Лекция 1. 10.02.03.
Теоремы о дифференцируемых функциях
1. Теорема Ролля
Теорема Ролля. Если функция f (x) непрерывна на замкнутом промежутке [a; b], в каждой точке интервала ]a; b[ существует конечная производная f '(x) и, кроме того, f (a) = f (b), то тогда между точками a и b найдется хотя бы одна точка c (a < c < b) такая, что f '(с)=0.
Доказательство. Функция f (x) непрерывна на промежутке [a; b], следовательно, на этом промежутке она принимает наименьшее значение m и наибольшее значение M.
Если окажется, что m = M, то f (x) постоянна на промежутке [a; b] (рис.1), т.е. f (x) = const, следовательно, f '(x) = 0, " xÎ[a; b], в частности и в некоторой точке cÎ]a; b[.
Рис.1
Если m < M, то существует точки x1 и x2 такие, что f (x1) = m, f (x2) = M, причем, если бы оказалось, что точки x1 и x2 находятся на концах отрезка [a; b], то мы пришли бы к первому случаю, поэтому хотя бы одна из точек x1 или x2 лежит внутри промежутка [a; b]. Пусть для определенности a < x1 < b и f(x1) = m. Тогда при любом достаточно малом по модулю Dx будет f (x1+Dx) > f (x1), откуда следует, что при Dx > 0; при Dx < 0. Устремим теперь Dx к нулю. Так как функция f (x) дифференцируема в точке x, то это значит, что предел первой дроби должен быть равен пределу второй дроби, а это может быть только 0.
Итак, нашлась точка c = x1 такая, что f '(c) = 0 (рис. 1).
Для точки x2, в которой функция достигает наибольшего значения, доказательство аналогично.
Геометрический смысл теоремы Ролля
Если выполнены условия теоремы Ролля, то в некоторой точке x = c f '(c) = 0, а это означает, что касательная к графику функции y = f (x) в точке x = c параллельна оси 0x.
Рис. 2
Заметим, что если хотя бы в одной точке промежутка [a; b] функция не дифференцируема, то производная функции f (x) может в нуль и не обратиться (см. рис. 2). Например, функция y =1-½x½непрерывна на промежутке [-1; +1], дифференцируема на ]-1;+1[ за исключением точки x0 = 0, причем f(-1) = f(1) = 0, т.е. условие теоремы Ролля нарушено в единственной точке x0 = 0 (в ней функция не дифференцируется). Очевидно, что ни в одной точке графика функции на промежутке [-1; 1] касательная к графику не параллельна оси 0x.
2. Теорема Лагранжа
Теорема Лагранжа. Если функция y = f (x) непрерывна на замкнутом промежутке [a; b] и дифференцируема на интервале ]a; b[, то внутри промежутка [a; b] найдется хотя бы одна точка c (a < c < b) такая, что будет иметь место равенство
f (b)-f (a) = f '(c)(b - a)
– формула конечных приращений Лагранжа.
Доказательство. Введем в рассмотрение вспомогательную функцию Φ(x) = [f (x) - f (a)](b - a) - [f (b) - f (a)](x - a). Функция Φ(x) непрерывна на промежутке [a; b] как сложная функция непрерывных функций; кроме того, она дифференцируема на интервале ]a; b[, причем, Φ(a) = Φ(b) = 0. Следовательно, функция Φ(x) удовлетворяет условиям теоремы Ролля; значит, найдется точка c, лежащая внутри промежутка [a; b] такая, что Φ'(c) = 0.
Найдем Φ'(x). Ясно, что Φ'(x) = f '(x) × (b - a) - (f (b) - f (a)). Предположив здесь x = c, получим Φ'(c) = f '(c) × (b- a) - (f (b) - f (a)) = 0. Отсюда следует, что
f (b) - f (a) = f '(c) × (b - a).
Формулу конечных приращений Лагранжа можно записать несколько иначе, если положить b = x + Dx, a = x и обозначить c = x + q × Dx, где q – некоторое число, удовлетворяющее неравенству 0 < q < 1. А именно: формула Лагранжа будет иметь вид
f (x + Dx) - f (x) = f '(x + q × Dx) × Dx (0 < q < 1).
Геометрический смысл теоремы Лагранжа (рис. 3)
Рис. 3
Итак, пусть выполнены условия теоремы Лагранжа, тогда справедлива формула конечных приращений Лагранжа.
Пусть точки A и B, лежащие на графике функции, имеют координаты A (a; f(a)), B (b; f (b)), тогда очевидно, что величина дроби равна тангенсу угла наклона хорды AB к оси 0x, т.е. .
С другой стороны, f '(c) = tga. Значит, в точке x = c касательная к графику функции y = f (x) параллельна хорде, стягивающей дугу кривой AB. В этом и заключается геометрический смысл теоремы Лагранжа.
3. Теорема Коши
Теорема Коши. Если на промежутке [a; b] функции j (x) и y (x) непрерывны и дифференцируемы в каждой точке интервала
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.