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第六章分析和总结.docx

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第六章 微分中值定理及其应用 (16 学时) 引言 在前一章中,我们引进了导数的概念,详细地讨论了计算导数的方法。这样一来,类 似于求已知曲线上点的切线问题已获完美解决。但如果想用导数这一工具去分析、解决复杂 一些的问题,那么,只知道怎样计算导数是远远不够的,而要以此为基础,发展更多的工具。 另一方面,我们注意到:(1)函数与其导数是两个不同的的函数;(2)导数只是反映函数在一点的局部特征;(3)我们往往要了解函数在其定义域上的整体性态,因此如何解决这个矛盾?需要在导数及函数间建立起一一联系――搭起一座桥,这个“桥”就是微分中值定理。 本章以中值定理为中心,来讨论导数在研究函数性态(单调性、极值、凹凸性质)方 面的应用。 §1.拉格朗日定理和函数的单调性 教学目的: 掌握微分学中值定理,领会其实质,为微分学的应用打下坚实的理论基础。掌握讨论函数单调性方法; 教学要求:(1)深刻理解中值定理及其分析意义与几何意义,掌握定理的证明方法,知道定 理之间的包含关系。(2)深刻理解函数在一区间上单调以及严格单调的意义和条件;熟练掌握运用导数判断函数单调性与单调区间的方法;能利用函数的单调性证明某些不等式。 教学重点: 中值定理;用辅助函数解决问题的方法。教学难点: 定理的证明;用辅助函数解决问题的方法。学时安排: 2 学时 教学方法: 系统讲解法。 一、一个几何命题的数学描述 为了了解中值定理的背景,我们可作以下叙述:弧?AB 上有一点 P,该处的切线平行与弦 AB。如何揭示出这一叙述中所包含的“数量”关系呢? 联系“形”、“数”的莫过于“解析几何”,故如建立坐标系,则弧?AB 的函数是 y=f(x), x? [a,b]的图像,点 P 的横坐标为x ? ? 。如点 P 处有切线,则 f(x)在点x ? ? 处可导,且切 f (b ) ? f ( a ) 线的斜率为 f ?(? ) ;另一方面,弦 AB 所在的直线斜率为 f ?(? ) ? f (b ) ? f ( a ) b ? a ,曲线 y=f(x)上点 P 的切线平行于弦 AB ? b ? a 。 撇开上述几何背景,单单观察上述数量关系,可以发现:左边仅涉及函数的导数,右边仅涉及函数在端点的函数值。这样这个公式就把函数及其导数联系起来。在二者之间架起了一座桥梁,这座“桥”就是导数在研究函数方面应用的理论基础。鉴于 ? ? ( a , b ) ,故把类 似公式称为“中值公式”;把类似的定理称为中值定理。 剩下的问题是:中值定理何时成立呢?观察如下事实,可以发现:如果y=f(x)在[a,b]上不连续或不可导(无切线),是不一定有上述结论的。换言之,如保证类似点 P 存在,曲线弧 ?AB 至少是连续的,而且处处有切线。反映到函数 y=f(x)上,即要求 y=f(x)在[a,b]上连续, 在(a,b)内可导。 二、中值定理 Lagrange 中值定理:若函数 f 满足以下条件:(1)f 在[a,b]上连续;(2)f 在(a,b)内可 f ?(? ) ? f (b ) ? f ( a ) 导。则在(a,b)内至少存在一点? ,使得 b ? a 。 特别地,当 f(a)=f(b)时,有如下 Rolle 定理: Rolle 定理:若 f 满足如下条件:(1)f? [a,b];(2)f 在(a,b)内可导;(3)f(a)=f(b),则存在? ? (a,b),使得 f ?(? ) ? 0 。 如把曲线弧 AB 用参数方程函数,则可得出以下中值定理: Cauchy 定理:若函数 f,g(x=g(u),y=f(u),u? [a,b])满足如下条件:(1)f , g ? [ a , b ] ; f,g 在(a,b)内可导;(3) f ?, g ? 至少有一个不为 0;(4)g(a) ? g(b)。在存在? ? (a,b), f ?(? ) ? 使得 g ?(? ) f (b ) ? f (a ) g (b ) ? g ( a ) 。 说明(1)几何意义:Rolle:在每一点都可导的连续曲线,如果曲线两端点高度相同, 则至少存在一水平切线(在具有水平弦的可微曲线上有水平曲线);Lagrang:可微曲线上存在一点,使其切线平行于端点的连线;Cauchy:视为曲线的参数;u=f(x),v=g(x),x? [a,b], 则以 v 为横坐标,u 为纵坐标可得曲线上有一点,该处切线与曲线端点连线平行。(2)三个定理关系如下: Rolle ??f ( a?) ? f ?( b )? Lagrang ??g ( x ?) ? x? C auchy 三个定理中的条件都是充分但非必要。以 Rolle 定理为例,三个条件缺一不可。1)不可导,不一定存在;2)不连续,不一定存在;3)f(a) ?
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