diff --git a/编写小组/讲义/微分中值定理(解析版).md b/编写小组/讲义/微分中值定理(解析版).md index 0c1625f..1bc8468 100644 --- a/编写小组/讲义/微分中值定理(解析版).md +++ b/编写小组/讲义/微分中值定理(解析版).md @@ -482,42 +482,35 @@ $$ 等号在 $\xi = \sqrt{2} - 1$ 时成立,即存在 $x > 0$ 使等号成立。证毕。 >[!example] 例4 -(1) 证明:存在 $\displaystyle\theta \in (0, 1)$ 使得 $\ln(1+x) - \ln\left(1+\frac{x}{2}\right) = \frac{x}{2+(1+\theta)x}, \, x > 0$; +(1) 证明:存在 $\displaystyle\theta \in (0, 1)$ 使得 $\ln(1+x) - \ln\left(1+\frac{x}{2}\right) = \dfrac{x}{2+(1+\theta)x}, \, x > 0$; (2) 证明不等式 $$\displaystyle\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1} < \text{e}\left(1+\frac{1}{2n}\right),$$ 其中 $n$ 为正整数。 **证明** -(1)对 $x > 0$ 定义函数 $\displaystyle f(t) = \ln(1+t), t \in \left[\frac{x}{2}, x\right]$, +(1)定义函数 $\displaystyle f(t) = \ln(1+t), t \in \left[\frac{x}{2}, x\right]$, 由拉格朗日中值定理知:存在 $\displaystyle \theta \in (0, 1)$ 使得 - $$ \begin{aligned} f(x) - f\left(\frac{x}{2}\right) &= \ln(1+x) - \ln\left(1+\frac{x}{2}\right) \\ -&= \frac{1}{1+\frac{x}{2}+\theta} \cdot \frac{x}{2} \\ -&= \frac{x}{2+(1+\theta)x}. +&= \dfrac{1}{1+\frac{x}{2}+\theta(x-\frac{x}{2})} \cdot \frac{x}{2} \\ +&= \dfrac{x}{2+(1+\theta)x}. \end{aligned} $$ (2)不等式两边取对数,可知仅证明 $\displaystyle(n+1)\ln\left(1+\frac{1}{n}\right) < 1 + \ln\left(1+\frac{1}{2n}\right)$ 即可。 - 令 $\displaystyle F(x) = x + x\ln\left(1+\frac{x}{2}\right) - (x+1)\ln(1+x), x \geq 0$,则由(1)知 - -$$ +$$\displaystyle \begin{aligned} F'(x) &= 1 + \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} + \ln\left(1+\frac{x}{2}\right) - 1 - \ln(1+x) \\ &= \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} - \left[\ln(1+x) - \ln\left(1+\frac{x}{2}\right)\right] \\ &= \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} - \frac{\frac{x}{2}}{1+(1+\theta)\frac{x}{2}} \\ -&= \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} - \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} = 0. +&> \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} - \frac{\frac{x}{2}}{1+\frac{x}{2}} = 0. \end{aligned} $$ - 因此 $F(x) > F(0) = 0, x > 0$。即 $\displaystyle(x+1)\ln(1+x) < x + x\ln\left(1+\frac{x}{2}\right), x > 0$。 - 令 $\displaystyle x = \frac{1}{n}$,则有 $\displaystyle (n+1)\ln\left(1+\frac{1}{n}\right) < 1 + \ln\left(1+\frac{1}{2n}\right)$。因此对任意正整数 $n$ 有不等式 - $$ \left(1+\frac{1}{n}\right)^{n+1} < \text{e}\left(1+\frac{1}{2n}\right) $$ - 成立。 ## 微分中值定理与积分中值定理结合 @@ -537,15 +530,15 @@ $$ >设$f(x)$在$[0,1]$上连续,在$(0,1)$内可导,且$$3\int_{\frac{2}{3}}^1f(x)\mathrm{d}x=f(0).$$证明存在$c\in(0,1)$,使得$f'(c)=0$. **证明:** -由积分中值定理,存在$\xi\in(\frac{2}{3},1)$,使得$\large{\int}_\frac{2}{3}^1f(x)\text{d}x=f(\xi)\cdot(1-\frac{2}{3})$,故$f(\xi)=f(0)$.由罗尔中值定理,存在$c\in(0,\xi)\subset(0,1)$,使得$f'(c)=0$.证毕. +由积分中值定理,存在$\xi\in(\dfrac{2}{3},1)$,使得$\displaystyle\int_\frac{2}{3}^1f(x)\text{d}x=f(\xi)\cdot(1-\frac{2}{3})$,故$f(\xi)=f(0)$.由罗尔中值定理,存在$c\in(0,\xi)\subset(0,1)$,使得$f'(c)=0$.证毕. >[!example] 例题2 >设函数$f(x)$在闭区间$[0,2]$上可导,且$\large{\int}_{0}^{1}f(x)\mathrm{d}x=0$.证明:至少存在一点$\xi\in(0,2)$,使得$f'(\xi)=\frac{2}{2-\xi}f(\xi)$ **证明:** -令$F(x)=(x-2)^2f(x)$,则$$F'(x)=2(x-2)f(x)+(x-2)^2f'(x)=(x-2)(2f(x)+(x-2)f'(x)).$$由于$\large{\int_0^1}f(x)\text{d}x=0$,由积分中值定理,存在$\eta\in(0,1)$,$f(\eta)=0$,从而$F(\eta)=0$.又$F(2)=0$,由罗尔定理得$$\exists\xi\in(\eta,2)\subset(0,2),F'(\xi)=0\Rightarrow f'(\xi)=\frac{2}{2-\xi}f(\xi).$$ +令$F(x)=(x-2)^2f(x)$,则$$F'(x)=2(x-2)f(x)+(x-2)^2f'(x)=(x-2)(2f(x)+(x-2)f'(x)).$$由于$\displaystyle{\int_0^1}f(x)\text{d}x=0$,由积分中值定理,存在$\eta\in(0,1)$,$f(\eta)=0$,从而$F(\eta)=0$.又$F(2)=0$,由罗尔定理得$$\exists\xi\in(\eta,2)\subset(0,2),F'(\xi)=0\Rightarrow f'(\xi)=\frac{2}{2-\xi}f(\xi).$$ >[!example] 例题3 ->已知函数$f(x)$在$[0,2]$上可导,且$f(0)=0$,$\large{\int}_{1}^{2}f(x)\mathrm{d}x=0$. 证明:至少存在$\xi\in(0,2)$,使得$f'(\xi)=2022f(\xi)$ +>已知函数$f(x)$在$[0,2]$上可导,且$f(0)=0$,$\displaystyle{\int}_{1}^{2}f(x)\mathrm{d}x=0$. 证明:至少存在$\xi\in(0,2)$,使得$f'(\xi)=2022f(\xi)$ **证明:** 由积分中值定理,存在$\eta\in(1,2),\int_1^2f(x)\text{d}x=f(\eta)=0$.