第二视角 · 中值定理与证明题第 1 项 / 1—4
01 固定点存在与唯一:介值加罗尔
f 在
[0,1] 连续、
(0,1) 可导;
0<f(x)<1,
f′(x)=1。
存在唯一ξ∈(0,1):f(ξ)=ξ ①读题:等号两边有同一个自变量
f(ξ)=ξ移项f(ξ)−ξ=0 0<f(0),f(1)<1 先把“交点”改成“零点”;存在和唯一分开做。
②选定理:存在看异号,唯一看反证
F(0)F(1)<0 介值 至少一个零点 F(ξ)=F(η)=0 罗尔 F′(c)=0 罗尔本身不制造第一个零点。拉格朗日也能排除两根,但罗尔直接对应两个零值。
第二视角 · 中值定理与证明题第 1 项 / 2—4
01 固定点存在与唯一:介值加罗尔 · 续
③辅助函数来自目标的移项
F(x)=f(x)−x F(0)=f(0)>0,F(1)=f(1)−1<0 F′(x)=f′(x)−1=0 减去 x:同时把目标化零,把题给 f′≠1 化成 F′≠0。
④存在性的完整证明
F 在 [0,1] 连续,端点严格异号。
∃ξ∈(0,1):F(ξ)=0 代回定义
f(ξ)−ξ=0 ⟹ f(ξ)=ξ 第二视角 · 中值定理与证明题第 1 项 / 3—4
01 固定点存在与唯一:介值加罗尔 · 续
⑤唯一性的完整证明
反设还有另一根 η;交换名字后可令 ξ<η。
0<ξ<η<1,F(ξ)=F(η)=0 F 在 [ξ,η] 连续,在 (ξ,η) 可导;罗尔给出
∃c∈(ξ,η):0=F′(c)=f′(c)−1 f′(c)=1与题设矛盾 ⑥为什么不直接说 f 单调?
f′(x)=1⇒f′(x)>0 它限制的是导数与 1 的关系,不是与 0 的关系。
F′(x)f′(x)−1=0已经足够排除 F 的两个零点 不必额外假设导数连续,也不必先讨论 f 的单调性。
第二视角 · 中值定理与证明题第 1 项 / 4—4
01 固定点存在与唯一:介值加罗尔 · 续
⑦边界条件改变时,哪一步失效?
0≤f(x)≤1 ⟹ F(0)≥0, F(1)≤0 这只保证闭区间内的固定点,可能落在端点。
f(x)=0:f′(x)=1,f(x)=x⟺x=0 ⑧下一次遇到交点:先写这一行
f(ξ)=g(ξ) ⟹ F=f−g 存在:看 F(a),F(b);唯一:看 F′=f′−g′ 再检查区间连续性、开区间可导性;不能仅凭移项就宣称交点存在。
第二视角 · 中值定理与证明题第 2 项 / 1—4
02 乘积导数构造中值辅助函数
a<b,
f 在 [a,b] 连续 且在
(a,b) 可导。
b−abf(b)−af(a)=f(ξ)+ξf′(ξ) ①读题:端点乘积与导数两项互相对应
b−abf(b)−af(a)=f(ξ)+ξf′(ξ) 右边识别乘积求导,左边核对端点
[xf(x)]′=1⋅f(x)+xf′(x) ②选定理:差商等于一个导数
b−aF(b)−F(a)=F′(ξ)拉格朗日 罗尔也可用,但须先减一次项使端点相等;柯西取第二函数 x 就退回拉格朗日。
只给一阶可导,不用额外二阶条件或泰勒展开。
第二视角 · 中值定理与证明题第 2 项 / 2—4
02 乘积导数构造中值辅助函数 · 续
③辅助函数怎样确定
u=x,v=f(x),(uv)′=u′v+uv′ F(x)=xf(x),F′(x)=f(x)+xf′(x) F(b)−F(a)=bf(b)−af(a) 导数与端点同时匹配,构造才算完成。
④完整证明:一次定理产生同一个点
F 在 [a,b] 连续,在 (a,b) 可导。
∃ξ∈(a,b):F(b)−F(a)=F′(ξ)(b−a) bf(b)−af(a)=[f(ξ)+ξf′(ξ)](b−a) b−a>0,两边同除
b−abf(b)−af(a)=f(ξ)+ξf′(ξ) 第二视角 · 中值定理与证明题第 2 项 / 3—4
02 乘积导数构造中值辅助函数 · 续
⑤罗尔路线:常数不是猜的
G(x)=xf(x)−Cx G(a)=G(b)⟺af(a)−Ca=bf(b)−Cb C(b−a)=bf(b)−af(a) C=b−abf(b)−af(a) ⑥罗尔路线的完整收尾
取上式 C,G 连续、开区间可导,且 G(a)=G(b)。
∃ξ∈(a,b):G′(ξ)=0 f(ξ)+ξf′(ξ)−C=0 f(ξ)+ξf′(ξ)=b−abf(b)−af(a) 第二视角 · 中值定理与证明题第 2 项 / 4—4
02 乘积导数构造中值辅助函数 · 续
⑦别把两个不同的中值点拼成一个
f(x)=x2,[a,b]=[0,1] 对 f 用拉格朗日:1=2ξ⟹ξ=21 f(21)+21f′(21)=43=1 对 xf(x)=x3:1=3ξ2⟹ξ=31 ⑧变式:两项中看见 x² 和 2x
2xf(x)+x2f′(x)=[x2f(x)]′ 设 F=x²f,正则性不变;拉格朗日给
∃ξ∈(a,b):b−ab2f(b)−a2f(a)=2ξf(ξ)+ξ2f′(ξ) 记住乘积法则的两项对应,不必记一张辅助函数表。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 1—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明
f 在
[0,1] 上具有二阶导数,
f′(0)=f′(1),
∣f′′(x)∣≤1。第一问证明任意
0<x<1 的点值界;第二问证明积分界。
∣f(x)−(1−x)f(0)−xf(1)∣≤2x(1−x) ∫01f(x)dx−2f(0)+f(1)≤121 ①读题:绝对值、内部组合、右边分别触发什么
∣f(x)−(1−x)f(0)−xf(1)∣≤2x(1−x) 绝对值 → 同时控制上界与下界
−2x(1−x)≤f(x)−(1−x)f(0)−xf(1)≤2x(1−x) (1−x)f(0)+xf(1) 代入两端 → 这正是连接端点的直线
x=0: f(0);x=1: f(1) 2x(1−x):x=0,1 时为零 [2x(1−x)]′′=−1,−1≤f′′≤1 左边减直线不改变二阶导数;右边二次项的二阶导数正好是常数。两条线索在这里接上。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 2—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
②选定理:先看目标要哪一阶、哪一种关系
罗尔:G(0)=G(x)=G(1)=0 ⇓G′(ξ1)=G′(ξ2)=0⇓G′′(ξ)=0 主线选它:目标有二阶导数界,可以补二次项造第三个零点。
拉格朗日:xG(x)−G(0)=G′(ξ1) 1−xG(1)−G(x)=G′(ξ2),ξ1<x<ξ2 也能走:先让 G″ 有固定符号,再比较这两个一阶导数;第⑦页完成。
柯西的一般形式:g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ) 它适合两个增量之比;本题没有现成的第二个增量。右边有分母 2,不等于需要柯西。
泰勒:f(0),f(1)→f(x),f′(x),f′′(η) 可行:用两个权重消去 f′(x),第⑧页完成。闭区间连续、内部二阶可导足以支持以上主线。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 3—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
③第一个辅助函数:端点连线如何算出来
过 (0,f(0)),(1,f(1)) 的直线:At+B 把两个端点分别代入,解两个系数
B=f(0),A+B=f(1) A=f(1)−f(0) At+B=tf(1)+(1−t)f(0) 从 f 减去这条直线:端点误差同时归零
F(t)=f(t)−(1−t)f(0)−tf(1) F(0)=f(0)−f(0)=0,F(1)=f(1)−f(1)=0 F′(t)=f′(t)+f(0)−f(1),F′′(t)=f′′(t) 目标变成:∣F(x)∣≤2x(1−x) x 是本次想估计的固定点;t 是辅助函数的自变量。后面求导都对 t 求。A、B 解完即退场。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 4—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
④第二个辅助函数:补什么、系数怎样定
F(0)=F(1)=0只有两个零点 想得到二阶导数零点⟶还缺一个零点 x 补项既要保留 0、1,又要能调节 x 处的值
t=0,1 都为零⟹t(t−1) G(t)=F(t)−Ct(t−1) G(x)=0⟺F(x)−Cx(x−1)=0 0<x<1⟹x(x−1)=0 C=x(x−1)F(x) G(0)=G(x)=G(1)=0 [t(t−1)]′=2t−1,[t(t−1)]′′=2 G′′(t)=f′′(t)−2C C 虽由固定的 x 决定,但对 t 求导时是常数。目标中的 1/2 将由 2C=f″(ξ) 得到。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 5—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
⑤第一问完整证明:两层,实际用三次罗尔
固定任意 x∈(0,1),取前两页的 F、G、C。G 在 [0,1] 连续、内部二阶可导。
[0,x]:G(0)=G(x)=0 ⟹∃ξ1∈(0,x):G′(ξ1)=0 [x,1]:G(x)=G(1)=0 ⟹∃ξ2∈(x,1):G′(ξ2)=0 G′ 在内部可导,因而在 [ξ₁,ξ₂] 连续;在这个新区间第三次用罗尔。
∃ξ∈(ξ1,ξ2):0=G′′(ξ)=f′′(ξ)−2C C=21f′′(ξ),F(x)=Cx(x−1)=21f′′(ξ)x(x−1) ∣x(x−1)∣=x(1−x),∣f′′(ξ)∣≤1 ∣f(x)−(1−x)f(0)−xf(1)∣≤2x(1−x) x 任意,因此每个内点都成立;若把结论延伸到 0、1,两边都为 0。不同 x 对应的 ξ 可以不同。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 6—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
⑥第二问完整证明:把第一问的界积起来
∫01(1−x)dx=[x−2x2]01=21 ∫01xdx=[2x2]01=21 端点函数值对积分变量 x 是常数
∫01[(1−x)f(0)+xf(1)]dx=2f(0)+f(1) ∫01f(x)dx−2f(0)+f(1)=∫01F(x)dx 先用积分绝对值不等式,再用第一问逐点界
∫01F(x)dx≤∫01∣F(x)∣dx≤∫012x(1−x)dx ∫012x(1−x)dx=21[2x2−3x3]01 =21(21−31)=121 ∫01f(x)dx−2f(0)+f(1)≤121 直接积分点值界即可;不需要把中值点 ξ 当成 x 的可导函数,更不能把 f″(ξ) 擅自提出积分。
第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 7—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
⑦另一个入口:绝对值拆上下界,用拉格朗日比较
仍用 F=f−端点连线;以下重新定义 G。先证明上界。
G(t)=F(t)−2t(1−t),G(0)=G(1)=0 G′′(t)=f′′(t)+1≥0⟹G′ 不减 最后一步由对 G′ 使用拉格朗日得到。再在 [0,x]、[x,1] 各用拉格朗日:
xG(x)=G′(ξ1)≤G′(ξ2)=1−x−G(x) 0<ξ1<x<ξ2<1 乘正数 x(1−x),移项合并
(1−x)G(x)≤−xG(x)⟹G(x)≤0 F(x)≤2x(1−x) 下界:重新取 G(t)=F(t)+t(1−t)/2,则 G(0)=G(1)=0,G″=f″−1≤0,G′不增。
xG(x)≥1−x−G(x)⟹G(x)≥0 F(x)≥−2x(1−x)⟹∣F(x)∣≤2x(1−x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 3 项 / 8—8
03 2024 数三20:从绝对值误差界到完整证明 · 续
⑧泰勒如何消项;导数端点相等还能想到什么
f(0)=f(x)−xf′(x)+2x2f′′(η1),0<η1<x f(1)=f(x)+(1−x)f′(x)+2(1−x)2f′′(η2),x<η2<1 分别乘 1−x、x,再相加
−x(1−x)+x(1−x)=0消掉 f′(x) (1−x)f(0)+xf(1)−f(x) =2x(1−x)[xf′′(η1)+(1−x)f′′(η2)] ∣F(x)∣≤2x(1−x)[x∣f′′(η1)∣+(1−x)∣f′′(η2)∣] ≤2x(1−x)[x+(1−x)]=2x(1−x) 题设闭区间二阶可导保证 f′ 连续,导数端点相等还可单独触发罗尔:
f′(0)=f′(1)⟹∃η∈(0,1):f′′(η)=0 但这个存在性结论不能代替“每个 x 的误差界”。以上两问都没有用到端点导数相等。
∣f′′∣≤M⟹∣F(x)∣≤2Mx(1−x),∫01F≤12M 第二视角 · 中值定理与证明题第 4 项 / 1—4
04 积分条件构造三个零点
f 在 [−1,1] 连续,在
(−1,1) 可导且严格递增;
∫−11f(t)dt=0,
a=∫01f(t)dt。
∃ξ∈(−1,1):f′(ξ)=2∫01f(t)dt ①读题:积分为零给两个端点,小积分给中点
∫−11f(t)dt=0,a=∫01f(t)dt 目标:∃ξ∈(−1,1), f′(ξ)=2a 导数等于常数,先移项认成二阶导数
f′(ξ)−2a=0 ②先证明 a>0:严格递增怎样用
∫−10f(t)dt=−a 2a=∫01f(t)dt−∫−10f(t)dt t=−u:∫−10f(t)dt=∫01f(−u)du 2a=∫01[f(t)−f(−t)]dt>0 t>0 时 t>−t,严格递增给被积差严格为正;不是由严格递增推 f′处处>0。
第二视角 · 中值定理与证明题第 4 项 / 2—4
04 积分条件构造三个零点 · 续
③选定理:积分先升一阶,再用两层罗尔
(∫1xf(t)dt)′=f(x),(∫1xf(t)dt)′′=f′(x) (Ax2+Bx+C)′′=2A 需要二阶导数变成 f′−2a,先令 A=−a;再由端点条件定 B、C。
