微分中值定理与导数应用.

微分中值定理与导数的应用引言微分中值定理是微积分中的重要定理之一，它为我们研究函数的性质和应用提供了有力的工具。

本教案将通过分析微分中值定理及其应用，探讨导数在实际问题中的应用，旨在帮助学生深入理解微分中值定理的原理和导数的实际应用，提高他们的问题解决能力和数学建模能力。

第一节：微分中值定理的基本原理及应用1.1 微分中值定理的定义微分中值定理是微积分中的重要定理，它是基于导数的连续性和介值定理而得出的。

微分中值定理包括拉格朗日中值定理、柯西中值定理和罗尔中值定理等。

这些定理揭示了函数在一定条件下的性质，为我们研究函数的变化提供了便利。

1.2 拉格朗日中值定理的应用拉格朗日中值定理是微分中值定理中最基本的一种形式，它表明在某个开区间上，函数的导数在这个区间内取某个特定的值。

这个定理在实际问题中有广泛的应用，比如在物理学中用于描述物体的速度、加速度等问题。

1.3 柯西中值定理的应用柯西中值定理是微分中值定理中的另一种形式，它是拉格朗日中值定理的推广。

柯西中值定理表明在两个不同的点上，函数的导数取相同的值。

这个定理在实际问题中也有很多应用，比如在经济学中用于描述市场供求关系等问题。

1.4 罗尔中值定理的应用罗尔中值定理是微分中值定理中的一种特殊情况，它表明在某个闭区间上，函数的导数在两个端点处取相同的值。

这个定理在实际问题中也有很多应用，比如在工程学中用于描述物体的位移、速度等问题。

第二节：导数的应用2.1 导数与函数的变化率导数是函数在某一点上的变化率，它可以帮助我们研究函数的趋势和性质。

通过导数的计算和分析，我们可以得到函数的最值、拐点、极值等重要信息，进而应用到实际问题中。

2.2 导数与曲线的切线与法线导数还可以帮助我们研究曲线的切线和法线。

通过计算函数在某一点的导数，我们可以确定曲线在该点的切线方程和法线方程，进而研究曲线的几何性质。

2.3 导数与函数的最值问题导数在函数的最值问题中有重要的应用。

微分中值定理与导数的应用微分中值定理是微积分中的一个重要定理，它是导数与函数之间的关系的重要推论。

本文将介绍微分中值定理的概念以及其在实际问题中的应用。

一、微分中值定理的概念微分中值定理是数学分析中的一个重要定理，它是由罗尔定理和拉格朗日中值定理推导出的。

该定理表明，如果函数f(x)在闭区间[a, b]上连续，在开区间(a, b)内可导，并且在区间端点a和b的函数值相等（f(a) = f(b)），那么在(a, b)内至少存在一点c，使得f'(c) = 0。

这一定理的直观解释是：如果一个连续函数在两个点的函数值相等，并且在两点之间的某个地方斜率为零，那么在该点一定存在切线与横轴平行。

二、导数的应用导数是微积分中的重要概念，它描述了函数在某一点的变化率。

通过导数的概念和性质，我们可以在实际问题中进行一些有用的应用。

1. 最值问题导数可以用来求解函数的最值问题。

在闭区间上的连续函数中，如果在某一点的导数为零或不存在，那么这一点可能是函数的极值点。

通过求解导数为零的方程，可以找到函数的极值。

2. 凹凸性和拐点问题导数可以用来研究函数的凹凸性和拐点问题。

通过分析函数的二阶导数（导数的导数），可以确定函数的凹凸性以及拐点的位置。

3. 曲线的切线和法线问题导数可以用来求解曲线的切线和法线问题。

切线的斜率等于函数在该点的导数，而法线的斜率是切线斜率的负倒数。

三、微分中值定理的应用微分中值定理是导数与函数之间的重要关系推论，它在实际问题中有着广泛的应用。

1. 速度与加速度微分中值定理可以用来解决速度与加速度的问题。

对于一个运动的实体，在某一时间段内，他的速度可能为零，这意味着他的加速度为零。

这可以通过微分中值定理得到证明。

2. 经济学中的应用微分中值定理在经济学中也有广泛的应用。

例如，在某个时间段内，一个消费品的价格可能保持不变，这意味着该消费品的边际效用或边际收益为零。

这可以用微分中值定理来解释。

3. 物理学中的应用微分中值定理在物理学中也有重要的应用。

微分中值定理与导数的应用总结一、微分中值定理1.拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理是微分中值定理的最基本形式，它表述为：如果函数f(x)在区间[a,b]上连续，在开区间(a,b)内可导，则在(a,b)内至少存在一个数c，使得f(b)-f(a)=f'(c)(b-a)，其中c属于(a,b)。

