存在， f(x) f(x0) (f(x) f(x0)0()0 fx 定义定义3.1.13.1.1 导数等于零的点称为函数的导数等于零的点称为函数的驻点驻点（或（或稳定点、临界点稳定点、临界点) )第三章第三章 导数的应

3、用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分引理的直观意义引理的直观意义: 可导函可导函数极值点处的切线平行于数极值点处的切线平行于 x 轴轴.第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 定理定理3.1.1 （罗尔中值定理）（罗尔中值定理）设函数设函数y= f(x)在区间在区间a,b上有

4、定义，如果上有定义，如果 （1）函数）函数 f (x)在闭区间在闭区间a，b上连续上连续； （2）函数）函数 f (x)在开区间在开区间（a，b）内可导）内可导； （3）函数）函数 f (x)在区间两端点处的函数值相等，即在区间两端点处的函数值相等，即f (a)= f (b)；则在（则在（a，b）内）内至少至少存在一个点存在一个点 a b，使得使得f ( )=0 .例如例如,32)(2 xxxf).1)(3( xx,3 , 1上连续上连续在在 ,)3 , 1(上上可可导导在在 , 0)3()1( ff且且)3 , 1(1( , 1 取取. 0)( f),1(2)( xxf第三章第三章 导数的应

5、用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 因为函数 f(x) 在区间 a,b 上连续，函数 f(x) 在闭区间 a,b 上必能取到最大值 M 和最小值 m ,考虑两种可能的情况： (1) 若 m=M,则 f(x) 在 a,b 上恒等于常数 M(或 m),因而在 (a,b) 内处处有f (x)=0，因此可取 (a,b) 内任意一点作为而使得f ()=0成立。定理的证明定理的证明第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理

6、变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 (2) 若 mM，因为 f(a)=f(b)，因此m、M 不可能同时是两端点的函数值，即最小值 m 和最大值 M至少有一个在开区间(a,b)内部取得，不妨设 f ()=M， (a,b). 由条件(2)和费马定理推知 f ()=0.第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 罗尔定理的几何意义罗尔

7、定理的几何意义：如果连续函数除两个端：如果连续函数除两个端点外处处有不垂直于点外处处有不垂直于x轴的切线，并且两端点处纵坐轴的切线，并且两端点处纵坐标相等，那么在曲线上至少存在一点标相等，那么在曲线上至少存在一点 ，在该点处，在该点处的切线平行于的切线平行于x 轴轴(如下图）。如下图）。第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 1.罗尔定理中的罗尔定理中的是是(a,b)内的某一点，定理仅从理论内的某一点，定理仅从理论上指出了它

8、的存在性，而没有给出它的具体取值；上指出了它的存在性，而没有给出它的具体取值； 2.罗尔定理的条件是充分非必要条件，只要三个条件罗尔定理的条件是充分非必要条件，只要三个条件均满足，就充分保证结论成立。但如果三个条件不全均满足，就充分保证结论成立。但如果三个条件不全满足，则定理的结论可能成立也可能不成立。看如下满足，则定理的结论可能成立也可能不成立。看如下例子：例子：两点说明：两点说明：第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分(

9、 ) 01 0 1 xxf xx时例时10 xy. 0)(, f使使不不例例;1 , 1,)( xxxf. 0)(, f使使不不10 xy1 ).1()0()3(ff (1) ( )0,1f x 在在上上连续连续(2) ( )(0,1)f x 在在内可导内可导(3) ( 1)(1).ff (1) ( ) 1,1f x 在在上上连续连续(2) ( )( 1,1)f x 在在内可导内可导第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分例例

10、10 xy;1 , 0,)( xxxf. 0)(, f使使不不(3) (0)(1).ff (1) ( )0,1f x 在在上上连续连续(2) ( )(0,1)f x 在在内可导内可导第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分例例1 1 验证罗尔中值定理对函数验证罗尔中值定理对函数f(x)=x3+4x2-7x-10 在区间在区间-1,2上的正确性，并求出上的正确性，并求出 解得解得令令f (x)=3x2+8x-7=0 x4373