④辅助函数的三个系数怎样算
F(x)=∫1xf(t)dt−ax2+Bx+C F(1)=0⟹−a+B+C=0 F(−1)=0⟹−a−B+C=0 B=0, C=a⟹F(x)=a(1−x2)+∫1xf(t)dt F(0)=a−∫01f(t)dt=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 4 项 / 3—4
04 积分条件构造三个零点 · 续
⑤第一层:在左右两段分别用罗尔
f 连续且可导,F 在闭区间连续、内部二阶可导。
F(−1)=F(0)=F(1)=0 ∃ξ1∈(−1,0):F′(ξ1)=0 ∃ξ2∈(0,1):F′(ξ2)=0 ξ1<0<ξ2 ⑥第二层:同一个常数 2a 出现
F′ 在 [ξ₁,ξ₂] 连续、内部可导,且两端同为零。
∃ξ∈(ξ1,ξ2):F′′(ξ)=0 F′(x)=−2ax+f(x),F′′(x)=−2a+f′(x) f′(ξ)=2a,−1<ξ<1 第二视角 · 中值定理与证明题第 4 项 / 4—4
04 积分条件构造三个零点 · 续
⑦换一种看法:也可先找两条斜率
F(−1)=F(0)=F(1)=0⟹1F(0)−F(−1)=1F(1)−F(0)=0 对两段使用拉格朗日,得到同样的两个 F′ 零点;再对 F′ 用罗尔。
这里拉格朗日的斜率恰好为零,所以直接称罗尔更短。
⑧验算与迁移
f(x)=x:a=∫01xdx=21,f′(x)=1=2a f(x)=x3:a=41,3ξ2=21⟹ξ=±61 看到积分条件、目标含 f′:尝试变上限积分;再由目标常数的导数阶数决定补一次还是二次项。
第二视角 · 中值定理与证明题第 5 项 / 1—4
05 凸性、切线与割线斜率的不等式
f 在 [a,b] 连续,在
(a,b) 可导且
f′ 单调不减;公式中的端点导数另假设
f+′(a),f−′(b) 存在且有限。 末尾整数采样例另要求
f 在
[1,+∞) 有二阶导数且
f′′>0。 严格割线条件指每个
a<x1<x2<x3<b 都满足相邻割线斜率严格递增;此分支只需
f 在
(a,b) 可导。 固定右端点割线分支只要求凸性(图形在弦线下方),不要求可导。
f′(a)≤b−af(b)−f(a)≤f′(b) ①读题:导数不减怎样传递到割线
f′ 不减,a<x<b x−af(x)−f(a)与b−xf(b)−f(x) 两段区间左右分离,中值点的位置才可以比较。
②选定理:斜率用拉格朗日,值的界再移项
∃ξ1∈(a,x):x−af(x)−f(a)=f′(ξ1) ∃ξ2∈(x,b):b−xf(b)−f(x)=f′(ξ2) ξ1<ξ2⟹f′(ξ1)≤f′(ξ2) f 闭区间连续、内部可导,两个子区间都满足拉格朗日条件。
第二视角 · 中值定理与证明题第 5 项 / 2—4
05 凸性、切线与割线斜率的不等式 · 续
③割线不等式怎样变成弦线不等式
x−af(x)−f(a)≤b−xf(b)−f(x) 两个分母均为正,交叉相乘不变号
(b−x)[f(x)−f(a)]≤(x−a)[f(b)−f(x)] (b−a)f(x)≤(b−x)f(a)+(x−a)f(b) f(x)≤b−ab−xf(a)+b−ax−af(b) ④切线不等式:左右两边必须分别看符号
f(x)−f(c)=f′(ξ)(x−c) x>c: c<ξ<x, f′(ξ)≥f′(c), x−c>0 x<c: x<ξ<c, f′(ξ)≤f′(c), x−c<0 第二种情况乘负数,不等号反向
f(x)≥f(c)+f′(c)(x−c) f=ex, c=0:ex≥1+x 第二视角 · 中值定理与证明题第 5 项 / 3—4
05 凸性、切线与割线斜率的不等式 · 续
⑤端点导数夹住整段斜率
本分支另假设端点单侧导数存在且有限。
x−af(x)−f(a)≤b−af(b)−f(a)≤b−xf(b)−f(x) 左边令 x→a⁺,右边令 x→b⁻
f+′(a)≤b−af(b)−f(a)≤f−′(b) 不可把端点导数存在当成“内部可导”自动附送的条件。
⑥整数采样:为什么相邻增量越来越大
本分支 f 在 [1,+∞) 二阶可导且 f″>0。
f(n+1)−f(n)=f′(ξn),n<ξn<n+1 ξn<n+1<ξn+1⟹f′(ξn)<f′(ξn+1) f(2)>f(1)⟹f(n)≥f(1)+(n−1)[f(2)−f(1)]→+∞ 最后是把 n−1 个增量逐项下界相加。
第二视角 · 中值定理与证明题第 5 项 / 4—4
05 凸性、切线与割线斜率的不等式 · 续
⑦严格割线条件为什么迫使 f′严格递增
u<t<v:v−uf(v)−f(u)=v−ut−ut−uf(t)−f(u)+v−uv−tv−tf(v)−f(t) 两项严格有序,正权平均位于它们之间;令 t 趋向端点可得 f′不减。
f′(u)≤v−uf(v)−f(u)≤f′(v) f′(u)=f′(v)=C⟹f′(t)=C (u<t<v) f(t)=f(u)+C(t−u)⟹内部相邻割线斜率都为 C,矛盾 反向:f′严格递增,对两个相邻区间用拉格朗日即得严格割线比较。
⑧固定一端的割线递增,不能反推全部凸性
−1≤u<v<1:v=1−u1−vu+1−uv−u⋅1 凸性代入此正权组合,移项再除以正的 1−v,得到
v−1f(v)−f(1)≥u−1f(u)−f(1) f(x)=(x−1)x3:x−1f(x)−f(1)=x3 严格递增 f′′(x)=12x2−6x 变号;故反向不成立 第二视角 · 中值定理与证明题第 6 项 / 1—4
06 指数因子与商函数的中值构造
f 在 [a,b] 连续 且在
(a,b) 可导;
λ 为实数。 末两式另设
g 在 [a,b] 连续,在
(a,b) 可导,且
g(x)=0 对所有
x∈[a,b] 成立。
[eλxf(x)]′=eλx[f′(x)+λf(x)] ①读题:f′加常数倍 f,像哪个导数?
f′(x)+λf(x) [u(x)f(x)]′=u(x)f′(x)+u′(x)f(x) 希望两项系数之比为 λ
uu′=λ⟹u=eλx ②正因子有什么作用
F(x)=eλxf(x) F′(x)=eλx[f′(x)+λf(x)] eλx>0 乘它不会改变零点关系或不等号方向;无需限制 λ 的正负。
第二视角 · 中值定理与证明题第 6 项 / 2—4
06 指数因子与商函数的中值构造 · 续
③选罗尔还是拉格朗日,要再看端点
eλaf(a)=eλbf(b)⟹F(a)=F(b) 端点相等→罗尔→F′(ξ)=0 F(b)−F(a)=0→拉格朗日给整段差商 仅认出导数结构还不够,必须查新函数的端点关系。
④完整的零点证明
补充本分支条件:指数加权的端点值相等。F 闭区间连续、内部可导。
∃ξ∈(a,b):0=F′(ξ)=eλξ[f′(ξ)+λf(ξ)] 除以严格正的指数因子
f′(ξ)+λf(ξ)=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 6 项 / 3—4
06 指数因子与商函数的中值构造 · 续
⑤符号分支:不相等时也可以比较端点
f′(x)+λf(x)≥0⟹F′(x)≥0 对 F 在 [a,b] 用拉格朗日。
F(b)−F(a)=F′(ξ)(b−a)≥0 eλbf(b)≥eλaf(a) ⑥乘积差结构为什么改成商函数
f′g−fg′⟶(gf)′=g2f′g−fg′ 另设 g 在闭区间连续、内部可导,且整个闭区间 g≠0。
G(x)=g(x)f(x) f(a)g(b)=f(b)g(a)⟺G(a)=G(b) 第二视角 · 中值定理与证明题第 6 项 / 4—4
06 指数因子与商函数的中值构造 · 续
⑦商函数路线的完整证明
分母无零点,G 满足罗尔的连续与可导条件。
∃η∈(a,b):0=G′(η)=g(η)2f′(η)g(η)−f(η)g′(η) g(η)2>0⟹f′(η)g(η)−f(η)g′(η)=0 若 g 有零点,这条商函数路线需要换构造,不能直接除。
⑧把隐藏因子写出来练一次
f′−2f⟶[e−2xf(x)]′=e−2x(f′−2f) f′+f⟶[exf(x)]′=ex(f′+f) 先认目标里 f 的系数,再确定指数;不要把所有“加一项”的式子都机械乘 eˣ。
第二视角 · 中值定理与证明题第 7 项 / 1—4
07 柯西中值定理与导数比控制差商
f,g 在 [a,b] 连续,在
(a,b) 可导且
g′=0,
a<b。
存在ξ∈(a,b):g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ) ①读题:两个函数的增量必须成对出现
f(b)−f(a)与g(b)−g(a) g(b)−g(a)f(b)−f(a) ⟷ g′(ξ)f′(ξ) 柯西的特点:两种增量对应同一个中值点。
②比值形式之前,先排除零分母
g(b)=g(a) 罗尔 ∃η∈(a,b):g′(η)=0 g′=0⟹g(b)−g(a)=0 罗尔条件由 g 闭区间连续、内部可导保证。
第二视角 · 中值定理与证明题第 7 项 / 2—4
07 柯西中值定理与导数比控制差商 · 续
③辅助函数的来源:交叉相乘并做端点差
[f(b)−f(a)]g′(ξ)−[g(b)−g(a)]f′(ξ)=0 两个方括号都是常数;反向积分一阶导数
F(x)=[f(b)−f(a)][g(x)−g(a)] F(x)=−[g(b)−g(a)][f(x)−f(a)] 减去端点值,让左端自动归零。
④逐个检查新函数端点
F(a)=[f(b)−f(a)]⋅0−[g(b)−g(a)]⋅0=0 F(b)=[f(b)−f(a)][g(b)−g(a)] F(b)=−[g(b)−g(a)][f(b)−f(a)]=0 两个乘积互换次序后完全相同,因此右端也为零。
第二视角 · 中值定理与证明题第 7 项 / 3—4
07 柯西中值定理与导数比控制差商 · 续
⑤完整证明:罗尔产生交叉形式
F 闭区间连续、内部可导;在 [a,b] 使用罗尔。
∃ξ∈(a,b):F′(ξ)=0 [f(b)−f(a)]g′(ξ)=[g(b)−g(a)]f′(ξ) g′(ξ)≠0 且 g(b)−g(a)≠0;两边同除
g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ)f′(ξ) ⑥为什么拉格朗日是它的特例
g(x)=x⟹g(b)−g(a)=b−a,g′(ξ)=1 b−af(b)−f(a)=f′(ξ) 只出现区间长度时,用拉格朗日即可;第二种增量有自身结构时再考虑柯西。
第二视角 · 中值定理与证明题第 7 项 / 4—4
07 柯西中值定理与导数比控制差商 · 续
⑦具体比较:对数差商怎样夹住
0<a<b,f(x)=lnx,g(x)=x lnb−lna=ξb−a,a<ξ<b 正数取倒数,不等号反向
b1<ξ1<a1 bb−a<lnab<ab−a ⑧不能分开用两次拉格朗日后直接合点
f(b)−f(a)=f′(ξ1)(b−a),g(b)−g(a)=g′(ξ2)(b−a) g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(ξ2)f′(ξ1) 这两点未必相同。目标要求同点比值时,用上述整体构造,而不是把下标擦掉。
第二视角 · 中值定理与证明题第 8 项 / 1—4
08 围绕内点展开端点:导数界与最佳位置
f 在 [a,b] 连续,区间内二阶可导且
∣f′′∣≤M;
f(a)=f(b),
a<x<b。 末行
c∈(a,b)。
∣f′(x)∣≤2(b−a)M[(x−a)2+(b−x)2] ①读题:等端点与二阶界,目标却是一阶导数
f(a)=f(b),∣f′′∣≤M 目标含 f′(x)⟹以这个 x 为共同展开中心 x 是任意固定内点;不能只证明某个点的导数有界。
②为什么一次罗尔不够
f(a)=f(b)罗尔f′(ξ)=0 这只给某个 ξ,无法直接控制任意给定 x。
两端泰勒→相减消 f(x)→留下 (b−a)f′(x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 8 项 / 2—4
08 围绕内点展开端点:导数界与最佳位置 · 续
③把两个端点分别展开
f(a)=f(x)+(a−x)f′(x)+2(a−x)2f′′(ξ1) f(b)=f(x)+(b−x)f′(x)+2(b−x)2f′′(ξ2) f 在闭区间连续、内部二阶可导;展开中心为内点,f′在其附近可导因而连续。
④为什么相减;每个系数算清楚
f(b)−f(a)=0,(b−x)−(a−x)=b−a 0=(b−a)f′(x)+21[(b−x)2f′′(ξ2)−(a−x)2f′′(ξ1)] 2(b−a)f′(x)=(a−x)2f′′(ξ1)−(b−x)2f′′(ξ2) 第二视角 · 中值定理与证明题第 8 项 / 3—4
08 围绕内点展开端点:导数界与最佳位置 · 续
⑤取绝对值并逐项用导数界
2(b−a)∣f′(x)∣≤(a−x)2∣f′′(ξ1)∣+(b−x)2∣f′′(ξ2)∣ ≤M[(x−a)2+(b−x)2] 2(b−a)>0,除过去不改变方向
∣f′(x)∣≤2(b−a)M[(x−a)2+(b−x)2] ⑥中点为什么是这条界的最佳位置
(x−a)2+(b−x)2=2(x−2a+b)2+2(b−a)2 x=2a+b⟹∣f′(x)∣≤4M(b−a) 这里“最佳位置”指右边这个表达式在中点最小,不是任意位置都能套中点常数。
第二视角 · 中值定理与证明题第 8 项 / 4—4
08 围绕内点展开端点:导数界与最佳位置 · 续
⑦零端点、驻点高度:再用两次泰勒
另设 f(a)=f(b)=0,c∈(a,b) 且 f′(c)=0。
0=f(c)+2(a−c)2f′′(η1) 0=f(c)+2(b−c)2f′′(η2) ∣f(c)∣≤2Mmin{(c−a)2,(b−c)2} min(c−a,b−c)≤2b−a⟹∣f(c)∣≤8M(b−a)2 ⑧检查等号与量纲
f(x)=2M(x−a)(b−x) f(a)=f(b)=0,f′′=−M,f′(2a+b)=0 f(2a+b)=8M(b−a)2 高度界的区间长度是平方;导数界的区间长度是一次。两者不能混用。
第二视角 · 中值定理与证明题第 9 项 / 1—4
09 积分正交条件:为什么至少有两个不同零点
f 在 [a,b] 连续,
a<b,
f≡0,
∫abf=∫abxf=0。
f 在 (a,b) 至少有两个不同零点 ①读题:两个积分同时为零,可以相减出什么?