拉格朗日中值定理的几何意义是：如果一条曲线在两个点a和b上的斜率相等，则在这两个点之间必然存在一点c，使得曲线在c点和a、b两点之间的切线斜率相等。

2.柯西中值定理柯西中值定理是微分中值定理的推广形式，它给出了两个函数的导数的关系。

设f(x)和g(x)在[a,b]上连续，在开区间(a,b)内可导且g'(x)≠0，则存在一个数c，使得[f(b)-f(a)]/[g(b)-g(a)]=[f'(c)]/[g'(c)]。

柯西中值定理的几何意义是：如果曲线f(x)和g(x)在两个点a和b上的切线斜率之比等于f'(c)和g'(c)的比，则在这两个点之间必然存在一点c，使得曲线f(x)和g(x)在c点的切线斜率之比等于f'(c)和g'(c)的比。

3.罗尔中值定理罗尔中值定理是微分中值定理的特殊形式，它给出了导数为零的充分条件。

设函数f(x)在[a,b]上连续，在开区间(a,b)内可导，且f(a)=f(b)，则在(a,b)内至少存在一个数c，使得f'(c)=0。

罗尔中值定理的几何意义是：如果一条曲线在两个端点上的函数值相等，则在这两个端点之间必然存在一个点c，使得曲线在c点的切线斜率为零。

微分中值定理的应用非常广泛，例如在证明极限存在或连续性、研究函数增减性和函数极值、解方程和不等式等问题中都有重要的作用。

在实际生活中，微分中值定理可以应用于求解速度、加速度、距离等问题，帮助我们更好地理解和解决实际问题。

二、导数的应用导数作为微积分的重要概念，具有很多实际应用。

第三章 微分中值定理与导数的应用在第二章中,我们介绍了微分学的两个基本概念—导数与微分及其计算方法. 本章以微分学基本定理—微分中值定理为基础,进一步介绍利用导数研究函数的性态,例如判断函数的单调性和凹凸性,求函数的极限、极值、最大(小)值以及函数作图的方法,最后还讨论了导数在经济学中的应用.第一节 微分中值定理中值定理揭示了函数在某区间的整体性质与该区间内部某一点的导数之间的关系,因而称为中值定理. 中值定理既是用微分学知识解决应用问题的理论基础,又是解决微分学自身发展的一种理论性模型, 因而称为微分中值定理.一、 费马引理：设函数()f x 在点0x 的某邻域0()U x 内有定义，并且在0x 处可导，如果对任意的0()x U x ∈，有0()()f x f x ≤（或0()()f x f x ≥），那么0()0f x '=。

证：不妨设0()x U x ∈时，0()()f x f x ≤，对于00()x x U x +∆∈，有00()()f x x f x +∆≤，故当0x ∆>时，00()()0f x x f x x+∆-≤∆； 当0x ∆<时，00()()0f x x f x x+∆-≥∆， 由保号性 00000()()()()lim 0x f x x f x f x f x x++∆→+∆-''==≤∆，()00000()()()lim 0x f x x f x f x f x x--→+∆-''==≥∆，故0()0f x '=。

罗尔定理（Rolle ）： 如果函数()f x 满足：（1）在闭区间[,]a b 上连续 （2）在开区间(,)a b 内可导，（3）()()f a f b =，则至少存在一点()a b ξξ<<，使得()f x 在该点的导数等于零：()f ξ'=0证明：由于()f x 在[,]a b 上连续，故在[,]a b 上()f x 有最大值M 和最小值m 。

