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    拉格朗日中值定理在高等數(shù)學(xué)中的應(yīng)用探索

    2021-02-22 07:19陸華勇
    關(guān)鍵詞:證明應(yīng)用

    陸華勇

    【摘要】從微積分來(lái)看,拉格朗日中值定理是一塊非常重要的內(nèi)容,它在導(dǎo)數(shù)和函數(shù)之間架起了橋梁,并且該定理已被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域.本文采取舉例的方式對(duì)該定理如何被應(yīng)用于高等數(shù)學(xué)進(jìn)行了展示.

    【關(guān)鍵詞】拉格朗日中值定理;應(yīng)用;證明

    引 言

    從微分學(xué)來(lái)看,微分中值定理是基本定理之一,學(xué)生要想把微分學(xué)這塊內(nèi)容學(xué)好,最重要的是對(duì)該定理的成立條件及其證明過(guò)程形成深刻的認(rèn)識(shí).在高等數(shù)學(xué)這門課中,微分學(xué)是其中的重要知識(shí)之一,該門課研究的是以實(shí)數(shù)集為定義域的函數(shù)具有哪些性質(zhì),在對(duì)函數(shù)性質(zhì)進(jìn)行探究的過(guò)程中,微分中值定理就是其中的一個(gè)不可或缺的重要工具.作為有效工具之一的微分中值定理,探討的是如何根據(jù)導(dǎo)數(shù)具有的性質(zhì)推斷函數(shù)具有哪些性質(zhì),將導(dǎo)數(shù)知識(shí)用到了函數(shù)性質(zhì)的探究中,在兩者之間起到了橋梁作用.微分學(xué)中最為基礎(chǔ)的是拉格朗日中值定理,對(duì)其進(jìn)行推廣得到了柯西中值定理,而取其特殊情況又得到了羅爾定理,所以說(shuō)拉格朗日中值定理充當(dāng)著核心角色.對(duì)函數(shù)具有的包括最值、單調(diào)性以及極值等性質(zhì)進(jìn)行的探究,以及對(duì)曲線表現(xiàn)出的凹凸性進(jìn)行的探討都是以拉格朗日中值定理為基礎(chǔ)的.本文圍繞著拉格朗日中值定理展開,對(duì)證明這一定理時(shí)構(gòu)造輔助函數(shù)的若干種方法進(jìn)行了介紹,并采取舉例的方式對(duì)該定理怎樣在例題中得到應(yīng)用展開了分析.

    一、拉格朗日中值定理的概念

    基本內(nèi)容:存在一個(gè)函數(shù)f(x),在閉區(qū)間[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在開區(qū)間(a,b)上為可導(dǎo)函數(shù),那么在該開區(qū)間內(nèi)至少有一點(diǎn)ξ,滿足a<ξ

    解釋如下:(1)該定理也可以叫作有限增量定理,在導(dǎo)數(shù)和函數(shù)之間搭建起了橋梁,通過(guò)導(dǎo)數(shù)具有的性質(zhì)就可以對(duì)函數(shù)具有的性質(zhì)展開探究.

    (2)該定理是基礎(chǔ),進(jìn)行推廣得到了柯西中值定理,特殊化處理則得到了羅爾定理,拉格朗日公式相當(dāng)于0階泰勒公式.

    (3)該定理既能夠在不等式以及等式的證明中得到應(yīng)用,也能夠用于對(duì)函數(shù)具有的連續(xù)性、單調(diào)性以及凹凸性等多項(xiàng)性質(zhì)展開探究.

