柯西中值定理

讨论的都是可以用函数来表示的曲线,其实不能用函数表示的曲线也有类似的性质,如下图所示。

不能用函数表示的曲线,也存在微分与端点的连线平行

曲线如果可以通过参数方程来表示,那么就可以通过本节要介绍的 柯西中值定理 来处理。

1 柯西中值定理的第一种形式
如果函数满足
  • 在闭区间
  • 在开区间

那么使得。若还有,则该式可改写为:

因为,所以可构造辅助函数:

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,如果,那么该式可改写为

要直观理解柯西中值定理,需将组成参数方程。为符合习惯,用来表示自变量,即设有参数方程:

该参数方程对应的曲线如下图所示。端点是时对应的点,及对应的点。显然存在某时对应的点,其微分与端点连线平行。

点的微分与端点连线平行

容易知道端点连线的斜率为;加上点的的斜率为,所以有:

2 柯西中值定理的第二种形式
如果函数满足
  • 在闭区间
  • 在开区间

那么,使得

(1)证明。根据,存在一点,满足:

根据题意,因此

        (2)证明所需结论。构造辅助函数:

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

柯西中值定理的两种形式大同小异,其中第二种形式也就是同济大学《高等数学·上》中的柯西中值定理。第二种形式往往不适用于参数方程,这是因为参数方程的图像大多存在转折,在转折的地方有,不满足使用的条件。

比如上面提到的参数方程,在转折的地方就有,如下图所示,因此无法套用柯西中值定理的第二种形式。

以及

练习题 下面关于柯西中值定理的证明方法正确吗?
由于上都满足的条件,故,使得:

如果有以及,那么上述两式相除可得:

正确 错误 上述方法是错误的。因为对于函数中的未必相同,比如:
  • ,在上使得成立的,如下图所示

  • ,在上使得成立的,如下图所示

上述是不相等的,因此无法推出有:

顺便说一下,上述两个函数可以构成参数方程,该参数方程在上使得柯西中值定理成立的,如下图所示。

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