多元微分中值定理及其应用.doc

第一章 绪论1.1 研究意义微分中值定理是一系列定理的总称.这一系列定理是研究函数、函数的微分、函数与其微分之间关系,不等式等数学问题的基础理论和有力工具；是微分学理论的重要组成部分,在导数应用中起着桥梁作用,也是研究函数变化形态的纽带,因而在经典分析学中占有很重要的地位.通过本论文主要讨论多元微分中值定理的存在形式及其在数学理论证明和实际问题的数学描述与求解中的应用.因而使多元实值函数、多元向量值函数的各微分中值定理的存在形式数学形式化、具体化是具有数学理论价值和数学应用价值的.1.2研究现状对微分中值定理的研究,是伴随着微积分建立就开始了.1637年,著名法国数学家费马在求最大值和最小值的方法中给出费马定理.教科书中通常将它称为费马定理.1691年,法国数学家罗尔在方程的解法一文中给出多项式形式的罗尔定理.797年,法国数学家拉格朗日在解析函数论一书中给出拉格朗日定理,并给出最初的证明.以罗尔定理,拉格朗日中值定理和柯西中值定理组成的一组中值定理是整个微分学的理论基础,它们建立了函数值与导数值之间的定量联系,中值定理的主要作用在于理论分析和证明.我们国内对中值定理也有一定的研究,如唐伟国,唐仁献在文1中通过以微分多项式表达式作为其应用,导出了拉格朗日中值定理与柯西中值定理的一种新的推广形式.党艳霞在文2中从多角度阐述微分中值定理及其三个定理之间的关系,并举例说明了微分中值定理的应用.邱召友在文3中通过讨论微分中值定理在 维欧氏空间中的推广,将一元函数的微分中值定理推广到了多元函数及向量值函数.1.3研究内容本论文主要是对微分中值定理的证明方法进行研究,同时给出多元微分中值定理的数学证明形式,在文章中我们给出了微分中值定理的一种统一的证法和微分中值定理的一种逆向分析证法.多元微分中值定理的数学证明形式中我们给出了多元实值函数的微分中值定理形式的推导与证明以及多元向量值函数的微分中值定理形式的推导和证明,讨论四个定理的推广形式,并给出其简单的证明.同时本文还讨论了微分中值定理的内在联系；讨论定理的推广形式；讨论加强条件之后的深层阐述.为了完成研究内容,实现研究目标,本论文共分五章阐述了整个研究工作,具体如下,第一章中将本论文的研究意义、研究现状以及研究内容进行整体的阐述.第二章中主要阐述了一元微分中值定理的研究,其中包括对Rolle定理、Lagrange中值定理、Cauchy中值定理的阐述,以及Taylor公式的定义. 同时将各定理之间的关系进一步进行研究.第三章主要是对多元微分中值定理的研究,其中包括多元实值函数微分中值定理和多元向量值微分中值定理.第四章主要是一些多元微分中值定理的应用实例.第五章主要是对本文研究内容的一个总结.第二章 一元微分中值定理2. 1 微分中值定理的基本内容微分中值定理是反映导数值与函数值之间联系的三个定理,它们分别是罗尔定理、拉格朗日定理和柯西中值定理.具体内容如下:定理2.1.14（罗尔定理）设函数在闭区间上连续,在开区间上可导,且,则至少存在一点,使得定理2.1.24（拉格朗日定理）设函数在闭区间上连续,在开区间上可导,则至少存在一点,使得定理2.1.34（柯西中值定理）设和都在闭区间上连续,在开区间上可导,且对于任意,.则至少存在一点,使得定理2.1.44（Taylor 微分中值定理）设在处有阶导数,则存在的一个邻域,对于该邻域中任意一点,成立 （1）其中余项满足 ( Peano余项 ) （2） (Lagrange 余项) （3）2. 2 三个定理之间的关系在拉格朗日中值定理中,如果,则变成罗尔定理;在柯西中值定理中,如果,则由得变为拉格朗日中值定理.因此,拉格朗日中值定理是罗尔定理的推广,柯西中值定理是拉格朗日定理的推广.反之,拉格朗日定理是柯西中值定理的特例,罗尔定理是拉格朗日中值定理的特例.2. 3 几何解释罗尔定理的几何解释是：在曲线上存在这样的点,过该点的切线平行于过曲线两端点的弦(或x轴) .