30558

Теорема о среднем для действительных функций одного действительного переменного. Теорема Ферма; теорема Ролля, теорема Лагранжа. Примеры, показывающие существенность каждого условия в теореме Ролля: теоретическая интерпретация

Доклад

Математика и математический анализ

Все вышеперечисленные теоремы являются основными теоремами дифференциального исчисления поэтому сначала введем понятие дифференцируемости функции. Понятие дифференцируемости функции. Выражение ∆x называется дифференциалом функции fx в точке x0 соответствующим приращению аргумента ∆x и обозначается символом dy или dfx0. При этом приращение функции ∆y определяется главным образом первым слагаемым т.

Русский

2013-08-24

91.81 KB

20 чел.

Теорема о среднем для действительных функций одного действительного переменного. Теорема Ферма; теорема Ролля, теорема Лагранжа. Примеры, показывающие существенность каждого условия в теореме Ролля: теоретическая интерпретация.

Кажется, немного не правильно сформулирован вопрос.

 Теоремы о среднем для действительных функций одного действительного переменного: теорема  Ферма, теорема Ролля, теорема Лагранжа. Примеры, показывающие существенность каждого условия теоремы Роля: теоретическая интерпретация. Вот так кажется вернее будет.

Рисовать на доске будем Рис. 1-4

В основную часть формулировки.

В дополнение пойдут доказательства.

Все вышеперечисленные теоремы являются основными теоремами дифференциального исчисления, поэтому сначала введем понятие дифференцируемости функции.

 Понятие дифференцируемости функции.

Пусть, как и раньше, функция y=f(x) определена на интервале (a;b). Рассмотрим значение аргумента  x0  a;b). Дадим аргументу приращение ∆x 0, так чтобы выполнялось условие (x0+∆x) a;b). При этом функция получит приращение   ∆y= f(x+∆x) ─ f(x).

Функция y=f(x)  называется дифференцируемой в точке x0, если её приращение в этой точке можно представить в виде

    ∆y=A ∆x + o(∆x),

где  A -  некоторая постоянная,  а  o(∆x) – величина более высокого порядка малости, чем ∆x,  т.е.     = 0.  Выражение  A ∆x  называется дифференциалом функции f(x) в точке x0, соответствующим приращению аргумента ∆x, и обозначается  символом dy или df(x0). При этом приращение независимой переменной ∆x  называется дифференциалом аргумента и обозначается символом dx. В соответствии с этими обозначениями можно записать:   dy = A dx.   Если A≠0, то при ∆ x→0  второе слагаемое, т.е. o(∆x), является величиной более высокого порядка малости, чем первое слагаемое (A ∆x).  При этом приращение функции  ∆y определяется, главным образом, первым слагаемым, т.е. дифференциалом. Поэтому дифференциал называют главной частью приращения  функции. 

Свойство определенного интеграла

Если функция f(x) непрерывна на отрезке {a,b}, то на этом отрезке найдется такая точка, что справедливо следующее равенство:

Теорема  Ферма. Если функция y = f(x) определена в некоторой окрестности точки х0, принимает в этой точке наибольшее (наименьшее) в рассматриваемой окрестности значение и имеет в точке х0 производную, то f′(x0)=0.

Доказательство. Пусть f(x0) – наибольшее значение функции, то есть для любой точки выбранной окрестности выполняется неравенство f(x) ≤ f(x0). Тогда, если x < x0 ,  а если x > x0 ,  

Переходя к пределу в полученных неравенствах, находим, что из первого из них следует, что f′(x0) ≥ 0, а из второго – что f′(x0) ≤ 0. Следовательно, f′(x0) = 0.

Замечание. В теореме Ферма важно, что х0 – внутренняя точка для данного промежутка. Например, функция y = x, рассматриваемая на отрезке [0;1], принимает наибольшее и наименьшее значения соответственно при х = 1 и х = 0, но ее производная в этих точках в ноль не обращается.

Теорема Ролля. Если функция y = f(x)

  1.  непрерывна на отрезке [ab];
  2.  дифференцируема во всех внутренних точках этого отрезка;
  3.  принимает равные значения на концах этого отрезка, то есть f(a) = f(b),

то внутри интервала (ab) существует по крайней мере одна точка х = с, a < c < b, такая, что f′(c) = 0.

Доказательство.

Пусть M и m – наибольшее и наименьшее значения f(x) на [ab]. Тогда, если m = M, то f(x) = m = M – постоянная функция, и f′(x)=0 для любой точки отрезка [ab]. Если же m<M, то по теореме 16.2 хотя бы одно из значений m или M достигается во внутренней точке с отрезка [ab] (так как на концах отрезка функция принимает равные значения). Тогда по теореме Ферма f′(c) = 0.

Замечание 1. В теореме Ролля существенно выполнение всех трех условий. Приведем примеры функций, для каждой из которых не выполняется только одно из условий теоремы, и в результате не существует такой точки, в которой производная функции равна нулю.

