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。
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 。
如果函数满足:那么,使得。
引进辅助函数:
容易知道,满足的条件:
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的,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 。
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。
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。
也有可能存在多个点的与端点的连线平行,如下图所示。
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。
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。
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。
在整个路程中的瞬时速度可能:
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。
所以如果限速为,而区间测速测出平均速度为,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。