拉格朗日定理的几何解释是：在曲线上存在这样的点,过该点的切线平行于过曲线两端点的弦.柯西中值定理的几何解释是：在曲线(其中为参数, ) 存在一点,使曲线过该点的切线平行于过曲线两端点 , 的弦.综上所述,这三个中值定理归纳起来,用几何解释为:在区间 a , b 上连续且除端点外每一点都存在不垂直于x 轴的切线的曲线,它们有个共同的特征即在曲线上至少存在一点,过该点的切线平行于曲线端点的连线.2. 4 一元微分中值定理的深层阐述2. 4. 1 罗尔定理（i） 罗尔定理的证明是借用最值定理及费马定理5从罗尔定理的证明中我们可得到:(1)符合罗尔定理条件的函数在开区间内必存在最大值或最小值.(2)在开区间内使的点不一定是极值点.例如函数在闭区间上满足罗尔定理的三个条件,由,显然,有成立,但不是的极值点.但加强条件,可得如下定理:定理2.4.1.16 若函数在闭区间上满足罗尔定理的三个条件,且在开区间内只有唯一的一个点,使成立,则点必是的极值点.完全按照罗尔定理的证法,即可证得使成立的唯一点就是在内的最值点,当然是极值点.（ii） 罗尔定理的逆命题不成立7设函数在闭区间上连续,在开区间内可导,若在点处,有,则存在,使得例函数,显然在上连续,在内可导,但是不存在,使得.但如果加强条件,下述定理成立:定理2.4.1.2 设函数在闭区间上连续,在开区间内可导,且导函数是严格单调函数,则在点处,有的充分必要条件是存在,使得 .证明首先, 由罗尔定理可以保证充分性成立.下面证必要性成立.设在点处,有,不妨设导函数是严格单调减少的函数(否则,讨论即可).因为,故当时,;当时, .因而函数在点处取的极大值.根据极大值的定义,可取点的邻域,使得在此邻域内有,当时, ,则取,就有. 若,则作辅助函数 ,于是,.根据介值定理,至少存在一,使得,即,则取,就有.若,作辅助函数,采用上述方法,同理可证,故原命题成立.2. 4. 2 拉格朗日中值定理拉格朗日定理结论中的点不是任意的请看下例:问题“若函数在(为任意实数)上可导,且(为常数) ,则”这一命题正确吗?证明设x 为任意正数,由题设知 在闭区间上连续,在开区间内可导,由拉格朗日定理知,至少存在一点 ,使得,又因为 ,故由于夹在与之间,当时, 也趋于于是上述证明是错误的,原因在于是随着的变化而变化,即,但当时,未必连续地趋于,可能以某种跳跃方式趋于,而这时就不能由趋于0推出了.例函数满足,且在内存在,但并不存在,当然 不会成立.定理2.4.2.1 8若函数在 (为任意实数)上可导,且 存在,若(为常数) ,则定理2.4.2.2 设函数在闭区间上连续,在开区间 内可导,且导函数是严格单调函数,则对任意,一定存在使得证明不妨设导函数是严格单调增加函数,取点的邻域 ,则取,就有 若,则作辅助函数于是根据介值定理, 存在, 使得 ,取,就得到 ,采用上述方法,同理可证,故原命题成立. 2. 4. 3 柯西中值定理讨论我们在教学中常见的Cauchy中值定理是“若函数在闭区间上连续,开区内可导,且 ,则至少存在一点使,在学习中我们特别强调条件,事实上Cauchy中值定理的条件是充分的而不是必要的,条件可放松一些,将Cauchy中值定理改为定理2.4.3.1 如函数在闭区间连续,开区内可导,且有不同时为0,则至少存在一点,使证明：考虑函数不难验证在闭区间上连续,开区内可导,且,由Rolle定理知,至少存在一点使即即这里一定有,因若,则与不同时为0矛盾,所以有证毕.定理2.4.3.2(一元实值函数Cauchy中值定理推广) 若在上连续, 在 内 阶可导,且均不为零,则使 (4)证明 当时,（4）式显然成立,它就是Cauchy中值定理,设当时,（4）式成立,即 (5)当时,若能证明（4）式也成立,则有归纳法可得定理3.4是正确的.