第三章 微分中值定理与导数的应用§1 微 分 中 值 定 理一、 罗尔定理1. 费马定理:设f (x )在U (x 0)内有定义,且在x 0处可导,若∀x 0∈U (x 0),有f (x )≤f (x 0)[或f (x )≥f (x 0)], 则 f ′(x 0)=0.证明:不妨设x ∈U (x 0)时,有f (x )≤f (x 0).则对x 0+∆x ∈U (x 0),有f (x 0+∆x )≤f (x 0)即 当∆x >0时,xx f x x f ∆-∆+)()(00≤0; 当∆x <0时,xx f x x f ∆-∆+)()(00≥0;从而:f ′(x 0)= f ′+(x 0)=+→∆0limx xx f x x f ∆-∆+)()(00≤0;f ′(x 0)= f ′-(x 0)=+-→∆0limx xx f x x f ∆-∆+)()(00≥0;于是 f ′(x 0)= 0定义:称满足f ′(x )=0的点为驻点(或稳定点,或临界点). 2. 罗尔定理:如果函数y =f (x )满足：1) f (x )∈C [a ,b ] 2) f (x )∈D(a ,b ) 3) f (a )=f (b )那么在(a ,b )内至少存在一点ξ (a <ξ<b ),使得: f ′(ξ)=0.证明:因为f (x )∈C [a ,b ],所以f (x )在[a ,b ]内存在最大值M 和最小值m . 以下分两种情形讨论: 1) M =m .此时f (x )在[a ,b ]上必然取得相同的值f (x )=M .此时有f ′(x )=0,即 对∀ξ∈(a ,b ),有f ′(ξ)=0. 2) M >m .由于f (a )=f (b ),所以M 和m 中至少有一个不等于f (x )在[a ,b ]上的函数值.不妨设:M ≠f (a ).则在(a ,b )内必有ξ使得f (ξ)=M . 即∀x ∈[a ,b],有f (x )≤f (ξ). 有费马定理得: f ′(ξ)=0.例1. 验证罗尔定理对函数y =lnsin x 在区间[π/6,5π/6]上的正确性.证明:显然函数在区间[π/6,5π/6]上连续,在(π/6,5π/6)上可导,且有:y (π/6)=y (5π/6)=ln1/2.令y ′=cot x =0,则有:x =π/2,因此存在ξ=π/2∈(π/6,5π/6),使得y ′(ξ)=0.例2. 不求函数f (x )=(x -1)(x -2)(x -3)(x -4)的导数,说明方程f ′(x )=0的根的个数,并指出根所在的区间.解：由于f (1)=f (2)=0,且f (x )在[1,2]上连续,可导,且当x ∈(1,2)时f (x )≠0从而存在点ξ1∈[1,2]使得f ′(ξ1)=0;同理存在ξ2∈[2,3],ξ3∈[3,4]使得f ′(ξ2)= f ′(ξ3)=0.例3. 证明无论C 为何实数值,方程x 3-3x +C =0在[0,1]上至多有一个实数根.证明:(反证法)假设方程x 3-3x +C =0在[0,1]上有两个实数根ξ1,ξ2,且ξ1<ξ2.则f (x )= x 3-3x +C 在[0,1]上连续,可导且f (ξ1)=f (ξ2)=0,于是 f (x )在[ξ1,ξ2]上满足罗尔定理的条件, 从而存在ξ∈(ξ1,ξ2)⊂(0,1)使得f ′(ξ)=0.但f ′(x )=3(x -1)(x +1)=0只有两个根-1和1,且此两个根显然不在(ξ1,ξ2)⊂(0,1)内,矛盾.所以原命题正确. 二、 拉格朗日中值定理 拉格朗日定理: 如果函数y =f (x )1) f (x )∈C [a ,b ] 2) f (x )∈D(a ,b )那么在(a ,b )内至少存在一点ξ (a <ξ<b ),成立等式:f (b )-f (a )=f ′(ξ)(b -a )此公式称为拉格朗日中值公式.此公式称为拉格朗日中值公式. 定理的几何解释:ab a f b f --)()(为弦AB 的斜率.f ′(ξ)为曲线点C 处的斜率.几何意义:如果曲线y =f (x )在弧AB 上除端点外处处具有不垂直于x 轴的切线,那么在这弧上至少存在一点C ,使曲线在C 点处的切线平行于弦AB . 辅助函数的建立:有向线段NM 的值是x 的函数,记为φ(x ),则显然有φ(a )=φ(b )=0. 由于直线AB 的方程为:L (x )=f (a )+ab a f b f --)()((x -a )又点N 、M 的纵坐标分别为L (x )、f (x ),因此有向线段NM 的值的函数为:φ(x )=f (x )-L (x )=f (x )-f (a )-ab a f b f --)()((x -a )此函数满足罗尔定理的全部条件.证明:作辅助函数: φ(x )=f (x )-L (x )=f (x )-f (a )-ab a f b f --)()((x -a )则该函数在[a ,b ]内满足罗尔定理的条件,从而在(a ,b )内存在一点ξ,使得φ′(ξ)=0. 