    (4)在對(duì)很多定理進(jìn)行證明時(shí),是否存在ξ是其中的一種理論工具.該定理指出存在至少1個(gè)的中值ξ,但是有些時(shí)候可能沒(méi)有辦法求解得到.例如,假設(shè)將f′(ξ)=f(b)-f(a)b-a看作一個(gè)方程,那么存不存在ξ就等同于方程存不存在根這個(gè)問(wèn)題.該定理的本質(zhì)是對(duì)ξ是(a,b)中的一個(gè)無(wú)法確定位置的點(diǎn)形成深入認(rèn)識(shí),但是考慮到ξ是有范圍的,也就是a<ξ

    (5)使用該定理解題時(shí),其中的難點(diǎn)之一在于輔助函數(shù)的構(gòu)造或者是選取.針對(duì)于此,可將等式f(b)-f(a)b-a視為分式,并以之為著手點(diǎn)構(gòu)造函數(shù)f(x),同時(shí)將取值區(qū)間(a,b)確定下來(lái),最后求解得到導(dǎo)數(shù)f′(x).為得出f(b)-f(a)b-a,作出部分變形處理是很有必要的,如lnxx-1=ln x-ln(x-1),x-1<ξ

    二、拉格朗日中值定理的證明

    從拉格朗日中值定理來(lái)看,在對(duì)其進(jìn)行證明時(shí),應(yīng)用的技巧是以構(gòu)造輔助函數(shù)為主的,而輔助函數(shù)是有非常多種構(gòu)造方法的,最為常見的有行列式法、K值法等,在這些方法中,最易掌握的是倒推法,應(yīng)用得也相當(dāng)廣泛,下文對(duì)倒推法用于輔助函數(shù)的構(gòu)造的具體步驟進(jìn)行了展示.

    根據(jù)拉格朗日中值定理得到的結(jié)論不難發(fā)現(xiàn):

    ξ∈(a,b),s.t.f′(ξ)=f(b)-f(a)b-a.

    考慮到區(qū)間(a,b)內(nèi)該函數(shù)為可導(dǎo)函數(shù),因而導(dǎo)數(shù)在ξ點(diǎn)的取值就是F′(ξ),可以表示成f′(ξ)=f′(x)|x=ξ,但是函數(shù)f(b)-f(a)b-ax的導(dǎo)數(shù)是常數(shù)f(b)-f(a)b-a,所以待證結(jié)論能夠改寫為:

    f(b)-f(a)b-ax-f(x)′|x=ξ=0,

    此時(shí)便可構(gòu)造下述輔助函數(shù):

    F(x)=f(b)-f(a)b-ax-f(x).

    考慮到f(b)-f(a)b-ax-f(x)′|x=ξ=0,所以有F(ξ)=0.考慮到區(qū)間[a,b]上F(x)為連續(xù)函數(shù),(a,b)上則是可導(dǎo)函數(shù),而且有F(a)=af(b)-bf(a)b-a=F(b),故而根據(jù)羅爾定理可知,肯定會(huì)有一個(gè)ξ∈(a,b),使得F(ξ)=0,也就是 F′(ξ)=f(b)-f(a)b-a-f′(ξ)=0,等同于f′(ξ)=f(b)-f(a)b-a.

    三、拉格朗日中值定理的應(yīng)用

    1.證明恒等式.

    考慮到該定理得到的結(jié)論實(shí)質(zhì)上為一個(gè)等式,所以該定理可在部分等式的證明中得到應(yīng)用.

    (1)證明單介值等式命題.

    從這種命題來(lái)看,其題型往往是:肯定會(huì)有不少于1個(gè)的點(diǎn)ξ∈(a,b),F(xiàn)(x)=xf(x)以令G(ξ,f(ξ),f(n)(ξ))=0成立.在對(duì)這種命題進(jìn)行證明的時(shí)候,其中的關(guān)鍵在于輔助函數(shù)的選取,輔助函數(shù)選取得精確,可將問(wèn)題化繁為簡(jiǎn).通常而言,倒推法用于輔助函數(shù)的構(gòu)造是較為可取的,具體步驟如下:第一步,用x來(lái)代替待證等式內(nèi)的ξ;第二步,進(jìn)行恒等變換,將等式化簡(jiǎn)成導(dǎo)數(shù)符號(hào)易于消除的形式;第三步,仔細(xì)觀察,得到f(x).

    例1 假定存在一個(gè)函數(shù)f(x),在[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在(a,b)上為可導(dǎo)函數(shù),試證:(a,b)內(nèi)會(huì)存在不少于1個(gè)的點(diǎn)ξ,使bf(b)=(b-a)(f(ξ)+ξf′(ξ))+af(a)成立.

