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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 (f(x)-f(x0))/(x-x0) “實實在在”地想:它有什么特點呢? f(x0)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 若 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(a,b)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(a,b)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) f(x)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n-1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) f(x)在[0,1]上連續(xù),在(0,1)內(nèi)可導(dǎo),且f(1)= 0,試證(0,1)內(nèi)至少有一點ξ,使得 f(ξ)+ 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F(x)= x f(x)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)F(x)= x f(x),---”說起。 啊,典型的歐氏方法,困難的逆向思維。 |
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