11、（1） f(x)= x3+4x2-7x-10在区间在区间-1,2上连续；上连续；（2） f (x)=3x2+8x-7在（在（-1,2）内存在；）内存在；（3）f (-1)=f (2)= 0；所以所以 f(x)满足定理的三个条件满足定理的三个条件.374( 1, 2)3 则则就是要找的点，显然有就是要找的点，显然有f ()=0.解解第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分例例2 2 证明方程证明方程x5-5x+1=0有且仅有一个

12、小于有且仅有一个小于1的正实的正实根根存在性：存在性：令令 f(x)= x5-5x+1，则则f(x)在在0,1上连续上连续f(0)=1，f(1)=-3，由介值定理：至少存在一点，由介值定理：至少存在一点x0(0,1),使使f (x0)=0 ， x0即为方程的小于即为方程的小于1的正实根的正实根.唯一性：唯一性：设另有设另有x1(0,1), x1 x0,使使f (x1)=0因为因为f(x)在在x1 ，x0之间满足罗尔定理的条件之间满足罗尔定理的条件所以至少存在一点所以至少存在一点 (在在x1 ，x0之间之间),使得使得f ()=0但但f (x)=5x4-50 , x(0,1),矛盾矛盾,所以为唯

13、一实根所以为唯一实根.证明证明第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分例例3 不求函数不求函数f (x)=(x-1)(x-2)(x-3)的导数，说明方的导数，说明方程程 f (x)=0有几个实根有几个实根 函数函数f(x)在在R上可导上可导,所以在区间所以在区间1,2,2,3上满足上满足罗尔定理的条件罗尔定理的条件,所以在区间（所以在区间（1,2)（2,3)内分别至少有内分别至少有一实根；一实根；又又 f (x)=0是二次方程

14、是二次方程,至多有二个实根；至多有二个实根；所以方程所以方程f (x)=0 有且仅有两个实根有且仅有两个实根,它们分别落在区它们分别落在区间（间（1,2) （2,3)内内解解第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 定理定理3.1.2 （拉格朗日中值定理）（拉格朗日中值定理）设函数设函数 y=f(x)满足满足（1）在闭区间）在闭区间a，b上连续上连续； （2）在开区间）在开区间（a，b）内可导）内可导；那么在那么在(a，b)内

15、内至少存在一点至少存在一点 (a b) ，使得，使得 f (b)- f (a)= f ( )(b-a)或或)()()( fabafbf二、拉格朗日中值定理二、拉格朗日中值定理第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分注意到注意到, , Rolle定理是定理是Lagrange定理的特殊情况。定理的特殊情况。证明思想证明思想构造辅助函数法构造辅助函数法 由于证明这个定理，目前只有由于证明这个定理，目前只有Rolle定理可用，因定理可

16、用，因此想若能构造一个辅助函数此想若能构造一个辅助函数 (x) , ,使其满足使其满足Rolle定理定理的条件，同时想办法接近要证明的结论的条件，同时想办法接近要证明的结论. .第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分则函数则函数 (x)在区间在区间a b上满足罗尔定理的条件上满足罗尔定理的条件(1) (2) 又又作辅助函数作辅助函数f bf axf xxba( )( )( )( ). a( ) b( ), b f aa f

17、bba( )( ) 所以，由罗尔中值定理，在所以，由罗尔中值定理，在(a,b)内至少存在一点内至少存在一点 ,使使f bf afba( )( )( )( )0 即即 f (a)- f (b)= f ( )(b-a)定理的证明定理的证明第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分拉格朗日中值公式又称拉格朗日中值公式又称有限增量公式有限增量公式. 1.拉格朗日中值定理的两个条件是使结论成立的充拉格朗日中值定理的两个条件是使结论成立的充

18、分不必要条件；分不必要条件； 2.当当f (a)=f (b)时，拉格朗日中值定理即为罗尔中值时，拉格朗日中值定理即为罗尔中值 定理；定理；00()()( )f xxf xfx 3.设设f (x)在在a,b上连续，在上连续，在(a,b)内可导内可导,x0,x0+ x(a,b)则有则有( )yfx 即即几点说明：几点说明：第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 拉格朗日定理的几何意义拉格朗日定理的几何意义：当曲线方程满足拉格：当

