拉格朗日中值定理

拉格朗日中值定理

拉格朗日中值定理又稱拉氏定理,是微分學中的基本定理之一,它反映了可導函式在閉區間上的整體的平均變化率與區間內某點的局部變化率的關係。拉格朗日中值定理是羅爾中值定理的推廣,同時也是柯西中值定理的特殊情形,是泰勒公式的弱形式(一階展開)。法國數學家拉格朗日於1778年在其著作《解析函式論》的第六章提出了該定理,並進行了初步證明,因此人們將該定理命名為拉格朗日中值定理。

基本信息

定理

拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理
拉格朗日中值定理又稱拉氏定理,是羅爾中值定理的推廣,同時也是柯西中值定理的特殊情形。
如果函式f(x)在(a,b)上可導,[a,b]上連續,則必有一ξ∈(a,b),使得f'(ξ)*(b-a)=f(b)-f(a)

幾何意義
在(a,b)上可導,[a,b]上連續是拉格朗日中值定理成立的充分條件。
1.在滿足定理條件的前提下,函式f(x)上必有【一點的切線】與【f(x)在x=a,b處對應的兩點((a,f(a))和(b,f(b))點的連線平行)。f'(ξ)=[f(b)-f(a)]/(b-a),等號後為x=a,b對應兩點的連線斜率,等號前為f(x)上一點的導數的值,也就是f(x)上一點的斜率,兩斜率相等,兩線平行。這是幾何上的理解方式。

2.我們將f(x)函式求導,得到f'(x),眾所周知f'(x)函式記錄的其實就是【f(x)函式在每一個瞬間的變化狀態】。即,在x=x1這一瞬間f(x)進行了程度為f'(x1)的變化,在x=x2這一瞬間f(x)進行了程度為f'(x2)的變化……。函式由f(a)變化到f(b)的過程,其實就是f'(x)函式在(a,b)區間中記錄的變化狀態的依次累加,就是對f'(x)函式在(a,b)區間的值進行積分的過程。那么,將這一過程中所有的變化狀態的值一起取一個平均,這個平均值的數值一定在f'(x)的某一點上出現過(即f'(ξ)),因為f(x)連續,則其導數也連續。這個平均值乘上變化的區間(a到b)的長度就等於這個變化的變化量。即所謂的必有一,使f'(ξ)*(b-a)=f(b)-f(a)。即,【a,b區間上f(x)函式的變化量】=【a,b區間內f(x)函式變化狀態的平均值乘以區間長度】。這是代數理解方式。

其他形式

令f(x)為y,則該公式可寫成
△y=f'(x+θ△x)*△x(0<θ<1)
上式給出了自變數取得的有限增量△x時,函式增量△y的準確表達式,因此本定理也叫有限增量定理。
f(b)-f(a)=f'(a+θ(b-a))(b-a),0<θ<1.
f(a+h)-f(a)=f'(a+θh)h,0<θ<1.

定理內容

函式f(x)在區間[a,b]滿足以下條件:

(1)在[a,b]連續
(2)在(a,b)可導
當a<c<b時,
則在(a,b)中至少存在一點f'(c)=[f(b)-f(a)]/(b-a);
使公式f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)成立,其中a<c<b

證明

如果函式f(x)在(a,b)上可導,[a,b]上連續,則必有一ξ∈[a,b]使得f'(ξ)*(b-a)=f(b)-f(a)示意圖令f(x)為y,所以該公式可寫成△y=f'(x+θ△x)*△x(0<θ<1)

上式給出了自變數取得的有限增量△x時,函式增量△y的準確表達式,因此本定理也叫有限增量定理。
定理內容
函式f(x)在區間[a,b]滿足以下條件:
(1)在[a,b]連續
(2)在(a,b)可導
則在(a,b)中至少存在一點c使f'(c)=[f(b)-f(a)]/(b-a)
證明
把定理裡面的c換成x再不定積分得原函式f(x)={[f(b)-f(a)]/(b-a)}x.
做輔助函式G(x)=f(x)-f(a)-{[f(b)-f(a)]/(b-a)}(x-a).
易證明此函式在該區間滿足條件:
1.g(a)=g(b)=0;
2.g(x)在[a,b]連續;
3.g(x)在(a,b)可導.
此即羅爾定理條件,由羅爾定理條件即證。

幾何意義

若連續曲線y=f(x)在A(a,f(a)),B(b,f(b))兩點間的每一點處都有不垂直於x軸的切線,則曲線在A,B間至少存在1點P(c,f(c)),使得該曲線在P點的切線與割線AB平行。

物理意義

對於直線運動,在任意一個運動過程中至少存在一個位置(或一個時刻)的瞬時速度等於這個過程中的平均速度。

推論

如果函式在區間Q上的導數恆為零,那么函式在區間Q上是一個常數。
證明:f(b)-f(a)=f'(ξ)*(b-a)ξ∈[a,b]
由於已知f'(ξ)=0,f(b)-f(a)=0,即f(b)=f(a)
這就是說,在區間內任意兩點的函式值都相等。因此函式在區間內是一個常數。

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