又φ′(x )=f ′(x ) -ab a f b f --)()(所以:f ′(ξ)=ab a f b f --)()(.注:拉格朗日公式对a >b 也成立. 拉格朗日公式的其它形式:当x ,x +Δx ∈[a ,b ]时,则在区间[x ,x +Δx ](x >0)或区间[x +Δx ,x ](Δx <0)上有:f (x +Δx )-f (x )=f ′(x +θΔx )·Δx (0<θ<1).或 Δy = f ′(x +θΔx )·Δx (0<θ<1).此公式表明当Δx 有限时，Δy 有精确值，定理也称为有限增量定理.定理: 如果函数f (x )在区间I 上的导数恒为零,那么f (x )在区间I 上时一个常数.证明:在区间I 上任取x 1,x 2 (x 1<x 2),则有:f (x 2)-f (x 1)=f ′(ξ)( x 2-x 1) (x 1<ξ<x 2)由假定:f ′(ξ)=0,所以: f (x 2)-f (x 1)=0.即: f (x 2)=f (x 1).例4. 证明等式:arcsin x +arccos x =π/2.证明:设f (x )= arcsin x +arccos x ,则f ′(x )=0,从而f (x )=C =f (0)=π/2.例5. 验证拉格朗日定理对函数y =4x 3-5x 2+x -2在区间[0,1]上的正确性.证明:函数在[0,1]上显然连续可导.令y ′=12x 2-10x +1=0,得:x =12135-∈(0,1).例6. 证明:当x >0时,xx +1<ln(1+x )<x .证明:设f (x )=ln(1+x ),则f (x )在[0,x ]上满足拉格朗日中值定理的条件,于是有: f (x )-f (0)=f ′(ξ)(x -0), (0<ξ<x ). 由于f (0)=0,f ′(x )=x+11, 所以上式为:ln(1+x )=ξ+1x又 0<ξ<x ,所以: xx +1<ξ+1x<x .即:xx +1<ln(1+x )<x .例7.设a >b >0,证明:ab a -< ba ln <bb a -.证明:设f (x )=ln x ,则f (x )在[b ,a ]上满足拉格朗日定理的条件,从而 ∃ξ∈(b ,a ) 使得:ba b a --ln ln =ξ1,由于a1<ξ1<b1,所以结论成立.三、 柯西中值定理：柯西中值定理:如果函数f (x )和F (x )满足 1) f (x ),F (x )∈[a ,b ]2) f (x ),F (x )∈(a ,b ),且F ′(x )≠0,∀x ∈(a ,b )则在(a ,b )内至少存在一点ξ,成立等式:)()()()(a F b F a f b f --=)()(ξξF f ''.分析:在参数方程:⎩⎨⎧==)()(x f Y x F X (a ≤x ≤b )表示的曲线上,弦AB 的斜率为:)()()()(a F b F a f b f --.曲线上点(X ,Y )处的切线的斜率为: dXdY =)()(x F x f ''.当x =ξ时,则点C 处的切线平行于弦AB . 证明:因为F (b )-F (a )=F ′(η)(b -a ) (a <η<b ), 由假设:F ′(η)≠0,所以F (b )-F (a )≠0. 所以AB 的方程为:Y -f (a )=)()()()(a F b F a f b f --[F (x )-F (a )].于是:N 点的纵坐标为:Y =f (a )+)()()()(a F b F a f b f --[F (x )-F (a )],M 的纵坐标为f (x ).于是:NM 的方程为:φ(x )=f (x )-f (a )-)()()()(a F b F a f b f --[F (x )-F (a )]此函数满足罗尔定理的条件,即:存在ξ∈(a ,b ),使得:f ′(ξ)-)()()()(a F b F a f b f --F ′(ξ)=0.即:)()()()(a F b F a f b f --=)()(ξξF f ''.当F (x )=x 时,即为拉格朗日中值定理.例8. 设函数y =f (x )在x =0的某邻域内具有n 阶导数,且f (0)=f ′(0)=…=f(n -1)(0)=0.证明:nxx f )(=!)()(n x fn θ(0<θ<1)证明:设F (x )=x n ,则f (x )和F (x )在[0,x ](或[x ,0])上满足柯西中值定理.即: ∃θ1∈(0,x ),使得nxx f )(=)0()(--nx f x f =111)(-'n n f θθ.