中值定理2----有ξ,有a,b的题型解题的一般步骤

ξ , a , b \xi,有a,b的题型解题的一般步骤

当遇到有 ξ \xi 和a,b的题型一般分为两种情况讨论:
1.a,b可与 ξ \xi 分离
2.a,b不能与 ξ \xi 分离

a,b可与 ξ \xi 分离的一般解题步骤

1.先将a,b与 ξ \xi 分离,a,b侧分两种形式:
a , b : f ( b ) f ( a ) b a 使 如果a,b侧为这种形式:\frac{f(b)-f(a)}{b-a} 则使用拉格朗日中值定理
a , b : f ( b ) f ( a ) g ( b ) g ( a ) 使 西 如果a,b侧为这种形式:\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} 则使用柯西中值定理
2.构造辅助函数,使非 a , b ξ a,b侧的\xi 还原
3.使用拉格朗日或柯西定理与辅助函数结合得证

例题: f ( x )     C [ 0 , 1 ] , ( 0 , 1 ) , a > 0 , ξ ( a , b ) . f ( b ) f ( a ) = ξ f ( ξ ) l n b a f(x)\ \in\ C[0,1],在(0,1)内可导,a>0,证明\ni\xi \in (a,b).\\ \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)ln\frac{b}{a}

解:
1° 先将a,b与 ξ \xi 分离
利用公式 l n b a = l n b l n a ln\frac{b}{a}=lnb-lna 将要证的结论的式子变为
f ( b ) f ( a ) = ξ f ( ξ ) ( l n b l n a ) f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)(lnb-lna)
( l n b l n a ) (lnb-lna) 移至左边得:
f ( b ) f ( a ) l n b l n a = ξ f ( ξ ) \frac{f(b)-f(a)}{lnb-lna}=\xi f'(\xi)
发现a,b侧是属于 f ( b ) f ( a ) g ( b ) g ( a ) \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} 的形式,所以使用柯西定理。

2° 构造辅助函数,将 ξ \xi 还原
g ( x ) = l n x . g ( x ) = 1 x 0 g(x)=lnx.\Rightarrow g'(x)=\frac{1}{x} \neq 0

3° 根据柯西中值定理可得:
ξ ( a , b ) 使 f ( b ) f ( a ) g ( b ) g ( a ) = f ( ξ ) g ( ξ ) \ni \xi (a,b) 使 \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}
与2° g ( x ) g ( x ) 中的g(x)和g'(x) 结合可得
f ( b ) f ( a ) l n ( b ) l n ( a ) = f ( ξ ) 1 ξ \huge\frac{f(b)-f(a)}{ln(b)-ln(a)}=\frac{f'(\xi)}{\frac{1}{\xi}}
最后把a,b移回去得证 f ( b ) f ( a ) = ξ f ( ξ ) l n b a f(b)-f(a)=\xi f'(\xi)ln\frac{b}{a}

a,b不可与 ξ \xi 分离的一般解题步骤

1°先将 ξ x \xi改成x
2°去分母,移项。让式子变成 θ = 0 \theta=0 的形式,再将式子还原成 ( Δ ) = 0 (\Delta)'=0 的形式
3°令 φ ( x ) = Δ \varphi(x)=\Delta 作为辅助函数
f ( x ) , g ( x ) C [ a , b ] , ( a , b ) g ( x ) 0 ( a < x < b ) . ξ ( a , b ) , 使 f ( ξ ) f ( a ) g ( b ) g ( ξ ) = f ( ξ ) g ( ξ ) 例题:f(x),g(x)\in C[a,b],(a,b)内可导,g'(x)\neq 0(a<x<b).\\求证:\exists \xi\in(a,b),使\frac{f(\xi)-f(a)}{g(b)-g(\xi)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}
1.把 ξ x \xi改成x ,交叉相乘并移项可得
f ( x ) g ( x ) f ( a ) g ( x ) f ( x ) g ( b ) + f ( x ) g ( x ) = 0 \bold {f(x)g'(x)-f(a)g'(x)-f'(x)g(b)+f'(x)g(x)=0}

第一项和第四项可以直接还原成 [ f ( x ) g ( x ) ] [f(x)g(x)]' ,第二项和三项分别还原:
[ f ( x ) g ( x ) f ( a ) g ( x ) g ( b ) f ( x ) ] = 0 \bold{[f(x)g(x)-f(a)g(x)-g(b)f(x)]'=0}
2.构造辅助函数,令 φ ( x ) = f ( x ) g ( x ) f ( a ) g ( x ) g ( b ) f ( x ) \varphi(x)=f(x)g(x)-f(a)g(x)-g(b)f(x)
3.代入区间端点a,b:
φ ( a ) = f ( a ) g ( a ) f ( a ) g ( a ) g ( b ) f ( a ) = g ( b ) f ( a ) \varphi(a)=f(a)g(a)-f(a)g(a)-g(b)f(a)=-g(b)f(a)
φ ( b ) = f ( b ) g ( b ) f ( a ) g ( b ) g ( b ) f ( b ) = g ( b ) f ( a ) \varphi(b)=f(b)g(b)-f(a)g(b)-g(b)f(b)=-g(b)f(a)
4.发现 φ ( a ) = φ ( b ) 使 \varphi(a)=\varphi(b)果断使用罗尔定理
φ ( a ) = φ ( b ) \because \varphi(a)=\varphi(b)
  ξ ( a , b ) 使 φ ( ξ ) = 0 \therefore\exist\ \xi\in(a,b)使\varphi '(\xi)=0
于是
φ ( ξ ) = f ( ξ ) g ( ξ ) + f ( ξ ) g ( ξ ) f ( a ) g ( ξ ) g ( b ) f ( ξ ) = 0 \varphi '(\xi)=f'(\xi)g(\xi)+f(\xi)g'(\xi)-f(a)g'(\xi)-g(b)f'(\xi)=0
整理得证
f ( ξ ) f ( a ) g ( b ) g ( ξ ) = f ( ξ ) g ( ξ ) \frac{f(\xi)-f(a)}{g(b)-g(\xi)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}

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