∫abf(x)dx=0,∫abxf(x)dx=0 ∫ab(x−c)f(x)dx=0对任意常数 c 都成立 c 可以按反证中假设的零点位置来选;这是题设留出的可调因子。
②先选介值,再用积分符号反证
题设只要求连续,没有可导条件;不能把罗尔当作默认路线。
∫f=0, f≡0→既有正值又有负值→至少一个零点 若只有一个零点 c→(x−c)f(x) 同号→积分不为零 第二视角 · 中值定理与证明题第 9 项 / 2—4
09 积分正交条件:为什么至少有两个不同零点 · 续
③为什么一定同时出现正值与负值
若 f≥0 且不恒为零,某内点附近有严格正下界。
f(u)>0⟹∃δ>0:f(x)≥21f(u)>0(∣x−u∣≤δ) [u−δ,u+δ]⊂(a,b) ∫abf(x)dx≥δf(u)>0矛盾 若只有负值同理。非零值若先出现在端点,连续性保证附近内点也非零。
∃u,v∈(a,b):f(u)>0>f(v) ④第一个零点由介值定理给出
在 u、v 之间的闭区间上使用介值定理。
∃c∈(min(u,v),max(u,v)):f(c)=0 若已经有两个不同内点零点,结论完成;否则反设 c 是唯一内点零点。
f(x)=0(x∈(a,c)∪(c,b)) 第二视角 · 中值定理与证明题第 9 项 / 3—4
09 积分正交条件:为什么至少有两个不同零点 · 续
⑤唯一零点为什么意味着两侧各自定号
若同一侧出现正、负值,连续性会给这一侧另一个零点。
f 在 (a,c) 定号,在 (c,b) 定号 前面已知正、负值都存在,所以两侧符号必须相反。
xx−cf(x) 的一种情形(x−c)f(x)(a,c)−−+(c,b)+++ ⑥乘以 x−c,把变号抵消掉
若上表符号相反,乘积就在两侧都为负;两种情况分别处理即可。
(x−c)f(x)>0 (a<x<b, x=c)⟹∫ab(x−c)f(x)dx>0 (x−c)f(x)<0 (a<x<b, x=c)⟹∫ab(x−c)f(x)dx<0 连续、同号且不恒为零,保证积分严格非零。
第二视角 · 中值定理与证明题第 9 项 / 4—4
09 积分正交条件:为什么至少有两个不同零点 · 续
⑦与题设相撞,完成反证
∫ab(x−c)f(x)dx=∫abxf(x)dx−c∫abf(x)dx =0−c⋅0=0 f 在 (a,b) 至少有两个不同零点 矛盾来自“假设只有一个”;没有把零点数恰好等于二当成结论。
⑧少一个积分条件会怎样?
f(x)=x−21,[0,1] ∫01f(x)dx=0,f 仅有一个零点 21 ∫01xf(x)dx=31−41=121=0 第二个条件的作用正是控制乘上一次因子后的积分。
第二视角 · 中值定理与证明题第 10 项 / 1—4
10 等端点的非恒常函数:正负导数分别构造
a<b,
f 在
[a,b] 连续、在
(a,b) 可导,不恒为常数且
f(a)=f(b)。 中点分段分支允许恒常函数:
F 在
[0,1] 连续、内部可导且
F(0)=F(1)。
∃u,v∈(a,b):f′(u)>0,f′(v)<0 ①读题:想要正、负导数,不能只找零导数
f(a)=f(b),f 不恒为常数 f′(u)>0,f′(v)<0 罗尔只给 f′=0;正负号来自向上、向下的两段割线。
②从“不恒常”找一个中间高点或低点
∃c∈(a,b):f(c)=f(a)=f(b) f(c)>f(a)或f(c)<f(a) 端点都相等,所以非恒常的差异一定能在内点找到。
第二视角 · 中值定理与证明题第 10 项 / 2—4
10 等端点的非恒常函数:正负导数分别构造 · 续
③两段拉格朗日,点的位置和分母都写清
f 在 [a,c]、[c,b] 均连续,内部均可导。
∃ξ1∈(a,c):f′(ξ1)=c−af(c)−f(a) ∃ξ2∈(c,b):f′(ξ2)=b−cf(b)−f(c) c−a>0,b−c>0 ④分两种符号,得到同一存在结论
f(c)>f(a):f′(ξ1)>0>f′(ξ2) f(c)<f(a):f′(ξ1)<0<f′(ξ2) 分别把导数为正的点命名为 u、为负的点命名为 v。
∃u,v∈(a,b):f′(u)>0, f′(v)<0 不能同时额外要求 u<v;第二种情形中正导数点在右侧。
第二视角 · 中值定理与证明题第 10 项 / 3—4
10 等端点的非恒常函数:正负导数分别构造 · 续
⑤等长两段:为何导数和恰好为零
另取 F 在 [0,1] 连续、内部可导且 F(0)=F(1)。此分支允许常函数。
∃u∈(0,21):F′(u)=2[F(21)−F(0)] ∃v∈(21,1):F′(v)=2[F(1)−F(21)] F′(u)+F′(v)=2[F(1)−F(0)]=0 ⑥若目标含 u²+v²,辅助项从导数反推
f′(u)+f′(v)=u2+v2 移项后,希望两处 F′相加为零
F′(x)=f′(x)−x2⟹F(x)=f(x)−3x3 f(0)=0, f(1)=31⟹F(0)=F(1)=0 对 F 使用上一步的两段拉格朗日,立即得到目标,且 u、v 位于不同半区间。
第二视角 · 中值定理与证明题第 10 项 / 4—4
10 等端点的非恒常函数:正负导数分别构造 · 续
⑦对称辅助函数还能指定 v=1−u
G(x)=F(x)−F(1−x) G(0)=0,G(21)=0 G′(x)=F′(x)+F′(1−x) 注意链式法则里的两个负号相消。在 [0,1/2] 用罗尔:
∃u∈(0,21):G′(u)=0,v=1−u∈(21,1) F′(u)+F′(v)=0 ⑧必须保留的条件
f≡C⟹f′≡0 所以正负导数那一问必须排除常函数;导数和等于零的分支则不必排除。
正负号→两段拉格朗日;对称和→F(x)−F(1−x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 11 项 / 1—4
11 二阶导数比值:先排除分母零点,再构造乘积差
f,g 在
[a,b] 二阶可导,
f(a)=f(b)=g(a)=g(b)=0,
g′′(x)=0 对所有
a<x<b 成立。
g(x)=0 (a<x<b),∃c∈(a,b): g(c)f(c)=g′′(c)f′′(c) ①读题:同一点的两个比值
g(c)f(c)=g′′(c)f′′(c) 先想到交叉相乘,但必须先确认两个分母
f′′(c)g(c)−f(c)g′′(c)=0 g″≠0 已知;g 在内部是否为零,还需要证明。
②选定理:一个二阶比值拆成两项任务
g(a)=g(b)=0,g′′=0 → 用两层罗尔排除第三零点 f′′g−fg′′ → (f′g−fg′)′ → 再用一次罗尔 直接对 f/g 套罗尔不合适:两个端点都出现 0/0。
第二视角 · 中值定理与证明题第 11 项 / 2—4
11 二阶导数比值:先排除分母零点,再构造乘积差 · 续
③分母检查:假设 g 在内部还有零点
g(t)=0,a<t<b [a,t]:∃ξ1∈(a,t), g′(ξ1)=0 [t,b]:∃ξ2∈(t,b), g′(ξ2)=0 g′在内部可导,故在 [ξ₁,ξ₂] 连续;再用罗尔。
∃η∈(ξ1,ξ2):g′′(η)=0矛盾 g(x)=0(a<x<b) ④辅助函数从抵消交叉项而来
(f′g)′=f′′g+f′g′ (fg′)′=f′g′+fg′′ 两式相减,交叉项 f′g′抵消
(f′g−fg′)′=f′′g−fg′′ F(x)=f′(x)g(x)−f(x)g′(x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 11 项 / 3—4
11 二阶导数比值:先排除分母零点,再构造乘积差 · 续
⑤端点条件为什么够用
f(a)=g(a)=0⟹F(a)=0 f(b)=g(b)=0⟹F(b)=0 按本条条件,f、g 在闭区间二阶可导,端点取单侧;f′、g′在端点连续,因此 F 闭区间连续、内部可导。
若只给内部二阶可导,不能自动省掉 F 在端点连续的检查。
⑥正式使用罗尔并恢复比值
∃c∈(a,b):0=F′(c)=f′′(c)g(c)−f(c)g′′(c) f′′(c)g(c)=f(c)g′′(c) g(c)≠0 已证,g″(c)≠0 由题设
g(c)f(c)=g′′(c)f′′(c) 第二视角 · 中值定理与证明题第 11 项 / 4—4
11 二阶导数比值:先排除分母零点,再构造乘积差 · 续
⑦到底用了几次罗尔?
