知识点

柯西中值定理

定理

若 ff 与 gg 满足

  1. 在闭区间 [a,b][a,b] 上连续;
  2. 在开区间 (a,b)(a,b) 内可导;
  3. 对任意 x∈(a,b)x\in(a,b),g′(x)≠0g'(x)\ne0,

则存在 ξ∈(a,b)\xi\in(a,b),使得

f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ).\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}.

把 xx 看作参数,柯西中值定理就是参数方程 X=g(x)X=g(x)、Y=f(x)Y=f(x) 所表示的曲线上的中值定理:曲线上至少存在一点,其切线斜率等于端点连线的斜率。

证明

由条件3与罗尔定理,g(b)≠g(a)g(b)\ne g(a):否则 gg 在两端取值相等,罗尔定理将给出某个内点处 g′=0g'=0。构造辅助函数

F(x)=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)(g(x)−g(a)).F(x)=f(x)-f(a)-\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}\bigl(g(x)-g(a)\bigr).

FF 满足罗尔定理的全部条件,且 F(a)=F(b)=0F(a)=F(b)=0。于是存在 ξ∈(a,b)\xi\in(a,b) 使

F′(ξ)=f′(ξ)−f(b)−f(a)g(b)−g(a)g′(ξ)=0.F'(\xi)=f'(\xi)-\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}g'(\xi)=0.

由 g′(ξ)≠0g'(\xi)\ne0,把上式整理为

f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ).\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}.

例子

验证柯西中值定理:f(x)=x2f(x)=x^2,g(x)=x3g(x)=x^3 在 [1,2][1,2] 上

ff 与 gg 在 [1,2][1,2] 上连续、在 (1,2)(1,2) 内可导,且 g′(x)=3x2>0g'(x)=3x^2>0,满足 g′≠0g'\ne0。左端为

f(2)−f(1)g(2)−g(1)=4−18−1=37,\frac{f(2)-f(1)}{g(2)-g(1)}=\frac{4-1}{8-1}=\frac{3}{7},

右端为 f′(ξ)g′(ξ)=2ξ3ξ2=23ξ\dfrac{f'(\xi)}{g'(\xi)}=\dfrac{2\xi}{3\xi^2}=\dfrac{2}{3\xi}。令 23ξ=37\dfrac{2}{3\xi}=\dfrac{3}{7},得 ξ=149∈(1,2)\xi=\dfrac{14}{9}\in(1,2)。

探索

两个函数的增量比与导数比如何对应?

调整右端点,计算增量比和一个中值点。

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题集

练习

  1. 对 f(x)=x2f(x)=x^2、g(x)=x3g(x)=x^3 在 [1,2][1,2] 上使用柯西中值定理,得到的中值点是:

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    参考解答

    f(2)−f(1)g(2)−g(1)=37\dfrac{f(2)-f(1)}{g(2)-g(1)}=\dfrac{3}{7},而 f′(ξ)g′(ξ)=23ξ\dfrac{f'(\xi)}{g'(\xi)}=\dfrac{2}{3\xi},解得 ξ=149\xi=\dfrac{14}{9}。