高等数学:第三章 微分中值定理与导数的应用(1)中值定理 罗比达法则 泰勒公式

来源:互联网 发布:学生如何正确使用网络 编辑:程序博客网 时间:2024/04/27 18:07

§3.1  中值定理

一、罗尔定理

在闭区间上连续,开区间内可导,且,则至少存在一点,使

在证明罗尔定理之前,我们先来描述一下它的几何意义。

为了使同学们更直观地看到这一点,我们在计算机上做一个动画实验:

【定理证明】

上连续,据闭区间上连续函数的最大值和最小值定理上取得最大值和最小值, 这样只有两种可能情形:

(1)、。 这时  

, 有 

(2)、

, 所以  和  中至少有一个不等于 

不妨设 ,  ,使      

下面证在点处的导数等于零,即       

存在,故极限存在,故其左、右极限均存在且都等于

因 ,当  时,有

从而  

当  时,有

从而  

故    

罗尔定理的三个条件缺一不可,否则结论不真。试看下例:

 

 

二、拉格朗日中值定理

去掉罗尔定理中相当特殊的条件 ,仍保留其余两个条件,可得到微分学中十分重要的拉格朗日中值定理。

【拉格朗日中值定理】 若在闭区间上连续,在开区间内可导,则至少存在一点,使得

                         (1)

在证明之前,我们先看一下定理的几何意义。

是弦的斜率,为曲线在点处的切线斜率。在曲线上至少有一点,使曲线在点处的切线平行于弦

由于拉氏中值定理与罗尔定理十分相似,我们设法构造一个满足罗尔定理三个条件的辅助函数,利用它完成拉氏中值定理的证明。很自然地,取弧AB与弦AB所代表的函数之差就行了。

【证明】作辅助函数

上连续,在可导,且,由罗尔定理,至少存在一点 ,使 ,即

亦即    

把拉氏中值定理的证明思想移植到具体函数

上,我们编写了一个matlab程序gs0302.m,可较直观地验证上述证明思想的正确性。

拉氏中值定理是微分学中最基本的一个定理,有广泛的应用。我们对它特别给出如下重要注解。

1、当时式子(1)仍然成立。

2、设 (  或  ),在区间 (  ) 或  (  )上使用拉氏中值定理,我们有     

由于可正可负,因此,无法确定是区间,还是区间,因此,我们只能讲“在 与 之间

如下图所示,可表示成为:

             (2)

更一般地,在上使用拉氏中值定理有:

        (3)

3、在开区间内的导数恒为零  内恒为常数。

【证明】

充分性()设,显然   

必要性()

由拉氏中值定理有

由  ,得  

内的任意两点的函数值均相等,即

三、柯西中值定理

若函数满足下述三个条件:

(1)、 在  连续;

(2)、 在  可导;

(3)、

则至少存在一点 , 使得

                     (4)

柯西中值定理的几何意义也十分明显,考虑由参数方程所表示的曲线

曲线上点  处的切线斜率为     

的斜率为                    

假定点对应于参数,那未曲线点处切线平行于弦

于是           

【证明】首先注意到,这是由于

其中,根据假定,又,所以

作辅助函数

显然,适合罗尔定理的条件:

上连续;

上可导, 且

根据罗尔定理,,即

故  

对这三个中值定理,我们给出几点注解:

2、后两个中值定理的证法: 构造辅助函数,将之化归为罗尔定理的情形。这种考虑问题的方式,在数学与计算机编程上十分有用,称为“归一法”。

何为归一法呢? 下面的一段轶文可生动地说明其涵义。

人物:面试教师, 参试者甲(作家), 参试者乙(数学家)。

面试教师:

烧一壶开水的方法可简述为:

(1)给壶装满水(2)将壶放到煤气灶上(3)煤气灶点火(4)待水沸腾,将壶拿下。

若已知第二步已完成,该如何进行才能烧壶开水了? 请二位分别回答。

作  家:

给煤气灶点火,待水烧开后,将壶拿下。

数学家:

将壶中水倒掉,把问题化归为情形(1)就行了。

归一法:

若问题A的结构与解决步骤清楚了,求解问题B时,只需设法化B为A即可。

四、中值定理运用举例

【例1】试证: 当时, 有不等式 

【证明】考虑辅助函数 

由拉氏中值定理有

即      

而      

故      

【例2】对函数上验证柯西中值定理的正确性。

【解】显然在上满足柯西中值定理的三个条件:

上连续,在上可导,且

欲在上找到一点  使下式成立

即  

 ,  

 ,   ,  

只需取  ,显然  

这就验证了柯西中值定理的正确性。







§3.2  罗必达法则

( 或)时,两个函数都趋向于或都趋向于无穷大,那么,极限可能存在,也可能不存在。通常把这种极限叫做不定式,并分别简记为型或型。

对不定式,不能简单地用“商的极限等于极限商”这一求极限法则来处理。求不定式极限有一种简便方法 —— 罗必达法则见下述两个重要定理。

一、基本类型的不定式  型

【定理一】设

(1)、当  时,函数都趋于零;

(2)、在点的某个邻域内(点本身除处)存在,且

(3)、存在(或无穷大),

则      

【证明】因为求极限  与函数值 无关,

那么我们可设:, 这并不会影响极限

由这一假设及条件(1)、(2)两款知:

在点 的某个邻域内是连续的, 设是这邻域内的一点,

那么在以为端点的区间上, 全部地满足柯西中值定理的条件,因此有

时, ,而由(3)款知     

故      

为了更好地使用这一定理求极限,给出几点重要注解:

1、此定理用来处理时的型不定式极限问题。这种通过分子与分母导数之比的极限来确定不定式极限的方法称之为罗必达法则。

2、如果极限仍属于型, 且又满足定理中的条件,则可以再使用罗必达法则。即

3、如果不存在,不能断言也不存在,只能说明该极限不适合用罗必达法则来求。

反例:极限  存在,

而使用罗必达法则  不存在。

【例1】求极限

(1)、          (2)、

【解】

上述定理仅是适合于时的型不定式;对于时的型不定式,我们也有相应定理。

【定理二】设

(1)、当时,函数都趋向于零;

(2)、时存在,且是充分大的正数;

(3)、存在 ( 或无穷大 )

则      

这一定理的证明略。定理一的注解对它同样适用,仅需将改成即可。

【例2】求极限

(1)、        (2)、 

【解】 

对于 (或 )时的 型不定式,我们有如下相应的定理; 定理一的注解以它们仍适用,仅需作相应地改动。

【定理三】设

(1)、当时, 函数都趋向于无穷大;

(2)、点的某个邻域内(点本身除外)存在,且

(3)、存在 (或无穷大),

则      

【定理四】设

(1)、 当时, 函数都趋向于无穷大;

(2)、 时存在,且是充分大的正数;

(3)、 存在 ( 或无穷大 ),

则      

【例3】求极限

(1)、

(2)、

【解】

 

 

此例中的正整数改为一般正实数时,结论仍成立。 同学们可以自行验证。这样,我们获得一把函数趋向于无穷大的快慢标尺

二、其它类型的不定式

上述类型的不定式均可化归为 型或 型的不定式。

【例4】 

【解】 

  

 

结论可推广到一般   

【例5】 求

【解】

  

 

型的不定式,一般是幂指函数的极限,可采用对数求极限法

 

【例6】 求 

【解】 设  

 

取对数  

对对数函数求极限,最后转化为对函数的极限。

 

   

从而有     

 

【例7】 求 

【解】 

故       

 

【例8】求  

【解】 

三、求极限的一个重要工具包

利用这几个工具极限、求极限四则运算法则,可帮助我们快速地求出许多较为复杂的极限。

 

【例9】求极限  

【解】已知极限







§3.3  泰勒公式

常用近似公式,将复杂函数用简单的一次多项式函数近似地表示,这是一个进步。当然这种近似表示式还较粗糙(尤其当较大时),从下图可看出。

上述近似表达式至少可在下述两个方面进行改进:

1、提高近似程度,其可能的途径是提高多项式的次数。

2、任何一种近似,应告诉它的误差,否则,使用者“ 心中不安”。

将上述两个想法作进一步地数学化:

对复杂函数,想找多项式来近似表示它。自然地,我们希望尽可能多地反映出函数所具有的性态 —— 如:在某点处的值与导数值;我们还关心的形式如何确定;近似所产生的误差

【问题一】

在含的开区间内具有直到阶的导数,能否找出一个关于的  次多项式

近似?

【问题二】

若问题一的解存在,其误差的表达式是什么?

一、【求解问题一】

问题一的求解就是确定多项式的系数

 

 

 

 

……………

上述工整且有规律的求系数过程,不难归纳出:

于是, 所求的多项式为:

 (2)

二、【解决问题二】

泰勒(Tayler)中值定理

若函数在含有的某个开区间内具有直到阶导数,则当时,可以表示成

这里之间的某个值。

先用倒推分析法探索证明泰勒中值定理的思路:

  

这表明:

只要对函数  及 之间反复使用次柯西中值定理就有可能完成该定理的证明工作。

【证明】

为端点的区间记为 , 

函数  在上具有直至  阶的导数,

且  

函数  在上有直至阶的非零导数,

且  

于是,对函数  及  在上反复使用  次柯西中值定理, 有

三、几个概念

1、

此式称为函数的幂次展开到 阶的泰勒公式;

或者称之为函数在点  处的  阶泰勒展开式。

当  时, 泰勒公式变为

这正是拉格朗日中值定理的形式。 因此,我们也称泰勒公式中的余项。

 为拉格朗日余项

2、对固定的,若 

有  

此式可用作误差界的估计

故  

表明: 误差是当 时较  高阶无穷小, 这一余项表达式称之为皮亚诺余项

3、,则在  与 之间,它表示成形式   

泰勒公式有较简单的形式 —— 麦克劳林公式

 

近似公式

误差估计式

【例1】求的麦克劳林公式。

解: 

 于是  

有近似公式    

其误差的界为  

我们有函数 的一些近似表达式。

(1)、    (2)、  (3)、

在matlab中再分别作出这些图象,观察到它们确实在逐渐逼近指数函数。

【例2】求  的 阶麦克劳林公式。

解:

它们的值依次取四个数值 

其中:   

同样,我们也可给出曲线  的近似曲线如下,并用matlab作出它们的图象。

           

【例3】求的麦克劳林展开式的前四项,并给出皮亚诺余项。

解:

     

于是: 

利用泰勒展开式求函数的极限,可以说是求极限方法中的“终极武器”, 使用这一方法可求许多其它方法难以处理的极限。

【例4】利用泰勒展开式再求极限 

解:,   

【注解】

现在,我们可以彻底地说清楚下述解法的错误之处

因为,从而

时,,应为  

【例5】利用三阶泰勒公式求 的近似值, 并估计误差。

解:

故:





from: http://sxyd.sdut.edu.cn/gaoshu1/

0 0
原创粉丝点击