排除 g 的第三零点:2+1=3 次 对 F=f′g−fg′:1 次 前三次处于反证分支中;后一条才产生最终所需的 c。不是把四次产生的点当成同一个。
⑧看见二阶乘积差的下一行
f′′g−fg′′=(f′g−fg′)′ g(x)=(x−a)(x−b)⟹g′′=2,g(x)=0 (a<x<b) 此例能直观看到:端点为零与内部无零点并不矛盾。
第二视角 · 中值定理与证明题第 12 项 / 1—4
12 固定长度增量的单调性与次可加不等式
f 在
[0,∞) 连续,在
(0,∞) 二阶可导;首个分支
f′′<0,f(0)=0。整数采样分支另设
f′′>0。
a,b>0, f′′<0:f(a+b)<f(a)+f(b) ①读题:和式不等式,先移项成两个等长增量
f(a+b)<f(a)+f(b),f(0)=0 f(a+b)−f(a)<f(b)−f(0) 两段长度都等于 b,只是起点从 0 移到 a
F(t)=f(t+b)−f(t) ②为什么别把两个任意中值点硬排序
f(a+b)−f(a)=bf′(ξ1),a<ξ1<a+b f(b)−f(0)=bf′(ξ2),0<ξ2<b 若 a<b,两段重叠,不能仅凭这些位置断言 ξ₁>ξ₂。改为固定长度增量函数。
第二视角 · 中值定理与证明题第 12 项 / 2—4
12 固定长度增量的单调性与次可加不等式 · 续
③先由 f″<0 得到 f′严格递减
0<u<v:f′(v)−f′(u)=f′′(η)(v−u) η∈(u,v),f′′(η)<0,v−u>0 f′(v)<f′(u) 对 f′用拉格朗日:内部二阶可导保证 f′在 [u,v] 连续、内部可导。
④增量函数求导后,点的位置确定
F′(t)=f′(t+b)−f′(t) b>0⟹t+b>t⟹F′(t)<0(t>0) 这次比较的是明确的 t+b 与 t,不存在两个未知中值点的排序问题。
第二视角 · 中值定理与证明题第 12 项 / 3—4
12 固定长度增量的单调性与次可加不等式 · 续
⑤完整证明:再用拉格朗日比较 F(a)、F(0)
F 在 [0,a] 连续、内部可导。
F(a)−F(0)=F′(ξ)a<0,0<ξ<a f(a+b)−f(a)<f(b)−f(0)=f(b) f(a+b)<f(a)+f(b) ⑥如果 f(0)不为零,该保留什么
f(a+b)<f(a)+f(b)−f(0) 这一式才对任意纵向平移保持一致。
f(x)=x+1:f′′(x)<0,f(0)=1 f(a+b)<f(a)+f(b)−1 第二视角 · 中值定理与证明题第 12 项 / 4—4
12 固定长度增量的单调性与次可加不等式 · 续
⑦凸函数的整数增量:另一分支
另设 f″>0;对各个互不重叠的单位区间使用拉格朗日。
f(n+1)−f(n)=f′(ξn),n<ξn<n+1<ξn+1 f(n+2)−f(n+1)>f(n+1)−f(n) f(2)>f(1)⟹f(n)≥f(1)+(n−1)[f(2)−f(1)]→+∞ ⑧仅知最初一次下降,不能判断最终极限
f(x)=e−x:f′′>0, f(2)<f(1), f(n)→0 f(x)=(x−2)2:f′′>0, f(2)<f(1), f(n)→+∞ 导数递增并不等于导数始终为正;初始正增量是上一步推出发散的重要条件。
第二视角 · 中值定理与证明题第 13 项 / 1—4
13 导数乘积差的符号:转为商函数比较
f,g 在区间上可导,
g>0,
f′g−fg′<0;
a<x<b 位于该区间。
f(x)g(b)>f(b)g(x),f(x)g(a)<f(a)g(x) ①读题:一正一负的交叉导数,认商法则
f′g−fg′<0,g>0 (gf)′=g2f′g−fg′ 若是加号 f′g+fg′,才是乘积的导数;这里是减号。
②先把目标除成比值,看看想比较谁
f(x)g(b)>f(b)g(x) g(x)g(b)>0,除过去不变号
g(x)f(x)>g(b)f(b) a<x<b提示 gf 严格递减 第二视角 · 中值定理与证明题第 13 项 / 2—4
13 导数乘积差的符号:转为商函数比较 · 续
③辅助函数与定义域检查
F(x)=g(x)f(x) g(x)>0⟹g(x)=0⟹F 可导 F′(x)=g(x)2f′(x)g(x)−f(x)g′(x)<0 ④选拉格朗日:把导数的符号传给函数差
任取 u<v;F 在 [u,v] 连续、内部可导。
F(v)−F(u)=F′(ξ)(v−u),u<ξ<v F′(ξ)<0,v−u>0⟹F(v)<F(u) 此处不需要罗尔的端点相等;目标就是比较不等。
第二视角 · 中值定理与证明题第 13 项 / 3—4
13 导数乘积差的符号:转为商函数比较 · 续
⑤按 a<x<b 排好三个函数值
F(a)>F(x)>F(b) g(a)f(a)>g(x)f(x)>g(b)f(b) 区间中的 a、x、b 都是函数有定义且可导的位置。
⑥交叉相乘,逐次保留正号依据
g(a)g(x)>0⟹f(a)g(x)>f(x)g(a) g(x)g(b)>0⟹f(x)g(b)>f(b)g(x) f(x)g(a)<f(a)g(x),f(x)g(b)>f(b)g(x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 13 项 / 4—4
13 导数乘积差的符号:转为商函数比较 · 续
⑦为什么不能改成乘积 fg 递减
f=ex,g=e2x f′g−fg′=−e3x<0 (fg)′=(e3x)′=3e3x>0 gf=e−x 递减,但 fg=e3x 递增 ⑧若条件只给 g≠0,应检查什么
可导函数连续;在一个区间内无零点,g 就不能变号。
g(a)g(x)>0,g(x)g(b)>0 所以若整个区间 g≠0,这两个乘积仍为正;若只知道某几个点非零,则不能据此跨越中间零点套商函数比较。
第二视角 · 中值定理与证明题第 14 项 / 1—4
14 中间交点把两段割线斜率变成倒数
f 在
[0,1] 连续,在
(0,1) 可导,
f(0)=0,f(1)=1。
∃ 0<u<c<v<1:f(c)=1−c,f′(u)f′(v)=1 ①读题:两个导数相乘等于 1
f′(u)f′(v)=1,f(0)=0, f(1)=1 两个斜率互为倒数⟶c1−c⋅1−cc 要同时制造两个不同的点,先把区间分成不相交两段。
②从目标倒推中间点应满足什么
[0,c] 的斜率=cf(c) [c,1] 的斜率=1−c1−f(c) f(c)=1−c⟹cf(c)=c1−c,1−c1−f(c)=1−cc 第二视角 · 中值定理与证明题第 14 项 / 2—4
14 中间交点把两段割线斜率变成倒数 · 续
③辅助函数从这条交点等式直接移项
f(c)=1−c⟺f(c)+c−1=0 F(x)=f(x)+x−1 F(0)=−1,F(1)=1 ④选介值先造 c,不能直接假设交点存在
F 在 [0,1] 连续,端点异号。
∃c∈(0,1):F(c)=0 f(c)=1−c,c>0, 1−c>0 c 为内点,也保证接下来所有分母非零。
第二视角 · 中值定理与证明题第 14 项 / 3—4
14 中间交点把两段割线斜率变成倒数 · 续
⑤左段拉格朗日:产生第一个点
f 在 [0,c] 连续、内部可导。
∃u∈(0,c):f′(u)=c−0f(c)−f(0) f′(u)=c1−c ⑥右段拉格朗日:产生第二个点
f 在 [c,1] 连续、内部可导。
∃v∈(c,1):f′(v)=1−cf(1)−f(c) f′(v)=1−c1−(1−c)=1−cc 第二视角 · 中值定理与证明题第 14 项 / 4—4
14 中间交点把两段割线斜率变成倒数 · 续
⑦相乘并核对点确实不同
f′(u)f′(v)=c1−c⋅1−cc=1 0<u<c<v<1 不相交的两个开区间保证 u≠v;这不是可以省略的附带说明。
⑧为什么一次拉格朗日不够
f′(ξ)=1−0f(1)−f(0)=1 只有一个点,不能把它写两遍来冒充两个不同的点。
f(x)=x2:c2=1−c,c=25−1 再分别在 [0,c]、[c,1] 用定理,就沿上述证明产生真正分开的两个点。
第二视角 · 中值定理与证明题第 15 项 / 1—4
15 相同内部最大值:怎样造第三零点,再用两层三次罗尔
f,g 在
[a,b] 连续,在
(a,b) 二阶可导,
f(a)=g(a),f(b)=g(b);相同最大值
M 分别在内部点
c,d∈(a,b) 达到。
∃t∈(a,b):f′′(t)=g′′(t) ①读题:相同最大值不等于同一点取到
f(c)=M,g(d)=M,c,d∈(a,b) f(x)≤M,g(x)≤M c、d 可以不同;利用各自取最大值,得到差函数的正负信息。
②目标二阶导数相等,先移项
f′′(t)=g′′(t)⟺(f−g)′′(t)=0 F(x)=f(x)−g(x) f(a)=g(a), f(b)=g(b)⟹F(a)=F(b)=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 15 项 / 2—4
15 相同内部最大值:怎样造第三零点,再用两层三次罗尔 · 续
③还缺第三个零点:最大值条件补在哪里
F(c)=f(c)−g(c)=M−g(c)≥0 F(d)=f(d)−g(d)=f(d)−M≤0 若 c=d,则 F(c)=0;否则继续看两处是否已经出现等号。
④介值给出严格内部的第三零点
F(c)=0 或 F(d)=0⟹∃e∈(a,b):F(e)=0 F(c)>0>F(d)⟹∃e∈(min(c,d),max(c,d)):F(e)=0 F(a)=F(e)=F(b)=0 两种情况都能保证 e 不等于外端点。
第二视角 · 中值定理与证明题第 15 项 / 3—4
15 相同内部最大值:怎样造第三零点,再用两层三次罗尔 · 续
⑤第一层:两段各一次罗尔
F 在 [a,b] 连续,内部二阶可导。
∃ξ1∈(a,e):F′(ξ1)=0 ∃ξ2∈(e,b):F′(ξ2)=0 a<ξ1<e<ξ2<b ⑥第二层:再对 F′用罗尔
F′在内部可导,故在 [ξ₁,ξ₂] 连续;端点值同为零。
∃t∈(ξ1,ξ2):F′′(t)=0 F′′(t)=f′′(t)−g′′(t) f′′(t)=g′′(t),t∈(a,b) 第二视角 · 中值定理与证明题第 15 项 / 4—4
15 相同内部最大值:怎样造第三零点,再用两层三次罗尔 · 续
⑦调用次数与条件边界
第一层 2 次 + 第二层 1 次=3 次罗尔 最大值必须能在内点取得;若只在端点取到,就可能没有第三个内点零点。
本条按明确补全的“内部取得”条件讲解;原题若条件更弱,要先检查结论,而不是悄悄加条件。
⑧反例:只有同最大值还不够
[a,b]=[0,1],f(x)=x,g(x)=x2 f(0)=g(0)=0,f(1)=g(1)=1,maxf=maxg=1 f′′=0,g′′=2⟹f′′=g′′ 处处成立 两者最大值只在端点 1 取到,恰好暴露出缺失条件。
第二视角 · 中值定理与证明题第 16 项 / 1—4
16 加权平均等于端点值:先介值后罗尔
f 在
[a,b] 连续、在
(a,b) 可导;
a≤t1<t2<t3<b,
p,q,r>0,
pf(t1)+qf(t2)+rf(t3)=(p+q+r)f(b)。
∃ξ∈(a,b):f′(ξ)=0 ①读题:正权平均等于右端点值
pf(t1)+qf(t2)+rf(t3)=(p+q+r)f(b) p,q,r>0,a≤t1<t2<t3<b 目标 f′=0,倒推需要右端点之外的另一个等高点。
②移项:三个差值的正权和为零
p[f(t1)−f(b)]+q[f(t2)−f(b)]+r[f(t3)−f(b)]=0 F(x)=f(x)−f(b),pF(t1)+qF(t2)+rF(t3)=0 减的是同一个常数,导数仍是 f′。
第二视角 · 中值定理与证明题第 16 项 / 2—4
16 加权平均等于端点值:先介值后罗尔 · 续
③正权条件实际排除了什么
F(ti)>0 (i=1,2,3)⟹pF(t1)+qF(t2)+rF(t3)>0 F(ti)<0 (i=1,2,3)⟹pF(t1)+qF(t2)+rF(t3)<0 iminF(ti)≤0≤imaxF(ti) ④先选介值,不能直接用罗尔
若某个 F(tᵢ)=0,直接取 c=tᵢ;否则有一正一负。
F 连续,在相应两点之间用介值定理,得到
∃c∈[t1,t3]:F(c)=0 c≤t3<b⟹c=b 第二视角 · 中值定理与证明题第 16 项 / 3—4
16 加权平均等于端点值:先介值后罗尔 · 续
⑤罗尔的完整条件与结论
F(c)=F(b)=0 F 在 [c,b] 连续、在 (c,b) 可导。即便 c=a,也仍满足题设。
∃ξ∈(c,b):F′(ξ)=0 f′(ξ)=0,a<ξ<b ⑥熟悉的等权例子怎样对应
f(0)+f(1)+f(2)=3,f(3)=1 f(0)+f(1)+f(2)=3f(3) a=0, b=3,(t1,t2,t3)=(0,1,2),p=q=r=1 按前述正权与介值步骤找到 c<3,再在 [c,3] 用罗尔。
第二视角 · 中值定理与证明题第 16 项 / 4—4
16 加权平均等于端点值:先介值后罗尔 · 续
⑦为什么“右边是端点”能保证两个点不同
t3<b⟹c∈[t1,t3]⟹c<b 若平均值等于某个采样区间内部点的函数值,介值得到的点可能恰好就是它,未必得到第二个不同点。
f(x)=x:2f(0)+f(2)=f(1),f′≡1 ⑧负权反例:平均值不再受最大最小值夹住
f(x)=x:−f(0)+2f(23)=f(3) −1+2=1,f′≡1 形式上仍是权重和乘端点值,但有负权,无法沿用第③步的符号判断。
第二视角 · 中值定理与证明题第 17 项 / 1—4
17 有限开区间上导数有界推出函数有界
−∞<a<b<∞,
f 在
(a,b) 可导,
∣f′∣≤M。
∣f(x)−f(y)∣≤M∣x−y∣,∣f(x)∣≤∣f(2a+b)∣+2M(b−a) ①读题:导数有界,怎样控制函数值?