    思路:針對(duì)bf(b)=(b-a)(f(ξ)+ξf′(ξ)+af(a)),用x來(lái)代替其中的ξ,這時(shí)會(huì)有bf(b)=(b-a)(f(x)+xf′(x))+af(a).

    對(duì)其變形,得到bf(b)-af(a)b-a=f(x)+xf′(x),

    觀察發(fā)現(xiàn),輔助函數(shù)選取為F(x)=xf(x).

    證明:構(gòu)造函數(shù)F(x)=xf(x),那么該函數(shù)在[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在(a,b)上為可導(dǎo)函數(shù),由拉格朗日中值定理不難發(fā)現(xiàn),勢(shì)必會(huì)有不少于1個(gè)的點(diǎn)ξ∈(a,b),使得F(b)-F(a)b-a=F′(ξ)成立,所以bf(b)-af(a)b-a=f(ξ)+ξf′(ξ),也就是bf(b)=(b-a)(f(ξ)+ξf′(ξ))+af(a).

    (2)證明雙介值等式命題.

    從這種命題來(lái)看,其題型往往是:中值共有2個(gè),用ξ,ηξ≠η來(lái)表示,且它們存在某種關(guān)系.這種命題的證明和單介值命題類似,輔助函數(shù)也是要構(gòu)造的,區(qū)別在于這種命題通常需要構(gòu)造兩個(gè)函數(shù),題干中已知的僅僅是其中之一,有一個(gè)是未知的,這時(shí)就需要與結(jié)論得到的關(guān)于η的關(guān)系式相結(jié)合進(jìn)行變換,具體步驟如下:第一步,對(duì)待證等式進(jìn)行變形,得到兩個(gè)表達(dá)式,一個(gè)是與ξ相關(guān)的,另一個(gè)是與η相關(guān)的;第二步,仔細(xì)觀察,得到F(x).

    例2 假定存在一個(gè)函數(shù)f(x),在[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在(a,b)上為可導(dǎo)函數(shù),而且有f(a)=f(b)=1,試證:(a,b)內(nèi)會(huì)存在不少于1個(gè)的點(diǎn)ξ和η,使eη-ξ[f(η)+f′(η)]=1成立.

    思路:針對(duì)待證等式eη-ξ[f(η)+f′(η)]=1,把ξ和η分開,也就是eη[f(η)+f′(η)]=eξ,等同于[exf(x)]x=η=(ex)x=ξ,此時(shí)可構(gòu)造下述兩個(gè)輔助函數(shù),一個(gè)是F(x)=exf(x),另一個(gè)是G(x)=ex.

    證明:假定F(x)=exf(x),那么F(x)在[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在(a,b)內(nèi)為可導(dǎo)函數(shù),根據(jù)拉格朗日中值定理不難發(fā)現(xiàn),(a,b)內(nèi)會(huì)有不少于1個(gè)的點(diǎn)η,使F(b)-F(a)b-a=F′(η)成立,也就是ebf(b)-eaf(a)b-a=eη[f(η)+f′(η)],故而有eb-eab-a=eη[f(η)+f′(η)].(1)

    假定G(x)=ex,那么G(x)在[a,b]上為連續(xù)函數(shù),在(a,b)上為可導(dǎo)函數(shù),根據(jù)拉格朗日中值定理不難發(fā)現(xiàn),(a,b)內(nèi)會(huì)有不少于1個(gè)的點(diǎn)ξ,使G(b)-G(a)b-a=G′(ξ)成立,也就是eb-eab-a=eξ.(2)

    綜合(1)和(2)可知eη[f(η)+f′(η)]=eξ,等同為:eη-ξ[f(η)+f′(η)]=1.

    2.證明不等式.

