微分中值定理—柯西中值定理

前面我们已经学习了罗尔中值定理,和拉格朗日中值定理,它们的相同点是,研究的曲线都能用函数来表示。那假如曲线不能被函数表示呢,用柯西中值定理

1 定义

柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广。如果,我们把研究对象扩展到两个函数,然后,将结论,再加上分母不为零的条件。那么拉格朗日中值定理,就成了我们的柯西中值定理

如果函数满足
  • 在闭区间
  • 在开区间

那么,使得。如果此时还有,那么该式可改写为:

定义看完了,下面来看看它的几何意义

2 几何意义

要直观理解柯西中值定理,需要将组成参数方程组。为了符合习惯,这里的自变量用来表示,即假设有参数方程:

下面以为横坐标,为纵坐标,建立坐标系。起点为时的位置,终点为时的位置

连接起点与终点,做出一条割线,那么表示的就是割线的斜率。而,表示的是,这个位置,切线的斜率。

这样柯西中值定理的结论就是,曲线上至少有一点,它的切线的斜率与割线斜率是相等的。从几何上来讲,也就是这个点的切线,与割线是平行的。

3 联系

前面说过,拉格朗日中值定理是罗尔中值定理的推广,这在几何上就可以体现。比如下面这条蓝色曲线,因为它能用函数表示,且闭曲间连续,开区间可导。所以符合拉格朗日中值定理。

下面假设,那么实际上,这条曲线也可以用参数方程来表示,因此,它也是符合柯西中值定理的。

还是这条曲线,固定起点不变,对终点进行拉伸,此时,这条曲线无法再用函数表示,也就不符合拉格朗日中值定理。

现在,我们将横坐标用表示,纵坐标用表示,那么,它符合的是柯西中值定理。

把两张图放在一起,可以很明显地看出,拉格朗日中值定理仅为时的特殊情况。

4 证明
4.1 证明方法一

首先来看一个错误的证明方法:

由于上都满足的条件,故,使得:

如果有以及,那么上述两式相除可得:

上述方法是错误的。因为对于两个不同的函数,中的未必相同,比如下面两个函数

  • ,在上使得成立的
  • ,在上使得成立的

假如将函数,与函数联合在一起,建立参数方程

那么,以为横坐标,为纵坐标建立坐标系,做出自变量在0到1范围内的参数方程图像。可以看到,当自变量取值为时,满足柯西中值定理。

从这个例子我们就可以看出,这种方法是不正确的。

4.2 证明方法二

正确的证明方法如下:

因为,所以构造辅助函数:

容易知道,满足:

  • 在闭区间
  • 在开区间

所以根据使得,即:

由此可得,如果,那么该式可改写为

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