∣f′(x)∣≤M,−∞<a<b<∞ 先控 ∣f(x)−f(y)∣再固定一个 y 没有端点连续条件,所以只在内部闭区间用中值定理。
②选拉格朗日:把函数差换成导数乘距离
x<y,x,y∈(a,b) f 在 (a,b) 可导,因而在 [x,y] 连续、内部可导。
∃ξ∈(x,y):f(y)−f(x)=f′(ξ)(y−x) 第二视角 · 中值定理与证明题第 17 项 / 2—4
17 有限开区间上导数有界推出函数有界 · 续
③绝对值的每一步依据
∣f(y)−f(x)∣=∣f′(ξ)∣∣y−x∣ x>y 时交换两点;x=y 时两边同为零。
∣f(x)−f(y)∣≤M∣x−y∣(x,y∈(a,b)) ④为什么选一个固定中点
c=2a+b∈(a,b),∣x−c∣<2b−a 中点处 f(c) 是一个固定有限数;它不是随 x 改变的未知上界。
∣f(x)−f(c)∣≤M∣x−c∣≤2M(b−a) 第二视角 · 中值定理与证明题第 17 项 / 3—4
17 有限开区间上导数有界推出函数有界 · 续
⑤加减 f(c),完成函数有界的证明
f(x)=f(c)+[f(x)−f(c)] 三角不等式
∣f(x)∣≤∣f(c)∣+∣f(x)−f(c)∣ ∣f(x)∣≤∣f(2a+b)∣+2M(b−a) 右边与 x 无关,所以是整个开区间上的统一上界。
⑥只说 f 和 f′连续,够不够?
f(x)=x1,0<x<1 f′(x)=−x21 在 (0,1) 连续 x→0+:f(x)→+∞ 开区间上的连续函数不一定有界;不能套闭区间最值定理。
第二视角 · 中值定理与证明题第 17 项 / 4—4
17 有限开区间上导数有界推出函数有界 · 续
⑦反向命题也不成立
f(x)=x,0<x<1 0<f(x)<1,f′(x)=2x1→+∞(x→0+) 函数有界不能反推出导数有界。
⑧有限区间这一条件在哪里使用?
∣x−c∣≤2b−a 正是在控制距离时用到区间有限。
f(x)=x,0<x<∞:f′(x)=1 有界,f 无界 函数差→导数界×距离界→固定点加减 第二视角 · 中值定理与证明题第 18 项 / 1—4
18 端点导数异号保证内部最大值,不保证函数零点
a<b,f∈C1([a,b]),端点导数取对应单侧,
f′(a)>0>f′(b)。
∃c∈(a,b):f(c)>max{f(a),f(b)},f′(c)=0 ①读题:端点导数一正一负,指向的是高度变化
f+′(a)>0,f−′(b)<0 左端向右走会升高,右端向左走也会升高;两端都不是最大点。
目标:内部最大点 c,f′(c)=0 ②定理选择:最值定理加费马
f 在 [a,b] 连续→最大值取得 排除两端→c∈(a,b)费马f′(c)=0 不必硬构造两端等值;罗尔缺少 f(a)=f(b),也不是现有条件的直接入口。
第二视角 · 中值定理与证明题第 18 项 / 2—4
18 端点导数异号保证内部最大值,不保证函数零点 · 续
③用单侧导数定义证明左端不是最大点
h↓0limhf(a+h)−f(a)=f+′(a)>0 ∃h1>0:0<h1<b−a,h1f(a+h1)−f(a)>0 f(a+h1)>f(a) ④右端要留意负增量
h↓0lim−hf(b−h)−f(b)=f−′(b)<0 ∃h2>0:−h2f(b−h2)−f(b)<0 乘以 −h₂<0,方向反过来
f(b−h2)>f(b) 第二视角 · 中值定理与证明题第 18 项 / 3—4
18 端点导数异号保证内部最大值,不保证函数零点 · 续
⑤最大值存在,而且严格超过两个端点
由闭区间连续性,取 c∈[a,b] 使 f(c)=max f。
f(c)≥f(a+h1)>f(a) f(c)≥f(b−h2)>f(b) c∈(a,b),f(c)>max{f(a),f(b)} ⑥费马定理的左右差商
f(c+h)−f(c)≤0 h>0:hf(c+h)−f(c)≤0;h<0:hf(c+h)−f(c)≥0 f 在 c 可导,左右极限相等。
f′(c)≤0,f′(c)≥0⟹f′(c)=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 18 项 / 4—4
18 端点导数异号保证内部最大值,不保证函数零点 · 续
⑦为何不能顺便说 f 有零点
f(x)=1+(x−a)(b−x)≥1(a≤x≤b) f′(a)=b−a>0,f′(b)=a−b<0 函数始终为正,却满足导数端点异号。导数条件不决定图像相对横轴的高度。
⑧第二视角的简化:不需要多加导数连续
上面直接用了单侧导数定义;并未依赖 f′在整个闭区间连续。
f∈C[a,b], f 内部可导, f+′(a)>0>f−′(b) ⟹内部取严格高于端点的最大值,并有 f′(c)=0 原专题的 C¹ 条件足够;本路线还能看清真正用到哪些条件。
第二视角 · 中值定理与证明题第 19 项 / 1—4
19 对数不等式:交叉相乘、无量纲换元和导数下界
第一分支
x>1;差商分支
0<a<b;参数分支
x>0,k≥ln2−1。
lnxln(1+x)>1+xx;a2+b22a<b−alnb−lna<ab1 ①第一类读题:分母有对数,先核对符号
x>1:lnxln(1+x)>1+xx (1+x)lnx>0 ⟺(1+x)ln(1+x)−xlnx>0 交叉相乘先过“正分母”这一关,再把差叫作 F。
②辅助函数求导:相同常数项自动抵消
F(x)=(1+x)ln(1+x)−xlnx F′(x)=ln(1+x)+1−lnx−1=ln(1+x1)>0 F(x)>F(1)=2ln2>0(x>1) F 连续可导;对 [1,x] 用拉格朗日得严格递增,再除回正分母即得第一类结论。
第二视角 · 中值定理与证明题第 19 项 / 2—4
19 对数不等式:交叉相乘、无量纲换元和导数下界 · 续
③差商下界:拉格朗日能直接做到哪一步
0<a<b:b−alnb−lna=ξ1,a<ξ<b ξ1>b1 b1−a2+b22a=b(a2+b2)(b−a)2>0 b−alnb−lna>a2+b22a ④差商上界:中值点位于中间仍然不够
目标:b−alnb−lna<ab1 仅有 a<ξ<b,不能推出 ξ>√ab。换用目标本身提示的平方根比例。
u=ab>1,b=au2,ab=au a(u2−1)2lnu<au1⟺2lnu<u−u1 第二视角 · 中值定理与证明题第 19 项 / 3—4
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⑤上界的辅助函数来自移项
G(u)=u−u1−2lnu,G(1)=0 G′(u)=1+u21−u2=u2(u−1)2>0(u>1) G(u)>G(1)=0 b−alnb−lna<ab1 ⑥参数分支:让导数分子出现一个可求的最小值
F(x)=x−ln2x+2klnx−1,F(1)=0 F′(x)=1−x2lnx+x2k=xx−2lnx+2k (x−2lnx)′=xx−2 x>0;在 (0,2) 递减、(2,∞) 递增,所以
x−2lnx≥2−2ln2 第二视角 · 中值定理与证明题第 19 项 / 4—4
19 对数不等式:交叉相乘、无量纲换元和导数下界 · 续
⑦参数怎样保证整个函数单调
k≥ln2−1⟹x−2lnx+2k≥0 F′(x)≥0(x>0) x>1: F(x)≥0;0<x<1: F(x)≤0 (x−1)[x−ln2x+2klnx−1]≥0 这里给的是充分条件;没有证明参数范围的必要性,不标为“当且仅当”。
⑧三个入口各自对应什么结构
分式大小→核对分母符号→移项作差 对数差商→拉格朗日;过不去的更强界另作差 含参数导数→分子最小值→参数下界 换元的 u 是一个正比例,降低两个参数的复杂度;不是看到对数就必须换元。
第二视角 · 中值定理与证明题第 20 项 / 1—4
20 唯一实根:导数正证明唯一,介值证明存在
第一分支
a,b,c∈R,5b>3a2;第二分支
p∈R,0<q<1。
x5+2ax3+3bx+4c=0 与 x+p+qcosx=0 各恰有一实根 ①读题:“恰有一个实根”含两个任务
存在+至多一个 异号端点→介值;严格单调→唯一 导数恒正只能排除两根,不能单独保证存在。
②多项式条件 5b>3a² 怎样进入导数
F(x)=x5+2ax3+3bx+4c F′(x)=5x4+6ax2+3b 把它看成关于 x² 的二次式,配平方
F′(x)=5(x2+53a)2+53(5b−3a2)>0 第二视角 · 中值定理与证明题第 20 项 / 2—4
20 唯一实根:导数正证明唯一,介值证明存在 · 续
③唯一性的完整证明
F 在任意有限闭区间连续、内部可导。若 u<v 是两根,
0=F(v)−F(u)=F′(ξ)(v−u)>0(u<ξ<v) 矛盾,所以至多一个根。也可对两根之间直接用罗尔与 F′>0 矛盾。
④存在性的完整证明
x→+∞limF(x)=+∞,x→−∞limF(x)=−∞ ∃R>0:F(−R)<0<F(R) F 在 [−R,R] 连续,介值定理给内部零点。
x5+2ax3+3bx+4c=0 恰有一个实根 第二视角 · 中值定理与证明题第 20 项 / 3—4
20 唯一实根:导数正证明唯一,介值证明存在 · 续
⑤带三角函数的另一题:先看幅度界
G(x)=x+p+qcosx,0<q<1 G′(x)=1−qsinx≥1−q>0 与上一题同理,拉格朗日或罗尔排除两个不同根。
⑥端点从 |q cos x|≤q 反推
u=−p−q−1,v=−p+q+1 G(u)=−q−1+qcosu≤−1<0 G(v)=q+1+qcosv≥1>0 u<v介值∃ξ∈(u,v):G(ξ)=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 20 项 / 4—4
20 唯一实根:导数正证明唯一,介值证明存在 · 续
⑦参数的角色分别是什么
5b>3a2→F′>0;4c→纵向平移 0<q<1→1−qsinx>0;p→改变根的位置 常数项不进入导数,但仍影响根在哪里;不能因为求导消失,就说它不影响方程。
⑧检查“只单调”这一漏洞
H(x)=ex:H′(x)>0,H(x)>0 对所有实数 x 严格递增,却没有实零点。每个“唯一根”证明都要明确写出一次存在性依据。
先找异号端点,再排除两根;顺序也可交换,但两步都要有。 第二视角 · 中值定理与证明题第 21 项 / 1—4
21 递增凸函数的切线与零点之间的位置
f∈C2[a,∞),
f(a)=0,f′>0,f′′>0,
b>a。
x0=b−f′(b)f(b)⇒a<x0<b ①读题:横截距公式是怎么来的
x0=b−f′(b)f(b) y=f(b)+f′(b)(x−b),y=0 x=b−f′(b)f(b)=x0 这是 b 处切线与横轴的交点;目标是 a<x₀<b。
②从目标倒推要估计的分式
a<b−f′(b)f(b)<b ⟺0<f′(b)f(b)<b−a 此处只是移项,不需要先乘未知符号。下一步用 f′>0 确认分母为正。
第二视角 · 中值定理与证明题第 21 项 / 2—4
21 递增凸函数的切线与零点之间的位置 · 续
③第一次拉格朗日:把函数值换成一阶导数
f 在 [a,b] 连续、内部可导。
∃ξ∈(a,b):f(b)=f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a) f′(ξ)>0, b−a>0⟹f(b)>0 ④第二次拉格朗日:用凸性比较两个导数
f′在 [ξ,b] 连续、内部可导。
f′(b)−f′(ξ)=f′′(η)(b−ξ),ξ<η<b f′′(η)>0, b−ξ>0⟹f′(b)>f′(ξ)>0 第二视角 · 中值定理与证明题第 21 项 / 3—4
21 递增凸函数的切线与零点之间的位置 · 续
