拉格朗日中值定理

说的是,当曲线两侧的端点相等时,曲线上存在某点的与端点的连线平行。从几何上看“端点相等”这个要求似乎有点多余,去掉该要求好像也会有类似的性质,如下图所示。

两侧端点相等或不相等,都有微分与端点的连线平行

去掉“端点相等”后,就得到了本节要介绍的 拉格朗日中值定理

1 拉格朗日中值定理
如果函数满足:
  • 在闭区间
  • 在开区间

那么,使得

引进辅助函数:

容易知道,满足的条件:

  • 在闭区间
  • 在开区间

所以使得,即:

由此可得

这里解释下上述证明中的辅助函数是怎么得来的。首先对该定理的结论进行变形,有:

结合,我们会希望上式的左侧为某函数,即:

所以在上述证明中,我们假设:

拉格朗日中值定理在微积分中比较重要,所以有时候也直接称为 微分中值定理

2 拉格朗日中值定理的几何解释

下面解释一下拉格朗日中值定理的几何意义。从下图可以看出,是两侧端点连线的斜率。

两侧端点连线的斜率为

所以“,使得”意味着,上存在某点,其与端点的连线平行,如下图所示。

点的微分与端点的连线平行

也有可能存在多个点的与端点的连线平行,如下图所示。

多个点的微分与端点的连线平行

若有,则可推出,那么就变为了。所以说是拉格朗日中值定理的特例,如下图所示。

罗尔中值定理是拉格朗日中值定理的特例

3 拉格朗日中值定理的物理解释

下面再通过交通管理中的区间测速来理解下拉格朗日中值定理,如下图所示。

区间测速

假设在点抓拍一次,得到时间点的汽车位移;在点抓拍一次,得到时间点的汽车位移。由此可以算出其平均速度为,也就是端点连线的斜率,如下图所示。

平均速度,就是端点连线的斜率

在整个路程中的瞬时速度可能:

  • 如果是匀速前进:那么整个路程的瞬时速度必然始终等于平均速度
  • 如果是变速前进:那么整个路程的瞬时速度必然有大于、等于、小于的情况

下面是变速前进的动画,某点的斜率就是当时的瞬时速度。为金黄色时瞬时速度大于,为紫色时(也就是平行闪烁时)瞬时速度等于,为红色时瞬时速度小于

紫色时(也就是平行闪烁时)瞬时速度等于

所以如果限速为,而区间测速测出平均速度,那么根据拉格朗日中值定理,就可以判定路程中必然至少有一个点超速。

练习题 已知,以及处处有,请问最大可能值为多少? 3 5 7 根据题意可知在闭区间上连续,在开区间上可导。从而根据拉格朗日中值定理,所以使得:

因为,以及处处有,所以:

本题的几何意义是,若将对应的曲线看作山脉,那么在点处该山脉的高度为。沿着该山脉行走,由于整段山脉的斜率都不会超过,所以在点处该山脉的高度无论如何都不会超过。下图绘制了两种可能的情况。

情况 1

情况 2

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