微分中值定理—拉格朗日中值定理

前面讲了,三大微分中值定理为,罗尔、拉格朗日和柯西中值定理

罗尔中值定理

拉格朗日中值定理

柯西中值定理

这节课学习的是,拉格朗日中值定理。

1 定义

我们知道,拉格朗日中值定理是罗尔中值定理的推广,如果,我们将罗尔中值定理中这个条件去掉,并且把结论改为,这样就将罗尔中值定理,推广到了拉格朗日中值定理。

如果函数满足:
  • 在闭区间上连续
  • 在开区间上可导

那么,使得

介绍完了定义,我们来看看它的图像。

从图上,可以很明显地看出就是割线(图中的红线)的斜率。这样拉格朗日中值定理的结论就是,在内至少存在一点,这一点的切线斜率,与割线的斜率,是相等的。也就是至少有一点,它的切线与割线是平行的。

2 联系

前面我们说过,拉格朗日中值定理是罗尔中值定理的推广,这在几何上就有所体现。具体地,罗尔中值定理,可以看做拉格朗日中值定理旋转到特定角度后的结果。

在上面这组图中,可以看出

这说明,拉格朗日中值定理确实是罗尔中值定理的推广。

3 证明
如果函数满足:
  • 在闭区间上连续
  • 在开区间上可导

那么,使得

引进辅助函数:

容易知道,满足:

  • 在闭区间
  • 在开区间

所以根据可知,使得,即:

由此可得

看懂上面这个证明并没有难度,但要自己写出来却不容易,其中的难点,就是构造出辅助函数。那为什么在上面那个证明中,要构造出这个辅助函数呢,下面我们就来分析一下。

3.1 辅助函数构造

首先对拉格朗日中值定理的结论进行变形

结合罗尔定理,我们很自然联想(1)式左边是某个函数的导数就好了

这样,可以假设

很容易验证

满足罗尔中值定理,存在使得

即(1)式成立,由此拉格朗日中值定理就证明出来了。

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