19、曲线方程满足拉格朗日定理的要求时，在区间内至少存在一点朗日定理的要求时，在区间内至少存在一点 ，使得，使得该点的切线平行于曲线两端点该点的切线平行于曲线两端点 ( a, f(a) )与与 ( b, f(b) )的的连线，其斜率为连线，其斜率为f bf akfba( )( )() 第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 推论推论1 1 设设 y=f (x) 在在 a, b 上连续，若在上连续，若在(a, b)内内的导数恒为零，

20、则在的导数恒为零，则在a, b上上 f (x) 为常数为常数.fxf xC( )0( ) 推论推论2 2 如果函数如果函数y=f(x)与与y=g(x)在区间在区间(a,b)内的内的导数处处相等，即导数处处相等，即f (x)=g (x) ，则这两个函数在，则这两个函数在(a,b)内内只相差一个常数，即只相差一个常数，即f(x)-g(x)=C 第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 设设f (x)=arcsinx+arccosx

21、,由推论由推论1知知 f (x)=C所以所以xxxarcsinarccos( 11)2例例4 4 证明：证明：fxxx2211( )011 又因为又因为f (0)arcsin0arccos0022C2 即即xxxarcsinarccos( 11)2证明证明则则f (x)在在0,1上连续，又上连续，又第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 设设f (x)=ln(1+x),则则f (x)在在0,x上上满足拉格朗日满足拉格朗日中值

22、定理的条件，中值定理的条件，即即由由于于因为因为0 0时，时，xxxxln(1)1 f xffxx( )(0)( )(0),(0) 所以上式变为所以上式变为ffxx1(0)0,( )1 xxxx11 xxln(1)1 即即xxxxln(1)1 证明证明第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分 定理定理3.1.3 （柯西中值定理）（柯西中值定理）设函数设函数y=f(x)与与y=g(x)在闭区间在闭区间a,b上连续，在开区间上连续

23、，在开区间(a,b)内可导，且内可导，且 g (x)在在(a,b)内恒不为零，则至少存在内恒不为零，则至少存在一点一点 (a,b)，使得，使得 f bf afg bg ag( )( )( )( )( )( ) 注意：拉格朗日中值定理是柯西中值定理当注意：拉格朗日中值定理是柯西中值定理当g(x)=x时时的一种特例。的一种特例。三、柯西中值定理三、柯西中值定理第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分( )( )( )( )0( )

24、( )f bf agfg bg a ( ) 分析分析:( )( )g bg a ( )()gba ab 0 问题转化为证问题转化为证( )( )( )( )( )( )( )f bf axg xf xg bg a 构造辅助函数构造辅助函数证证: 作辅助函数作辅助函数( )( )( )( )( )( )( )f bf axg xf xg bg a ( ) ( )( ) ( )( )( )( )( )f b g af a g babg bg a ,),(,)(内可导在上连续在则babax且且第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器

25、、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分, ),(ba使使, 0)(即即由罗尔定理知由罗尔定理知, 至少存在一点至少存在一点( )( )( ).( )( )( )f bf afg bg ag 思考思考: 柯西定理的下述证法对吗柯西定理的下述证法对吗 ?( )( )( )(),( , )f bf afbaa b ( )( )( )(),( , )g bg agbaa b 两个两个 不不一定相同一定相同错错! !上面两式相比即得结论上面两式相比即得结论. 第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电

26、气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分( )( )( )( )( )( )f bf afg bg ag ( )g ( )g a( )( )xg tyf t )(af( )g b)(bf( )( )dyftdxg t 弦的斜率弦的斜率切线斜率切线斜率xyO几何意义：几何意义：注意：注意：第三章第三章 导数的应用导数的应用第一节第一节 微分中值定理微分中值定理 变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分1. 微分中值定理的条件、结论及关系微分中值定理的条件、结论及关系罗尔定理罗尔定理拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理柯西中值定理柯西中值定理( )( )f bf a ( )g xx ( )( )f bf a ( )g xx 2. 微分中值定理的应用微分中值定理的应用(1) 证明恒等式证明恒等式(2) 证明不等式证明不等式(3) 证明有关中值问题的结论证明有关中值问题的结论关键关键: 利用逆向思维利用逆向思维设辅助函数设辅助函数费马引理费马引理内容小结内容小结