为此,作辅助函数： （6）在（6）式中,令 ,得： （7）当时,由（6）式可得到而,由此可得,这样符合罗尔定理的条件,所以使,即由此解出 （8）对于上函数和使用归纳法假设（5）可得： （9）其中,由（7）和（9）可得 （10）由（10）可得当时,（4）式也成立,证毕.第三章 多元微分中值定理3.1 多元实值函数微分中值定理定义3.1 多元实值函数：设函数满足则称为多元实值函数.定理3.1.19 (多元实值函数的Taylor定理)：设函数在点的邻域,上具有阶连续偏导数,那么对于内每一点都成立其中 称为Lagrange余项.定理3.1.2（多元实值函数Rolle定理） 假设,在有界闭区域D上可微,且在上处处相等.则：,其中是的边界.证明 因为在有界闭区域D上可微, 故在D上连续,所以在D上有最大和最小值.又在上处处相等,即,因此最值至少有一个在上,设在处取得最值,则对于任意的,从而,证毕.定理3.1.3（多元实值函数Lagrange中值定理） 假设,在有界闭区域D上可微,则：,其中是的边界.证明 因为在有界闭区域D上可微,则可根据定理3.1.1,当时, （11）又 所以证毕.上述（11）式中,若,且连续,则可得到一元函数Lagrange中值定理.3.2 多元向量值函数微分中值定理定义3.2 10-11 多元向量值函数：设函数满足：,则称为多元向量值函数.满足内阶可微.就是满足内阶可微.有,定理3.2.1（多元向量值函数的Taylor定理） 设在内阶可微,则对有证明 因为在内阶可微所以在内阶可微,对有，从而得即 定理3.2.2 （多元向量值函数的Rolle定理） 设函数在上连续,在内可微,存在向量,对任意,使得,即与正交,则存在,使得,其中证明 设令因为对任意得到设在上有最大值且在内的一点达到,即则因为对有于是即证毕.定理3.2.3（多元向量值函数的Lagrange中值定理） 设,在上可导,则存在, 使得证明 因为在上可导,所以对由定理3.1.3可得: 使得证毕.第四章 多元微分中值定理的应用例1对函数应用中值定理证明：存在,使得证明 设,对函数应用微分中值定理（即时的公式）,可知存在,使得证毕例2 12-14 例证明在曲面上至少存在一点具有水平的切平面.证明: 设,则.由 元隐函数的唯一存在与连续可微性定理知: 可以唯一确定的二元函数,且函数的定义域为.在曲面方程中令,得到,为笛卡尔叶形线,该曲线中有一段封闭的曲线段,从而由定理3.2知在曲面上至少存在一点,该点有水平的切平面.例3 由隐函数确定的函数在上连续,证明：对于任意一点都有证明 设为上任意一点,取充分小的使得：记,且,则有：应用多元微分中值定理得到：其中,因为,故有：当时,有从而得到即证毕.参考文献1 唐伟国,唐仁献.罗尔中值定理的微分多项式表示及其应用J .湘潭师范学院学报(自然科学版),2007,06.2党艳霞.浅谈微分中值定理及其应用J.廊坊师范学院学报(自然科学版).2010,02.3邱少友.微分中值定理在维欧氏空间中的推广J.(自然科学版).1999,06.4陈纪修,於崇华,金路.数学分析.上册.北京高等教育出版社,2004.05.5 钱昌本.高等数学范例剖析M.西安:西安交通大学出版社, 2004.6 同济大学编.高等数学(上册) M .北京:高等教育出版社, 1981. 162.7 华东师范大学数学系编.数学分析M.北京:高等教育出版社,1987. 8 李德本,杨旭,倪宝汉.数学分析方法及例题M.长春:吉林教育出版社, 1989.9陈纪修,於崇华,金路.数学分析.下册.北京高等教育出版社,2004.05.10同济大学数学教研室编.高等数学(第四版)M.北京:高等教育出版社, 1996.11赵树原.微积分(修订版)M .北京:中国人民大学出版社, 1988.12华东师大数学系.数学分析M.北京:高等教育出版社,2001: 14815313同济大学数学系.高等数学M.北京: 高等教育出版社,2001: 14515014余桂东.进一步探讨中值定理的逆J.安庆师范学院学报(自然科学版),2002,8( 2) : 1213