    在對(duì)不等式進(jìn)行證明的過(guò)程中,拉格朗日中值定理的應(yīng)用是按照下述步驟展開的:第一步,對(duì)輔助函數(shù)f(x)進(jìn)行構(gòu)造;第二步,選取合理的應(yīng)用區(qū)間(a,b);第三步,確定中值ξ的取值空間.其中的重點(diǎn)在于第一、二這兩個(gè)步驟.從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看,輔助函數(shù)f(x)通常是以待證不等式為依據(jù)來(lái)確定的,并據(jù)此選取合理的應(yīng)用區(qū)間(a,b).下文采取舉例的方式對(duì)如何構(gòu)造輔助函數(shù)進(jìn)行了闡述.

    (1)證明函數(shù)不等式命題.

    在對(duì)這種命題進(jìn)行證明時(shí),如果用到的是拉格朗日中值定理,那么待證命題牽涉的往往只是同一函數(shù)在不同點(diǎn)的取值的差異,也就是待證不等式的某端通過(guò)變形之后形如f(b)-f(a).解題思路如下:這種命題往往需要結(jié)合待證不等式對(duì)輔助函數(shù)f(x)進(jìn)行構(gòu)造,對(duì)該函數(shù)可以應(yīng)用拉格朗日中值定理進(jìn)行驗(yàn)證,即為f(b)-f(a)=f′(ξ)(b-a),而后按需放大或者是縮小,最后把其內(nèi)的帶有ξ的項(xiàng)去掉,此時(shí)待證不等式就可得證.

    例3 試證:在x>0的情況下x1+x

    思路:對(duì)x1+x

    x1+x

    ,因?yàn)閒′(ξ)=f(b)-f(a)b-a,所以11+x

    x1+x

    f′(x)=11+xf′(ξ)=11+ξ(0<ξ

    可以看到,輔助函數(shù)以及選定的應(yīng)用區(qū)間均合理,下文對(duì)證明過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述.

    證明:

    假定f(x)=ln(1+x),那么從區(qū)間(0,x)來(lái)看,f(x)=ln(1+x)可以應(yīng)用拉格朗日中值定理,所以(0,x)內(nèi)肯定會(huì)有1個(gè)以上的點(diǎn)ξ,可讓f′(ξ)=f(x)-f(0)x-0

    成立,即f′(ξ)=ln(1+x)-ln(1+0)x-0.

    理由是f′(x)=11+x,因而f′(ξ)=11+ξ

    ,0<ξ

    ,11+x0的情況下,x1+x

    從上述例題不難發(fā)現(xiàn),若不等式成立的條件是x>a,那么應(yīng)用區(qū)間選取(a,x)會(huì)較為合理.

    (2)證明中值不等式命題.

    這里所說(shuō)的中值不等式命題指的是不等式關(guān)系內(nèi)存在的中值命題.拉格朗日中值定理用于這種命題的證明時(shí)同樣要用倒推法,據(jù)此得出輔助函數(shù),方法還是以結(jié)論為主要著眼點(diǎn),相較于等式的證明而言,區(qū)別在于:一端進(jìn)行變號(hào)處理,轉(zhuǎn)移至另一端,而后觀察,得出解題需要用到的輔助函數(shù).

    例4 存在一個(gè)函數(shù)f(x),在區(qū)間[0,1]上為連續(xù)函數(shù),在區(qū)間(0,1)內(nèi)為可導(dǎo)函數(shù),而且有f(u)=u,試證:假定[0,1]上f(x)有非零值,那么在(0,1)內(nèi)一定存在點(diǎn)ξ,可使f(ξ)f′(ξ)>u成立.

    思路:此處需證f(ξ)f′(ξ)>u.由于f(ξ)f′(ξ)=f2(x)2′x=ξ,故而需要構(gòu)造下述輔助函數(shù):

    F(x)=f2(x)2.

    證明:

    假定F(x)=f2(x)2,那么F(x)在區(qū)間[0,1]上為連續(xù)函數(shù),在區(qū)間(0,1)內(nèi)為可導(dǎo)函數(shù),f(u)=u,因而存在a∈(u,1),可以使得F(a)=f2(a)2成立,這時(shí)有F(x)在區(qū)間[0,a]上為連續(xù)函數(shù),在區(qū)間(0,a)內(nèi)為可導(dǎo)函數(shù),即能夠應(yīng)用拉格朗日中值定理,故而存在ξ∈(0,1),會(huì)有F′(ξ)=F(1)-F(0)=F(1)>u,等同于:

    F′(ξ)=f(ξ)f′(ξ)>u.