⑤两条式子接起来,得到目标分式范围
0<f′(b)f′(ξ)<1 乘以正数 b−a
0<f′(b)(b−a)f′(ξ)<b−a 0<f′(b)f(b)<b−a ⑥最后减法要逐端写清
f′(b)f(b)>0⟹b−f′(b)f(b)<b f′(b)f(b)<b−a⟹b−f′(b)f(b)>a a<x0<b 第二视角 · 中值定理与证明题第 21 项 / 4—4
21 递增凸函数的切线与零点之间的位置 · 续
⑦另一入口:严格凸函数在切线上方
f(a)>f(b)+f′(b)(a−b) f(a)=0⟹f(b)<f′(b)(b−a) 再用 f(b)>0、f′(b)>0,就恢复同一个分式夹逼。
若尚未掌握切线不等式,前面的两次拉格朗日就是它在本题中的直接证明。
⑧为什么要严格凸,而不只要求凸
f(x)=x−a:f′(x)=1,f′′(x)=0 x0=b−1b−a=a 只有非严格凸时,交点可能落在左端,不能保证 a<x₀。
第二视角 · 中值定理与证明题第 22 项 / 1—4
22 两端泰勒相加相减与内部高阶导数点
a>0;二阶结论要求
f∈C2[−a,a],三阶结论要求
f∈C3[−a,a]。
∃ξ∈(−a,a):f′′(ξ)=a2f(a)+f(−a)−2f(0) ①读题:对称端点提示加减消项
f(a)+f(−a)−2f(0)→消一次项 f(a)−f(−a)−2af′(0)→消常数与二次项 二阶结论设 f∈C²[−a,a];三阶结论设 f∈C³[−a,a],a>0。
②二阶:以 0 为中心的两次泰勒
f(a)=f(0)+af′(0)+2a2f′′(ξ+),0<ξ+<a f(−a)=f(0)−af′(0)+2a2f′′(ξ−),−a<ξ−<0 相加,再减 2f(0)
a2f(a)+f(−a)−2f(0)=2f′′(ξ+)+f′′(ξ−) 第二视角 · 中值定理与证明题第 22 项 / 2—4
22 两端泰勒相加相减与内部高阶导数点 · 续
③两个余项点怎样变成一个点
min{f′′(ξ−),f′′(ξ+)}≤2f′′(ξ−)+f′′(ξ+)≤max{f′′(ξ−),f′′(ξ+)} f″连续,在 [ξ₋,ξ₊] 上用介值定理。两端都严格位于 (−a,a) 内。
∃ξ∈[ξ−,ξ+]⊂(−a,a):f′′(ξ)=2f′′(ξ−)+f′′(ξ+) f′′(ξ)=a2f(a)+f(−a)−2f(0) ④三阶:先把 ±a 的符号展开
f(a)=f(0)+af′(0)+2a2f′′(0)+6a3f(3)(η+) f(−a)=f(0)−af′(0)+2a2f′′(0)−6a3f(3)(η−) −a<η−<0<η+<a 第一式减第二式;两个三阶余项变成相加
f(a)−f(−a)−2af′(0)=6a3[f(3)(η+)+f(3)(η−)] 第二视角 · 中值定理与证明题第 22 项 / 3—4
22 两端泰勒相加相减与内部高阶导数点 · 续
⑤三阶也用连续介值合并
∃η∈[η−,η+]:f(3)(η)=2f(3)(η+)+f(3)(η−) f(3)(η)=a33[f(a)−f(−a)−2af′(0)] a=1, f(−1)=0, f(1)=1, f′(0)=0⟹f(3)(η)=3 ⑥若给内部极值点,为什么改在它处展开
另设 c∈(−a,a) 为极值点;费马给 f′(c)=0。
f(a)−f(c)=21(a−c)2f′′(η+) f(−a)−f(c)=21(a+c)2f′′(η−) c<η+<a,−a<η−<c 一次项由驻点条件直接消失。
第二视角 · 中值定理与证明题第 22 项 / 4—4
22 两端泰勒相加相减与内部高阶导数点 · 续
⑦需要一个内部点控制绝对值时,选较大的余项
在 η₊、η₋ 中选一个记为 η,使其二阶导数绝对值较大。
∣f(a)−f(−a)∣≤21[(a−c)2+(a+c)2]∣f′′(η)∣ 21[(a−c)2+(a+c)2]=a2+c2≤2a2 ∣f(a)−f(−a)∣≤2a2∣f′′(η)∣,η∈(−a,a) ⑧三种操作,不要混为一谈
相加或相减:消去不需要的低阶项 连续介值:把两个导数值的平均变成一个导数值 取较大绝对值:把两项估计统一由一个内点控制 这里使用的是精确余项;只写局部 Peano 展开,无法直接获得给定端点之间的精确中值等式。
第二视角 · 中值定理与证明题第 23 项 / 1—4
23 两个中值定理点的导数比:公共割线差消去
f∈C[a,b],在
(a,b) 可导且
f′=0,
a<b。
∃ξ,η∈(a,b):f′(η)f′(ξ)=b−aeb−eae−η ①读题:指数增量与区间长度分开圈
f′(η)f′(ξ)=b−aeb−eae−η b−a↔x,eb−ea↔ex,e−η=eη1 允许两个点,因此可以用两个定理分别产生它们。
②从相除结果倒推两个等式
f′(ξ)=b−af(b)−f(a) f′(η)=eb−eaf(b)−f(a)eη 共同的端点差会约去;第一式选拉格朗日,第二式选 f 与 eˣ 的柯西。先作为寻找路线的目标,后面分别证明。
第二视角 · 中值定理与证明题第 23 项 / 2—4
23 两个中值定理点的导数比:公共割线差消去 · 续
③第一次定理同时证明端点增量非零
f 在 [a,b] 连续、内部可导;拉格朗日给
∃ξ∈(a,b):f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a) f′(ξ)=0,b−a>0⟹f(b)−f(a)=0 f′(ξ)=b−af(b)−f(a) ④第二次:柯西先写交叉形式
f 与 eˣ 都满足闭区间连续、开区间可导。
∃η∈(a,b):[f(b)−f(a)]eη=(eb−ea)f′(η) eb−ea>0⟹f′(η)=eb−ea[f(b)−f(a)]eη 第二视角 · 中值定理与证明题第 23 项 / 3—4
23 两个中值定理点的导数比:公共割线差消去 · 续
⑤约分之前列齐非零依据
b−a>0,eb−ea>0,eη>0 f′(η)=0 由题设;f(b)−f(a)=0 已证明 这些条件保证相除与约去共同端点差合法;不需要知道 f′正还是负。
⑥完整相除:除以分数改成乘倒数
f′(η)f′(ξ)=b−af(b)−f(a)÷eb−ea[f(b)−f(a)]eη =b−af(b)−f(a)⋅[f(b)−f(a)]eηeb−ea =(b−a)eηeb−ea=b−aeb−eae−η 第二视角 · 中值定理与证明题第 23 项 / 4—4
23 两个中值定理点的导数比:公共割线差消去 · 续
⑦辅助函数入口:两个归一化因子
b−ax−a: a↦0,b↦1;eb−eaex−ea: a↦0,b↦1 F(x)=f(x)−f(a)−[f(b)−f(a)]b−ax−a G(x)=f(x)−f(a)−[f(b)−f(a)]eb−eaex−ea F(a)=F(b)=G(a)=G(b)=0 各自连续可导,分别用罗尔得 F′(ξ)=0、G′(η)=0,即前面两条等式;再按第⑥步相除。
⑧检查点的位置,不要加题目没要求的限制
ξ,η∈(a,b)可同可异,无须排序 f(x)=x:1=b−aeb−eae−η eη=b−aeb−ea 对 eˣ 用拉格朗日,恰好保证这个 η 存在。
第二视角 · 中值定理与证明题第 24 项 / 1—4
24 增量与微分比较:两侧中值点和乘数符号
f 在开区间二阶可导;首分支
f′>0,f′′>0;第二分支
f′ 严格递减且
f(1)=f′(1)=1。
h>0: 0<dy<Δy;h<0: dy<Δy<0 ①读题:增量与微分的差,先写原定义
Δy=f(x+h)−f(x),dy=f′(x)h f′>0,f′′>0,h=0 x、x+h 及连接它们的区间都要在定义域内。
②第一次拉格朗日:把增量也写成导数乘 h
Δy=f′(ξ)h,ξ 严格位于 x 与 x+h 之间 Δy−dy=[f′(ξ)−f′(x)]h 现在未知量只有两个一阶导数的差;题给二阶导数正,继续对 f′使用定理。
第二视角 · 中值定理与证明题第 24 项 / 2—4
24 增量与微分比较:两侧中值点和乘数符号 · 续
③第二次拉格朗日:同号的两个因子
f′(ξ)−f′(x)=f′′(η)(ξ−x) Δy−dy=f′′(η)(ξ−x)h h>0⇒ξ−x>0;h<0⇒ξ−x<0 f′′(η)>0,(ξ−x)h>0⟹Δy>dy ④正增量分支:补上与零的比较
h>0, f′(x)>0⟹dy=f′(x)h>0 Δy>dy⟹0<dy<Δy 函数值的增加量比切线预测的增加量大。
第二视角 · 中值定理与证明题第 24 项 / 3—4
24 增量与微分比较:两侧中值点和乘数符号 · 续
⑤负增量分支:负数乘法别漏掉
h<0, f′(ξ)>0⟹Δy=f′(ξ)h<0 Δy>dy⟹dy<Δy<0 这里两者都为负;大小顺序不能照搬正增量那一行。
⑥另一个分支:导数递减,函数在切线下方
另设 f′严格递减,且 f(1)=f′(1)=1。
f(x)−f(1)=f′(ξ)(x−1) f(x)−x=[f′(ξ)−1](x−1)=[f′(ξ)−f′(1)](x−1) 没有新辅助字母;直接减去切线 y=x。
第二视角 · 中值定理与证明题第 24 项 / 4—4
24 增量与微分比较:两侧中值点和乘数符号 · 续
⑦左右分支各查一次符号
x<1: x<ξ<1,f′(ξ)>1,x−1<0⟹f(x)−x<0 x>1: 1<ξ<x,f′(ξ)<1,x−1>0⟹f(x)−x<0 x=1⟹f(x)<x;f(1)=1 ⑧不能把 f′严格递减写成 f″处处严格负
f(x)=x−(x−1)4 f′(x)=1−4(x−1)3 严格递减 f′′(x)=−12(x−1)2,f′′(1)=0 第二分支只用一阶导数的严格次序,既不需要也不能擅加 f″<0。
第二视角 · 中值定理与证明题第 25 项 / 1—4
25 只有开区间可导:在内部闭区间应用中值定理
f 在
(a,b) 可导,
a<x1<x2<b。
∃ξ∈(x1,x2):f(x2)−f(x1)=f′(ξ)(x2−x1) ①读题:只有开区间可导,外端点不可直接使用
f 在 (a,b) 可导,a<x1<x2<b x₁、x₂ 是原开区间的内点;它们可以组成一个新的闭区间。
[x1,x2]⊂(a,b) ②拉格朗日的条件逐项对应
f 在 (a,b) 可导⟹f 在 (a,b) 连续 ⟹f 在 [x1,x2] 连续 f 在 (x1,x2) 可导 新闭区间的两个端点,已经由原区间内部的可导性保证连续。
第二视角 · 中值定理与证明题第 25 项 / 2—4
25 只有开区间可导:在内部闭区间应用中值定理 · 续
③直接应用,得到目标
∃ξ∈(x1,x2):x2−x1f(x2)−f(x1)=f′(ξ) f(x2)−f(x1)=f′(ξ)(x2−x1) 这里根本没使用 f(a)、f(b),它们甚至可以没有定义。
④如果要改成罗尔,辅助函数怎样来
f′(ξ)−x2−x1f(x2)−f(x1)=0 常数导数对应一次项;再让左端归零
F(x)=f(x)−f(x1)−x2−x1f(x2)−f(x1)(x−x1) 第二视角 · 中值定理与证明题第 25 项 / 3—4
25 只有开区间可导:在内部闭区间应用中值定理 · 续
⑤两个端点逐个代入
F(x1)=f(x1)−f(x1)−0=0 F(x2)=f(x2)−f(x1)−x2−x1f(x2)−f(x1)(x2−x1)=0 x₂−x₁>0,分母合法。
⑥罗尔路线的收尾
F 在 [x₁,x₂] 连续,在内部可导;两端为零。
∃ξ∈(x1,x2):F′(ξ)=0 f′(ξ)=x2−x1f(x2)−f(x1) 这也解释了拉格朗日定理为何可以由罗尔定理推出来。
第二视角 · 中值定理与证明题第 25 项 / 4—4
25 只有开区间可导:在内部闭区间应用中值定理 · 续
⑦把内部区间擅自放大到 [a,b] 会出错