            у                                                          у                                                        у

                                                                                                                                                                              

                     0     1           х                                      0                     х            -1     0    1    х

            Рис. 1.                                                  Рис. 2.                                           Рис. 3.

Действительно, у функции, график которой изображен на рис. 1, f(0)=f(1)=0, но х=1 – точка разрыва, то есть не выполнено первое условие теоремы Ролля. Функция, график которой представлен на рис.2, не дифференцируема при х = 0, а для третьей функции         f(-1)≠f(1).

Замечание 2. Геометрический смысл теоремы Ролля: на графике рассматриваемой функции найдется по крайней мере одна точка, касательная в которой параллельна оси абсцисс.

Теорема Лагранжа

Если функция  f(x)  непрерывна на отрезке  [a;b]  и дифференцируема во всех внутренних точках этого отрезка, то внутри отрезка   [a;b]   найдётся такая точка  c,  что для неё выполняется равенство

 

Последнее равенство носит название формулы Лагранжа или формулы конечных приращений.

Доказательство. Проведём вначале предварительные рассуждения. Секущая  AB  (рис. 7) проходит через точки    и  ,  её угловой коэффициент есть  ,  поэтому уравнение секущей  AB  имеет вид

  или

.

Обозначим выражение, стоящее в правой части этого равенства, через :

 .

Тогда секущая  AB  есть график функции . Очевидно, что  .

Введём теперь на отрезке  [a;b]  вспомогательную функцию

 .

Функции    удовлетворяет всем условиям теоремы Ролля. В самом деле, она непрерывна на отрезке  [a;b]  (как разность непрерывной функции  f(x)  и линейной функции)  и во всех внутренних точках отрезка   [a;b]   имеет производную, равную

.

Кроме того, так как   ,   то  ,   т.е.  функция    принимает равные значения на концах отрезка   [a;b].  Следовательно, согласно теореме Ролля, на отрезке  [a;b]  найдётся такая точка  c,  что .  Это значит, что  ,   т.е.  ,  откуда       .

Теорема доказана.

Обратимся к геометрическому смыслу теоремы Лагранжа. Как мы уже отметили, величина      есть угловой коэффициент секущей  AB.   В то же время    есть угловой коэффициент касательной к кривой    в точке с абсциссой  .  Таким образом, геометрически утверждение теоремы Лагранжа равносильно следующему: на дуге  всегда найдётся точка, в которой касательная параллельна хорде (рис. 4).

Отметим, что теорему Ролля можно рассматривать как частный случай теоремы Лагранжа.

B

A

C

b

ac

c

o

y

x

Рис.4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12651. Чисельне вирішення одного диференціального рівняння 37.5 KB
  Лабораторна робота №6 Чисельне вирішення одного диференціального рівняння. Мета роботи: Навчитися вирішувати диференційні рівняння в пакеті MATHCAD. Завдання: відтворити наведені приклади скласти звіт. MATHCAD 2000 дозволяє без додаткових перетворень чисельно вирішити д
12652. Чисельне рішення систем диференціальних рівнянь 79 KB
  Лабораторна робота №7 Чисельне рішення систем диференціальних рівнянь. Мета роботи: навчитися вирішувати системи диференціальних рівнянь за допомогою пакету С. Завдання: відтворити в пакеті MATHCAD вирішення наведених прикладів. Диференціальні рівняння що входять...
12653. Странный аттрактор 105.5 KB
  Лабораторна робота № Странный аттрактор Одна из самых знаменитых динамических систем предложена в 1963 г. Лоренцом в качестве упрощенной модели конвективных турбулентных движений жидкости в нагреваемом сосуде тороидальной формы. Система состоит из трех ОДУ и имеет тр...
12654. Модели динамики биологических популяций 73.5 KB
  Лабораторная работа №9 Модели динамики биологических популяций Модель взаимодействия хищник жертва независимо предложили в 1925-1927 гг. Лотка и Вольтерра. Два дифференциальных уравнения листинг 9 моделируют временную динамику численности двух биологических популяц
12655. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕДИЦИНСКОГО СНАБЖЕНИЯ ФОРМИРОВАНИЙ И УЧРЕЖДЕНИЙ МС ГО 64 KB
  В то же время выход из строя производственных мощностей и гибель части имущества в очагах поражения будут в значительной степени ограничивать возможности формирований и учреждений МС ГО в оказании медицинской помощи.
12656. ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ 71.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ Цель работы: Изучение измерительных приборов лаборатории полупроводниковых устройств. Освоение основных приемов измерения электрических парамет
12657. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ 94 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Цель работы: Изучение вольт-амперных характеристик ВАХ полупроводниковых диодов ППД методов их аппроксимации исследование динамических
12658. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 85.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Цель работы: Изучение транзисторных каскадов класса усиления расчет цепей смещения и стабилизации испытание каскадов и измерение их параметров. В кас...
12659. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРЕВЕРСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ 147 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРЕВЕРСИВНОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ Цель работы: освоение методики расчета типовых цепей насыщения и запирания транзистора и методики экспериментального определения состояния транзистора; ...