    3.證明根的存在性.

    例5 區(qū)間[0,1]上f(x)為可導(dǎo)函數(shù),而且有0

    證明:先通過(guò)構(gòu)造法對(duì)存在根進(jìn)行證明,而后通過(guò)拉格朗日中值定理對(duì)有且僅有一個(gè)根進(jìn)行證明.

    (1)根的存在性.

    假定g(x)=f(x)+x-1,此時(shí)有g(shù)(0)=f(0)-1,g(1)=f(1).考慮到x∈[0,1]時(shí)有 00,故而有g(shù)(0)·g(1)<0

    ,由根的存在性定理不難發(fā)現(xiàn),區(qū)間(0,1)內(nèi)g(x)必定會(huì)有實(shí)根.

    (2)根的唯一性.

    為證區(qū)間(0,1)內(nèi)f(x)+x-1=0有且僅有一個(gè)根,通常會(huì)提出區(qū)間(0,1)內(nèi)f(x)+x-1=0共有2個(gè)實(shí)根的假設(shè),而后得到和已知不符的結(jié)論,這樣唯一性就可得證.下文對(duì)拉格朗日中值定理用于唯一性證明的詳細(xì)過(guò)程進(jìn)行了說(shuō)明:

    先假定區(qū)間(0,1)內(nèi)f(x)+x-1=0共有2個(gè)實(shí)根,用α和β來(lái)表示,并且假定α<β,這樣就能夠得到f(α)=1-α,f(β)=1-β,將拉格朗日中值定理用到[α,β]區(qū)間上的f(x)中,可知f(α)-f(β)=f′(ω)(α-β),整理可得f(α)-f(β)α-β=f′(ω),也就是:

    (1-α)-(1-β)α-β=-1,與已知條件f′(ω)≠-1不符.

    所以唯一性得證.

    4.求解函數(shù)最值.

    在對(duì)函數(shù)最值問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí),只有符合一定形式才能夠應(yīng)用拉格朗日中值定理,例如,能夠化簡(jiǎn)為t≥f(x1)-f(x2)x1-x2或者t≤f(x1)-f(x2)x1-x2這種形式,只有這樣才能夠用拉格朗日中值定理來(lái)求解.

    例6 存在一個(gè)函數(shù)f(x),假定k為一個(gè)實(shí)數(shù),x1和x2是其定義域中任取的兩個(gè)點(diǎn),有|f(x1)-f(x2)|≤k|x1-x2|成立,那么函數(shù)f(x)(x∈D)就可以稱之為符合利普希茨條件,如果函數(shù)f(x)=x(x≥1)符合利普希茨條件,求k的最小值.

    解:由題意可知,k≥f(x1)-f(x2)x1-x2,

    由拉格朗日中值定理有f′(ω)=f(x1)-f(x2)x1-x2,

    所以有k≥f′(ω),這樣就能夠求出f′(ω)的最大值.

    因?yàn)閒(x)=x,所以f′(x)=12x≤12,

    故而f′(x)的最大值是12,即k的最小值是12.

    5.求解函數(shù)極限.

    在對(duì)函數(shù)極限問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí),拉格朗日中值定理同樣可以得到應(yīng)用.如果待求函數(shù)的極限是同種函數(shù)的差值,自變量之間的差值只是一個(gè)常數(shù),那么拉格朗日中值定理就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)化,而后再進(jìn)行求解.

    例7 試求極限limξ→+∞x2arctan(x+1)-arctan x.

    思路:可以看到,該題是一種0·∞型未定式.從區(qū)間[x,x+1]來(lái)看,f(x)=arctan x可以應(yīng)用拉格朗日中值定理,有:

    arctan(x+1)-arctan x=11+ξ2,且ξ∈x,x+1.可以看到,x→+∞時(shí)ξ→+∞,而且有l(wèi)imξ→+∞11+ξ2=0.考慮到limξ→+∞x2=∞,這時(shí)極限limx→+∞x21+ξ2存在與否取決于ξ的一些細(xì)節(jié),意味著對(duì)中值點(diǎn)進(jìn)行的粗糙估計(jì)無(wú)法得出原極限,通過(guò)其他工具的應(yīng)用進(jìn)行支持還是很有必要的.