f(x)=0 (0<x<1),f(0)=1, f(1)=2 f′(x)=0(0<x<1) f(1)−f(0)=1=f′(ξ)(1−0)=0 错误发生在外端点连续性缺失;不是中值定理本身失效。
⑧可直接执行的下一步
只给开区间可导⟶先任取两个内点 a<x1<x2<b⟶在 [x1,x2] 上用定理 要把结果延伸到外端点,必须再证明或使用相应极限与端点连续性。
第二视角 · 中值定理与证明题第 26 项 / 1—4
26 函数零点与导数零点相乘:制造两个不同的二阶组合零点
f 在
[0,1] 二阶可导,
f(1)>0,
limx→0+xf(x)=L<0 为有限数。
∃ 0<u<v<1:f(u)f′′(u)+[f′(u)]2=f(v)f′′(v)+[f′(v)]2=0 ①读题:二阶组合里有乘积导数
f(x)f′′(x)+[f′(x)]2=[f(x)f′(x)]′ [f(x)2]′=2f(x)f′(x) 可以直接把 ff′设为辅助函数;目标是它的导数有两个不同零点。
②极限条件先给端点零值与附近负号
x→0+limxf(x)=L<0 f(x)=xxf(x)→0⟹f(0)=0 ∃δ>0:0<x<δ⟹xf(x)<2L<0 f(x)<0(0<x<δ) 第一步还用了 f 在端点连续;题设闭区间二阶可导足以保证。
第二视角 · 中值定理与证明题第 26 项 / 2—4
26 函数零点与导数零点相乘:制造两个不同的二阶组合零点 · 续
③介值产生第二个函数零点
0<d<min(δ,1),f(d)<0<f(1) f 在 [d,1] 连续,介值定理给
∃c∈(d,1):f(c)=0 f(0)=f(c)=0 ④先对 f 用一次罗尔,制造一个导数零点
f 在 [0,c] 连续、内部可导。
∃ξ∈(0,c):f′(ξ)=0 函数零点f(0)=0,导数零点f′(ξ)=0,函数零点f(c)=0 三处零点来自不同原因;相乘就能统一起来。
第二视角 · 中值定理与证明题第 26 项 / 3—4
26 函数零点与导数零点相乘:制造两个不同的二阶组合零点 · 续
⑤辅助函数直接用乘积,少添一层字母
F(x)=f(x)f′(x) F(0)=0,F(ξ)=0,F(c)=0 F′(x)=[f′(x)]2+f(x)f′′(x) 闭区间二阶可导保证 F 在 [0,c] 连续、内部可导;这时才可以继续使用罗尔。
⑥分别在两段用罗尔,确保两个不同的根
∃u∈(0,ξ):F′(u)=0 ∃v∈(ξ,c):F′(v)=0 0<u<ξ<v<c<1 f(u)f′′(u)+[f′(u)]2=0 f(v)f′′(v)+[f′(v)]2=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 26 项 / 4—4
26 函数零点与导数零点相乘:制造两个不同的二阶组合零点 · 续
⑦平方函数入口与乘积入口等价
G(x)=f(x)2⟹G′(x)=2F(x) G′′(x)=2F′(x)=2{[f′(x)]2+f(x)f′′(x)} 若看见平方更容易联想,也可以走这条路;核心仍是让 G′在 0、ξ、c 三点为零。
⑧次数、点与真正用到的条件
先对 f:1 次罗尔;再对 ff′:2 次罗尔 所以本题总共三次罗尔。后两次分区间调用,才保证结果有两个不同根。
L<0→附近负值;f(1)>0→内部零点;f′′ 存在→F′ 存在 第二视角 · 中值定理与证明题第 27 项 / 1—4
27 积分平均值制造罗尔定理端点
f∈C[0,1]且在
(0,1)可导;
0<a<b≤1。
b−a1∫abf(x)dx=f(0),0<a<b≤1⟹∃ξ∈(0,1):f′(ξ)=0 ①读题:积分平均值等于一个已知函数值
b−a1∫abf(x)dx=f(0),0<a<b≤1 目标:f′(ξ)=0 倒推罗尔:先找与 0 等高的另一个点
f(t)=f(0),t>0 ②选积分中值,再选罗尔
f 连续→平均值介于最小值与最大值之间 介值→f(t)=平均值→f(t)=f(0) 本分支 t≥a>0,已经保证 t≠0;即使 t=a 或 t=b,也不妨碍下一次罗尔。
第二视角 · 中值定理与证明题第 27 项 / 2—4
27 积分平均值制造罗尔定理端点 · 续
③把积分中值的来由写出来
m=[a,b]minf,M=[a,b]maxf m≤f(x)≤M⟹m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a) m≤b−a1∫abf≤M 连续函数取到 m、M,并取到它们之间的值。
∃t∈[a,b]:f(t)=f(0) ④完整收尾:在新的区间使用罗尔
0<a≤t≤1⟹t>0 f 在 [0,t] 连续,在 (0,t) 可导,且 f(0)=f(t)。
∃ξ∈(0,t)⊂(0,1):f′(ξ)=0 a=32, b=1:b−a1∫abf=3∫321f 第二视角 · 中值定理与证明题第 27 项 / 3—4
27 积分平均值制造罗尔定理端点 · 续
⑤端点就在积分区间上时:换变上限构造
另一常见条件:f 在 [a,b] 连续、内部可导,平均值等于 f(b)。
b−a1∫abf=f(b)⟺∫ab[f(t)−f(b)]dt=0 F(x)=∫ax[f(t)−f(b)]dt F(a)=F(b)=0,F′(x)=f(x)−f(b) ⑥两次罗尔:先找内点,再找导数零点
F 连续可导,第一次在 [a,b] 用罗尔。
∃η∈(a,b):F′(η)=0⟹f(η)=f(b) 第二次对 f 在 [η,b] 用罗尔。
∃ξ∈(η,b):f′(ξ)=0 a<η<ξ<b 第二视角 · 中值定理与证明题第 27 项 / 4—4
27 积分平均值制造罗尔定理端点 · 续
⑦为什么不能直接断言 f(a)=f(b)
f(x)=x2−34x,[0,1] ∫01f=31−32=−31=f(1),f(0)=0=f(1) f(31)=f(1),f′(32)=0 题设只把平均值与右端联系起来;另一等高点要通过上面的构造得到。
⑧相同外形下,必须确认两个点确实不同
f(x)=x:∫01f(x)dx=21=f(21),f′≡1 平均值等于内部某点值,不自动保证导数有零点。
积分区间外的已知点→点的位置分离;积分端点→变上限积分造内点 第二视角 · 中值定理与证明题第 28 项 / 1—4
28 零端点最大高度:两侧割线与严格积分界
f∈C1[0,2],f(0)=f(2)=0,M=max∣f∣。
∃ξ∈(0,2):∣f′(ξ)∣≥M;∣f′∣≤M⟹M=0 ①读题:两端为零,高度必须由斜率撑起来
f(0)=f(2)=0,M=[0,2]max∣f∣ 先证存在 ξ: ∣f′(ξ)∣≥M 再证若处处 ∣f′∣≤M, 则 M=0 第二问不是直接把 ≥ 与 ≤ 合起来就结束;等号情况需要继续排除。
②零高度分支与非零高度分支
M=0⟹f≡0⟹f′≡0 第一结论显然成立。下面设 M>0;连续性保证最大绝对值取得。
∃c∈(0,2):∣f(c)∣=M 端点函数值为零,不可能达到正高度 M。
第二视角 · 中值定理与证明题第 28 项 / 2—4
28 零端点最大高度:两侧割线与严格积分界 · 续
③两侧拉格朗日分别产生两条斜率
∃ξ1∈(0,c):∣f′(ξ1)∣=c∣f(c)∣=cM ∃ξ2∈(c,2):∣f′(ξ2)∣=2−c∣f(2)−f(c)∣=2−cM f∈C¹[0,2],两段均满足拉格朗日条件。
④为什么至少一条斜率不小于 M
c+(2−c)=2⟹min(c,2−c)≤1 max(cM,2−cM)=min(c,2−c)M≥M ∃ξ∈(0,2):∣f′(ξ)∣≥M 第二视角 · 中值定理与证明题第 28 项 / 3—4
28 零端点最大高度:两侧割线与严格积分界 · 续
⑤附加上界使最大高度只能在中点取得
∣f′∣≤M⟹cM≤M,2−cM≤M 本分支 M>0,可以除以 M
c≥1,2−c≥1⟹c=1 f(1)=M 或 −M,因此 1 是 f 的局部极值点;费马给
⑥连续导数让中点附近的斜率严格偏小
f′ 连续,f′(1)=0,M>0 ∃δ∈(0,1):∣f′(x)∣≤2M(1−δ≤x≤1) 其余区间仍用全局界 M;把积分拆成两段,保留严格损失。
第二视角 · 中值定理与证明题第 28 项 / 4—4
28 零端点最大高度:两侧割线与严格积分界 · 续
⑦积分估计产生严格矛盾
M=∣f(1)−f(0)∣=∫01f′(x)dx≤∫01∣f′(x)∣dx ≤M(1−δ)+2Mδ=M−2Mδ<M 矛盾⟹M=0,f≡0 ⑧为什么导数连续是这里的关键条件
这条第二问证明通过 f′(1)=0 推出邻域上统一的小界,并用微积分基本定理积分 f′。题设 C¹ 保证这些步骤。
f(x)=min(x,2−x):max∣f∣=1 折线两侧斜率绝对值都是 1,但在中点不可导;它说明为什么尖顶的直觉不能直接当作满足题设的反例。
第二视角 · 中值定理与证明题第 29 项 / 1—4
29 积分中点不等式与二阶导数:双向证明
f∈C2(R);不等式须对任意
a<b成立,
c=2a+b。
f′′≥0 在 R 上⟺∀a<b:f(2a+b)≤b−a1∫abf(x)dx ①读题:当且仅当,必须拆成两个方向
f′′≥0⟺f(2a+b)≤b−a1∫abf(x)dx (∀a<b) 正向用切线下界;反向把任意小区间缩到一个点,用二阶项读取曲率。
②正向:以中点作切线
c=2a+b,f′′≥0⟹f′ 不减 f(x)≥f(c)+f′(c)(x−c) 该式可由拉格朗日分别检查 x>c、x<c 时的乘数符号得到;在 c 处为等号。
第二视角 · 中值定理与证明题第 29 项 / 2—4
29 积分中点不等式与二阶导数:双向证明 · 续
③积分时,一次项为什么消失
∫ab(x−c)dx=[2(x−c)2]ab=0 ∫abf(x)dx≥(b−a)f(c)+f′(c)⋅0 f(c)≤b−a1∫abf(x)dx ④反向:为什么一定要“任意区间”
固定任意 c,取对称小区间 [c−h,c+h],h>0。
0≤2h1∫c−hc+hf(x)dx−f(c) x=c+t⟹0≤2h1∫−hh[f(c+t)−f(c)]dt 若不等式只在某个固定区间成立,不能任意缩小到 c。
第二视角 · 中值定理与证明题第 29 项 / 3—4
29 积分中点不等式与二阶导数:双向证明 · 续
⑤局部泰勒与逐项积分
f(c+t)=f(c)+f′(c)t+21f′′(c)t2+r(t),r(t)=o(t2) ∫−hhtdt=0,∫−hht2dt=32h3 2h1∫−hh[f(c+t)−f(c)]dt=6f′′(c)h2+2h1∫−hhr(t)dt ⑥余项积分为什么仍是 o(h²)
∀ε>0, ∃δ>0:∣t∣≤δ⟹∣r(t)∣≤εt2 0<h≤δ⟹2h1∫−hhr(t)dt≤2hε32h3=3εh2 2h1∫−hhr(t)dt=o(h2) 第二视角 · 中值定理与证明题第 29 项 / 4—4
29 积分中点不等式与二阶导数:双向证明 · 续
⑦除以正数再取极限,读出曲率符号
0≤6f′′(c)h2+o(h2) 0≤6f′′(c)+o(1)(h↓0) f′′(c)≥0 c 任意,因此 f″在整个实数轴非负;两个方向都已证明。
⑧严格情形与常见误用
f′′>0⟹f(x)>f(c)+f′(c)(x−c)(x=c) ⟹f(c)<b−a1∫abf(x)dx 这里反向推理用局部 Peano 展开是合法的,因为 h 确实趋于零;不要把它与固定端点的全区间误差界混淆。
第二视角 · 中值定理与证明题第 30 项 / 1—4
30 积分大于弦下基准:内点极值与负二阶导
f在
[0,1]二阶可导,
f(0)=0,f(1)=1,∫01f=1。
∃ξ∈(0,1):f′(ξ)=0,∃η∈(0,1):f′′(η)<−2 ①读题:积分面积等于 1,图像能否一直不超过 1?
