達布中值定理

達布中值定理

設y=f(x)在(A,B)區間中可導,且[a,b]包含於(A,B),f'(a)

表達形式

數學表達形式

設y=f(x)在(A,B)區間中可導,且[a,b]包含於(A,B),f'(a)<f'(b),則對於任意給定的η:f'(a)<η<f'(b),都存在一點c∈(a,b)使得f'(c)=η。

等價形式

設f(x)在 [a,b]上可微,若在 [a,b]上f′(x)不等於0 ,則f′(x)在[a,b] 上保持定號(恆正或恆負)。

其它表達形式

若函式f(x)在[a,b]上可導,則f′(x)在[a,b]上可取f′(a)和f′(b)之間任何值。

證明

方法1

已知f'(a)<η<f'(b),構造函式:g(x)=f(x)-ηx。

若g(a)=g(b),則由羅爾中值定理:存在ε∈(a,b)使g'(ε)=0。

不妨設g(a)>g(b),又g'(b)>0,由極限保號性,存在ξ∈(a,b)使g(ξ)<g(b)<g(a)。

由介值定理存在ζ∈(a,ξ)使g(ζ)=g(b)。

又由羅爾中值定理,存在δ∈(ζ,b)使g'(δ)=0。

所以無論如何總存在x∈(a,b)使g'(x)=0即f'(x)=η。

方法2

構造函式g(x)=f(x)-ηx。

由於f(x)在(a,b)區間內可導,所以f(x)在(a,b)區間內連續,故g(x)在(a,b)區間內連續。

補充定義使得g(x)在x=a,x=b處連續。

因為g'(a)=f'(a)-η<0,所以一定存在x>a,使得g(x)<g(a),

即x=a不是函式g(x)在[a,b]上的最小值,同理x=b也不是函式g(x)在[a,b]上的最小值,

故g(x)在(a,b)區間內取得最小值,

所以必然存在ξ∈(a,b),使g'(ξ)=f'(ξ)-η=0(費馬定理),

所以對於任意給定的η:f'(a)<η<f'(b),都存在一點c∈(a,b)使得f'(c)=η.

套用

由於連續函式介值定理有廣泛的套用,因此導函式介值定理(Darboux定理)與導函式商的介值定理(在不要求導函式連續的情況下)也有廣泛的套用。

達布中值定理 達布中值定理
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我們知道平面曲線的最一般表示形式是參數形式。設曲線參數方程為,x(t),y(t)在[a,b]上可導,且x′(t)在[a,b]上不為零,則在x′(t)與y(t)未必連續情況下,曲線切線的斜率可取兩端點切線斜率間任何值。事實上,曲線在任一點的切線斜率為,由導函式商的介值定理 可取 與 之間任何值。

如果不用導函式商的介值定理,此結果很難證明。因為參數方程確定的曲線未必總能化為顯函式。即使能化為顯函式,就具體曲線而言,化成的顯函式的形式可能比較複雜,不利於研究它的性質。

此外,運用達布定理很容易看出:若函式f(x)在[a,b]上可導,則f′(x)在[a,b]上不可能存在第一類間斷點。

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微分Darboux定理的推廣:若f(x),g(x)均在[a,b]上可導,並且在[a,b]上g′(x)≠0,則 可以取 與 之間任何值。

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