    第一種解法(對(duì)中值點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)估計(jì)),考慮到arctan(x+1)-arctan x=11+(x+θ)2

    ,且有θ∈(u,1).

    這時(shí)limξ→+∞x2arctan(x+1)-arctan x=limξ→+∞x21+(x+θ)2=1.

    第二種解法(采取夾逼準(zhǔn)則),考慮到

    arctan(x+1)-arctan x=11+(x+θ)2,

    且有ξ∈(x,x+1),所以有

    limξ→+∞x2arctan(x+1)-arctan x=limξ→+∞x21+ξ2,

    可以看到x<ξ

    而且有l(wèi)imξ→+∞x21+(1+x)2=limξ→+∞x21+x2=1,

    故而limξ→+∞x2arctan(x+1)-arctan x=limξ→+∞x21+ξ2=1.

    如果極限是包括f(b)-f(a)這種未定式的,作為重要工具之一的拉格朗日中值定理可以達(dá)到讓計(jì)算得到簡(jiǎn)化的目的.通過(guò)事實(shí)發(fā)現(xiàn):相較于對(duì)中值點(diǎn)進(jìn)行粗糙估計(jì)來(lái)說(shuō),第二種解法顯然得到了更為廣泛的使用.通常來(lái)說(shuō),粗糙估計(jì)只可以在limx→x0f′(ξ)存在而且不等于0的這種情況下適用,但第二種解法并不會(huì)受到這種情況的限制.第二種解法不單單能夠在limx→x0f′(ξ)存在而且不等于0的情況下適用,在limx→x0f′(ξ)=0與limx→x0f′(ξ)=∞這兩種情況下也能夠適用,且應(yīng)用更為廣泛.

    但是只是從公式復(fù)雜程度來(lái)看的話,在形式上第一種解法顯然更為簡(jiǎn)潔.所以,在對(duì)包括f(b)-f(a)在內(nèi)的這種未定式極限的求解過(guò)程中,先采取第一種解法來(lái)分析是可行的,假使無(wú)法得到結(jié)果,常常會(huì)用到下述策略:

    (1)對(duì)中值點(diǎn)進(jìn)行修改,使之變成精細(xì)估計(jì)形式,而后再展開更為深入的分析;

    (2)針對(duì)粗糙估計(jì)得到的中值點(diǎn)作放縮處理,而后通過(guò)夾逼準(zhǔn)則的應(yīng)用完成計(jì)算.

    結(jié)束語(yǔ)

    微分學(xué)的發(fā)展就是基于微分中值定理的,而且從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看,該定理的應(yīng)用也是極為廣泛的,恰恰是因?yàn)檫@個(gè)定理這么重要,所以也被叫作微分基本定理.從三大基本定理可以看出,應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬拉格朗日中值定理,原因在于它對(duì)于函數(shù)并沒(méi)有提出很嚴(yán)格的要求.在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí),關(guān)鍵點(diǎn)在于基于命題分解得到待求問(wèn)題需要用到的函數(shù),使得函數(shù)不單單可以應(yīng)用拉格朗日中值定理,又能夠讓求解得到簡(jiǎn)化.本文對(duì)該定理在包括等式、極限求解等在內(nèi)的多個(gè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹.從該定理的整個(gè)應(yīng)用過(guò)程來(lái)看,最為重要的問(wèn)題有兩個(gè),一個(gè)是輔助函數(shù)的構(gòu)造,另一個(gè)是區(qū)間的確定.從整個(gè)過(guò)程可以看出,應(yīng)用該定理求解問(wèn)題的思路相對(duì)比較簡(jiǎn)單.但是為了讓該定理能夠得到靈活應(yīng)用,對(duì)本文總結(jié)得出的思想方法需進(jìn)行靈活運(yùn)用.

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