f(0)=0,f(1)=1,∫01f(x)dx=1 目标一:f′(ξ)=0;目标二:f′′(η)<−2 第一问先找超过右端高度的内点;第二问根据 −2 反推一个二次比较函数。
②严格面积矛盾:左端附近一定有缺口
反设 f(x)≤1。由 f(0)=0 和连续性,存在 δ∈(0,1),使
0≤x≤δ⟹f(x)≤21 ∫01f≤2δ+(1−δ)=1−2δ<1 与题设矛盾,因此某内点 c 满足 f(c)>1。
第二视角 · 中值定理与证明题第 30 项 / 2—4
30 积分大于弦下基准:内点极值与负二阶导 · 续
③第一问完整证明:最大点在内部
f(c)>1=max{f(0),f(1)} 连续函数在 [0,1] 取最大值;最大点 ξ 不可能在两端。
ξ∈(0,1)费马f′(ξ)=0 ④第二问:为什么补的二次项是 2x−x²
想让 F′′=f′′+2,F=f−P⟹P′′=−2 P(x)=−x2+Bx+C P(0)=f(0)=0⟹C=0 P(1)=f(1)=1⟹−1+B=1⟹B=2 F(x)=f(x)−(2x−x2) 第二视角 · 中值定理与证明题第 30 项 / 3—4
30 积分大于弦下基准:内点极值与负二阶导 · 续
⑤端点归零,积分迫使内部出现正值
F(0)=F(1)=0 ∫01F=1−∫01(2x−x2)dx=1−(1−31)=31>0 ∃c∈(0,1):F(c)>0 若全部内点 F≤0,则积分≤0,矛盾。这里 c 重新表示 F 的正值点。
⑥两侧拉格朗日产生一正一负的导数
∃ξ1∈(0,c):F′(ξ1)=cF(c)>0 ∃ξ2∈(c,1):F′(ξ2)=−1−cF(c)<0 F 连续可导;两个分母均为正。
第二视角 · 中值定理与证明题第 30 项 / 4—4
30 积分大于弦下基准:内点极值与负二阶导 · 续
⑦再对 F′用拉格朗日,得到严格负二阶导数
F′在 [ξ₁,ξ₂] 连续、内部可导。
∃η∈(ξ1,ξ2):F′′(η)=ξ2−ξ1F′(ξ2)−F′(ξ1)<0 F′′(η)=f′′(η)+2<0⟹f′′(η)<−2 ⑧为什么不用“最大点二阶导数非正”就结束
内点最大值通常只给 F′′≤0 题目要严格小于 −2;先找两边一正一负的一阶导数,再作差商,就能保留严格负号。
目标常数→补二次项→端点归零→面积给正值→两侧斜率 第二视角 · 中值定理与证明题第 31 项 / 1—4
31 固定权重总量:单调函数的左右端区间界
f,g 在
[a,b] 连续,
a<b,
f 单调不减,
0≤g≤1;用
L=∫abg(x)dx 表示权重总量。
∫aa+Lf(x)dx≤∫abf(x)g(x)dx≤∫b−Lbf(x)dx ①读题:权重在 0 与 1 之间,总量固定
f 不减,0≤g≤1,L=∫abg(x)dx ∫aa+Lf≤∫abfg≤∫b−Lbf 保留原专题的 L 表示权重总量;先检验它确实能作为一段区间长度。
②先保证两段端点真的位于原区间
0≤g≤1⟹0≤L≤b−a a≤a+L≤b,a≤b−L≤b 若 L=0,连续非负的 g 恒为零;若 L=b−a,则 g恒为1,两端界都取等号。以下也可统一按积分式处理。
第二视角 · 中值定理与证明题第 31 项 / 2—4
31 固定权重总量:单调函数的左右端区间界 · 续
③选积分比较,不要强行用中值定理
f 只给连续、单调,不一定可导。把两边移成积分差,并减去分割点的固定高度。
c=a+L⟹∫cbg=L−∫acg=∫ac(1−g) 这条等量关系会消掉加减 f(c) 所产生的常数项。
④下界:先分段,再加减 f(c)
∫abfg−∫acf=∫cbfg−∫acf(1−g) =∫cb[f(x)−f(c)]g(x)dx +∫ac[f(c)−f(x)](1−g(x))dx +f(c)[∫cbg−∫ac(1−g)] 最后一行由第③步等于零。
第二视角 · 中值定理与证明题第 31 项 / 3—4
31 固定权重总量:单调函数的左右端区间界 · 续
⑤下界:每个被积项的符号都明确
x≥c: f(x)−f(c)≥0,g(x)≥0 x≤c: f(c)−f(x)≥0,1−g(x)≥0 ∫abfg−∫acf≥0 ∫aa+Lf≤∫abfg ⑥上界:改在右侧分割点对齐总量
d=b−L,∫db(1−g)=L−∫dbg=∫adg ∫dbf−∫abfg=∫dbf(1−g)−∫adfg =∫db[f(x)−f(d)](1−g(x))dx +∫ad[f(d)−f(x)]g(x)dx 补出的常数项为 f(d)[∫(1−g)−∫g],由第一行等于零。
第二视角 · 中值定理与证明题第 31 项 / 4—4
31 固定权重总量:单调函数的左右端区间界 · 续
⑦上界与最终夹逼
x≥d: f(x)−f(d)≥0;x≤d: f(d)−f(x)≥0 g≥0,1−g≥0⟹∫dbf−∫abfg≥0 ∫aa+Lf≤∫abfg≤∫b−Lbf ⑧为什么不要求 f≥0
证明只比较 f(x)−f(c)、f(x)−f(d),没有单独要求 f 的正负。
f(x)↦f(x)+C ∫ab(f+C)g=∫abfg+CL ∫aa+L(f+C)=∫aa+Lf+CL 三边都增加同一个 CL,说明这个界本来就不依赖绝对高度。
第二视角 · 中值定理与证明题第 32 项 / 1—4
32 累计积分次序:分部后权函数反转不等号
f,g连续,
F(x)=∫ax(f−g)≥0,F(b)=0;
w∈C1[a,b],w′≥0。
∫abw(x)f(x)dx≤∫abw(x)g(x)dx ①读题:比较的是累计积分,不是逐点大小
F(x)=∫ax[f(t)−g(t)]dt≥0,F(b)=0 w′(x)≥0,目标:∫abwf≤∫abwg 不能从累计差非负推出 f≥g;应把 f−g 写成 F′。
②移项后,辅助函数已由题干给出
∫abwf≤∫abwg⟺∫abw(f−g)≤0 F′(x)=f(x)−g(x) ∫abw(f−g)=∫abwF′ 题设 f、g 连续,微积分基本定理保证这一替换。
第二视角 · 中值定理与证明题第 32 项 / 2—4
32 累计积分次序:分部后权函数反转不等号 · 续
③为什么选分部积分
(wF)′=w′F+wF′ 把 wF′移出来,再在 [a,b] 积分
∫abwF′=[wF]ab−∫abw′F 这样把导数从 F 移到 w,正好接上题给 w′≥0 与 F≥0。
④边界项逐个检查
F(a)=∫aa(f−g)=0,F(b)=0 [wF]ab=w(b)F(b)−w(a)F(a)=0 第一项来自题给总量相同,第二项来自同上下限积分;两项不能遗漏。
第二视角 · 中值定理与证明题第 32 项 / 3—4
32 累计积分次序:分部后权函数反转不等号 · 续
⑤负号决定不等式反向
w′(x)F(x)≥0⟹∫abw′(x)F(x)dx≥0 ∫abw(f−g)=−∫abw′F≤0 ∫abw(x)f(x)dx≤∫abw(x)g(x)dx ⑥具体权重 w(x)=x
w′=1⟹∫abxf(x)dx−∫abxg(x)dx=−∫abF(x)dx F≥0⟹∫abxf≤∫abxg 这个权重下还能完整讨论等号。
第二视角 · 中值定理与证明题第 32 项 / 4—4
32 累计积分次序:分部后权函数反转不等号 · 续
⑦等号为什么会迫使 f=g
∫abxf=∫abxg⟹∫abF=0 F 连续非负;若某处 F>0,则邻域给严格正面积,矛盾。
F≡0⟹F′=f−g≡0 于 (a,b) f、g 连续,再把等式延伸到两个端点。
f≡g 于 [a,b] ⑧一般权重的等号不能照搬
w(x)≡1⟹w′=0 ∫abwf=∫abwg只说明两者总积分相同 这不强迫 f=g。第⑦步依赖 w′=1;若 w′有整段为零,那里仍可能存在非零累计差。
第二视角 · 中值定理与证明题第 33 项 / 1—4
33 三点共线:等斜率路线与减端点连线路线
1993 数三试卷Ⅳ·七:f 在
[0,1] 连续,在
(0,1) 二阶可导;
0<c<1,三点
(0,f(0)),(c,f(c)),(1,f(1)) 共线。
∃ξ∈(0,1):f′′(ξ)=0 ①读题:共线先翻成相同斜率
A(0,f(0)), C(c,f(c)), B(1,f(1)),0<c<1 cf(c)−f(0)=1−cf(1)−f(c) 目标 f″(ξ)=0;先把两条斜率变成两个一阶导数值。
②几何条件的另一种等价形式
(1−c)[f(c)−f(0)]=c[f(1)−f(c)] f(c)=(1−c)f(0)+cf(1)=f(0)+c[f(1)−f(0)] 这一式说明中间点就在端点连线上,也为第二条构造路线准备了零点。
第二视角 · 中值定理与证明题第 33 项 / 2—4
33 三点共线:等斜率路线与减端点连线路线 · 续
③先选两段拉格朗日
f 在 [0,c]、[c,1] 连续,内部可导。
∃ξ1∈(0,c):f′(ξ1)=cf(c)−f(0) ∃ξ2∈(c,1):f′(ξ2)=1−cf(1)−f(c) f′(ξ1)=f′(ξ2),ξ1<c<ξ2 ④再选罗尔,完成主线
f 二阶可导,故 f′在 [ξ₁,ξ₂] 连续、内部可导。
∃ξ∈(ξ1,ξ2):(f′)′(ξ)=0 f′′(ξ)=0,ξ∈(0,1) 第二视角 · 中值定理与证明题第 33 项 / 3—4
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⑤辅助函数路线:为什么减端点连线
连线值=f(0)+[f(1)−f(0)]x F(x)=f(x)−f(0)−[f(1)−f(0)]x F(0)=F(1)=0,F(c)=0 F′′(x)=f′′(x) 一次函数二阶导数为零;减它既造零点又不改变目标。
⑥完整替代证明:三次罗尔
[0,c]:∃ξ1∈(0,c),F′(ξ1)=0 [c,1]:∃ξ2∈(c,1),F′(ξ2)=0 F′在两点之间连续可导,第三次罗尔给
∃ξ∈(ξ1,ξ2):F′′(ξ)=0⟹f′′(ξ)=0 第二视角 · 中值定理与证明题第 33 项 / 4—4
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⑦ξ 不是题目中的 c,也不必是中点
c=31,f(x)=x(x−31)(x−1) f(0)=f(31)=f(1)=0 f′′(x)=6x−38=0⟹ξ=94=31,21 ⑧两条路线的共同结构
共线→两段等斜率→f′(ξ1)=f′(ξ2)→f′′(ξ)=0 共线→减直线造三零点→F′(ξ1)=F′(ξ2)=0→F′′(ξ)=0 选哪条都要交代中间两个点分处两段,以及第二层函数的连续可导条件。
第二视角 · 中值定理与证明题第 34 项 / 1—4
34 积分平均函数的单调性:分子构造与直接积分比较
1989 数三试卷Ⅳ·六:f 在
[a,b] 连续,在
(a,b) 可导,
a<b 且
f′(x)≤0。对
x∈(a,b) 定义
F(x)=x−a1∫axf(t)dt。
F′(x)≤0(a<x<b) ①读题:带 x 的分母与变上限积分一起求导
F(x)=x−a1∫axf(t)dt,f′≤0 这是 [a,x] 上的平均值;目标是 F′≤0。F 是原题给的字母,后面只新增 G。
②求导逐项展开
(∫axf(t)dt)′=f(x),(x−a)′=1 F′(x)=(x−a)2f(x)(x−a)−∫axf(t)dt (x−a)2>0⟹只需证明分子非正 第二视角 · 中值定理与证明题第 34 项 / 2—4
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③辅助函数为什么选这个分子
G(x)=(x−a)f(x)−∫axf(t)dt G′(x)=f(x)+(x−a)f′(x)−f(x)=(x−a)f′(x)≤0 G(a)=0⋅f(a)−∫aaf=0 求导后两项 f(x) 抵消,剩下的正是题给导数符号。
④完整主线:对 G 使用拉格朗日
固定任意 x∈(a,b)。G 在 [a,x] 连续、内部可导。
∃ξ∈(a,x):G(x)−G(a)=G′(ξ)(x−a) G(x)=(ξ−a)f′(ξ)(x−a)≤0 F′(x)=(x−a)2G(x)≤0 第二视角 · 中值定理与证明题第 34 项 / 3—4
34 积分平均函数的单调性:分子构造与直接积分比较 · 续
⑤另一条路线:从导数符号得到函数比较
对任意 a≤t<x,用拉格朗日:
f(x)−f(t)=f′(ξ)(x−t)≤0,t<ξ<x f(t)≥f(x)(a≤t≤x) t=x 时是等号,因此比较覆盖整个积分区间。
⑥对 t 积分时,f(x) 是常数
∫axf(t)dt≥∫axf(x)dt=(x−a)f(x) (x−a)f(x)−∫axf(t)dt≤0 F′(x)=(x−a)2(x−a)f(x)−∫axf(t)dt≤0 第二视角 · 中值定理与证明题第 34 项 / 4—4
34 积分平均函数的单调性:分子构造与直接积分比较 · 续
⑦平均值表示可以比较,但不能把中值点当自变量
∃η∈[a,x]:F(x)=f(η)≥f(x) F′(x)=x−af(x)−F(x)≤0 这里 F′仍由原定义求得;不能从 F(x)=f(η) 写 F′(x)=f′(η)。η 会随 x 改变,定理也没保证它唯一或可导。
⑧用两个例子检查结论与边界
f(x)=C⟹F(x)=C,F′(x)=0 f(x)=C−x⟹F(x)=C−2x+a,F′(x)=−21=f′(η)=−1 所以只保证非正,不能擅自改成严格负。G(a) 有定义;原 F(a) 没有定义,不应直接在 [a,x] 上对原 F 套中值定理。