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考研數(shù)學指導(dǎo)(11)洛爾定理做游戲

 wkwable 2011-01-03
洛爾定理既為中值定理做準備,又在函數(shù)零點討論方面具有獨立意義。洛爾定理的證明中,邏輯推理既有典型性,又簡明易懂。因而洛爾定理成為考研數(shù)學的一個特色考點。

    我國的大學數(shù)學教材,通常把“費爾瑪引理”的證明夾在洛爾定理的證明中,使得證明顯得冗長。我先把它分離出來。(畫外音:這可是個難得的好習題。)

    費爾瑪引理    若可導(dǎo)函數(shù)在區(qū)間內(nèi)一點取得最值,則函數(shù)在此點的導(dǎo)數(shù)為 0

    分析   已知或討論函數(shù)在某一點的導(dǎo)數(shù),不仿先寫出導(dǎo)數(shù)定義算式。這是基本思路。

    “老老實實”地寫:設(shè)函數(shù)在區(qū)間內(nèi)一點x0取得最大值。寫出增量商

                                (fx)-fx0)/xx0

    “實實在在”地想:它有什么特點呢? fx0)最大,分子函數(shù)增量恒負,分母自變量增量左負右正。這樣一來,分別在兩側(cè)觀察,增量商在x0左側(cè)恒正,(負負得正)。右側(cè)恒負。其左極限非負而右極限非正。函數(shù)可導(dǎo),左,右極限存在且相等,導(dǎo)數(shù)只能為 0

    導(dǎo)數(shù)為 0 ,不是直接算出來,而是由邏輯推理判斷得到的。你能否由此體會到一點數(shù)學美呢 。

    洛爾定理    函數(shù)在閉區(qū)間 [a,b] 連續(xù),在(a,b)內(nèi)可導(dǎo),且端值相等。則必在(ab)內(nèi)一點處導(dǎo)數(shù)為0

    分析    函數(shù)在閉區(qū)間 [a,b] 連續(xù) 函數(shù)必有最大最小值

    端值相等 只要函數(shù)不是常數(shù),端值最多只能占最值之一。至少有一最值在區(qū)間內(nèi)。

    函數(shù)在(ab)內(nèi)可導(dǎo) 內(nèi)部的最值點處導(dǎo)數(shù)為 0

    請看看,分離證明,前段運用導(dǎo)數(shù)定義,符號推理非常典型。后段邏輯有夾逼味道,十分簡明。

    運用洛爾定理,關(guān)鍵在于要對各種說法的“端值相等”有敏感性。

    例    設(shè)函數(shù) fx)二階可導(dǎo),且函數(shù)有3個零點。試證明二階導(dǎo)數(shù)f "x)至少有一個零點。

    分析   任意兩個零點,不就意味著兩個函數(shù)值相等嗎!它倆組成一個區(qū)間,就滿足“端值相等”??梢詰?yīng)用洛爾定理得到函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的零點。

    設(shè)函數(shù)的3個零點由小到大依次為  x1,x2 x3

    順次取區(qū)間 [x1,x2],[x2 ,x3],分別在每個區(qū)間上對函數(shù)用洛爾定理,得到其一階導(dǎo)數(shù)的兩個零點, ξ1,ξ2,且ξ1<ξ2

    ξ1,ξ2客觀存在。它們組成區(qū)間[ξ1,ξ2],且f (x) 在此區(qū)間上端值相等。已知二階導(dǎo)數(shù)f "x)存在,即f (x)可導(dǎo)。對函數(shù)f (x)用洛爾定理就得本題結(jié)論。

    本例同時展示了“逐階運用洛爾定理”的思路。

    不要怕“點ξ ” ,不要去想它有多抽象。客觀存在,為我所用。只是要留心它的范例。

        (畫外音:怕啥子嘛,你不是學了哲學,學了辯證法嗎。)

    如果函數(shù) n 階可導(dǎo),且函數(shù)有n +1個互不相同的零點。由此可以得到什么信息?

,   我們可以象上例那樣,先把這n +1個零點由小到大排序編號,順次組成n個區(qū)間。分別在每個區(qū)間上對函數(shù)用洛爾定理,得到其一階導(dǎo)數(shù)的n1個零點。再一次次逐階運用洛爾定理,最后可以得到結(jié)論:函數(shù)的 n 階導(dǎo)數(shù)有1個零點。

    這是微分學的一個經(jīng)典題目,結(jié)論好似一個倒置的“楊輝三角形”。就當是做游戲吧。一個“壘寶塔” 游戲。

    考研數(shù)學有時在這個考點上出大題,基本模式為

     “ 已知-----,證明區(qū)間內(nèi)至少有一點ξ,使得一個含有導(dǎo)數(shù)的等式成立 。

    例   設(shè) fx)在[01]上連續(xù),在(0,1)內(nèi)可導(dǎo),且f1= 0,試證(01)內(nèi)至少有一點ξ,使得    fξ+ ξ f (ξ) =  0

    分析(綜合法)  ξ 只是一個特殊點。ξ 就是方程的根。方程的根轉(zhuǎn)化為零點討論。(潛臺詞:我們有兩件兵器哦。)

    由于關(guān)系式中有含導(dǎo)數(shù)的項,可以猜想,ξ 應(yīng)當是我們對某個函數(shù)運用洛爾定理后,得到的導(dǎo)函數(shù)的零點。(畫外音:在ξ 沒代入之前,導(dǎo)數(shù)表達式是啥樣??。?/font>

    把 ξ 換為x 后再仔細觀察,左端多象是一個乘積函數(shù)求導(dǎo)公式啊。 (畫外音:求導(dǎo)不熟練,肯定反應(yīng)慢。)  實際上它的確是Fx= x fx)的導(dǎo)函數(shù),且恰好端值相等。

    證明時只需從“作輔助函數(shù)Fx= x fx),---”說起。

    啊,典型的歐氏方法,困難的逆向思維。

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