在[0,θ1]上,函数f ′(θ1)和n θ1n -1满足柯西中值定理,即:∃θ2∈(0,θ1)使得111)(-'n n f θθ=)0()(111-'-'-n n f f θθ=212)1()(--''n n n f θθ同理:nxx f )(=nn n n fθθ!)()(.由于θn =θx ,(0<θ<1)所以:nxx f )(=!)()(n x fn θ(0<θ<1)§2 洛必达法则当x →a (或x →∞)时,f (x ),F (x )→0(或f (x ),F (x )→∞), 称极限)()(lim )(x F x f x ax ∞→→为未定式.记为:00或∞∞.一、未定式00或∞∞的求法.定理:设1) x →a 时,f (x )和F (x )→0;2) 在点a 的某个去心邻域内,f ′(x )和F ′(x )存在,且F ′(x )≠0;3) ax →lim)()(x F x f ''存在(或为∞).那么ax →lim)()(x F x f =ax →lim)()(x F x f ''.证明:定义f (a )=F (a )=0.则f (x )和F (x )在[x ,a ]或[a ,x ]上满足柯西中值定理的条件,于是)()(x F x f =)()()()(a F x F a f x f --=)()(ξξF f '' (ξ在a 与x 之间).令x →a ,则有ξ→a ,于是: ax →lim)()(x F x f =ax →lim)()(x F x f ''.当f ′(x )和F ′(x )满足定理的条件时,可以继续使用.即:ax →lim)()(x F x f =ax →lim)()(x F x f ''=ax →lim)()(x F x f ''''.对x →∞时的未定式00及x →a 或x →∞时的未定式∞∞,有相应的结论.例1. 求下列极限:1)lim→x bxax sin sin (b ≠0)解：原式=0lim →x bxb ax a cos cos =ba 2)1lim→x123233+--+-x x x x x解：原式=1lim→x 1233322---x x x =1lim→x 266-x x =233)lim→x 3sin xx x - 解:原式=0lim →x 23cos 1xx -=0lim→x xx 6sin =0lim→x 6cos x =614)+∞→x limx (xarctan 2-π)解:原式=+∞→x limxx 1arctan 2-π=+∞→x lim22111xx -+-=+∞→x lim221xx+=1.5)+∞→x limnxx ln (n >0)解:原式=+∞→x lim 11-n nxx =+∞→x limnnx1=0.6)+∞→x limxnex λ(n 为正整数,λ>0)解:原式=+∞→x limxn enxλλ1-=…=+∞→x limxn en λλ!=0.7)2limπ→x2)2(sin ln x x -π解: 原式=2lim π→x )2(4cot x x --π=2lim π→x 8csc 2x-=-818)lim→x xx x cos sec )1ln(2-+解:原式=0lim→x x x x x xsin tan sec 122++=0lim→x )1)(1(secsin 222x x x x++=19)1lim→x 13)1()1()1)(1(-----n nx x x x解:原式=1lim→x xx--11•1lim→x x x--113•…•1lim→x x xn--11=1lim→x 121--x•1lim→x 13132---x •…•1lim→x 111----nn xn=!1n二、 未定式0·∞;∞- ∞; 00; 1∞; ∞0的求法. 例2. 求下列极限: 1)lim+→x x n ln x (n >0)解:原式=0lim +→x nxx 1ln =0lim+→x 111+-n xnx =0lim +→x -nxn=02)2limπ→x (sec x -t a n x );解: 原式=2lim π→x xx cos sin 1-=2lim π→x xx sin cos --=03)lim+→x x x ;解:原式=0lim +→x xx eln =xx x e1ln lim+→=211limxx x e-+→=14)lim→x x x x x sin tan 2-解:原式=0lim→x 3tan xxx -=0lim→x 2231secxx -=0lim→x xx x 222cos 3cos 1-=315)0lim →x 21arctan xx x ⎪⎭⎫ ⎝⎛ 解:设y =21arctan xx x ⎪⎭⎫ ⎝⎛则ln y =xxxarctan ln12=2ln arctan ln xxx -由于0lim →x 2ln arctan ln x x x -=0lim →x xx x x 21arctan 112-+=0lim→x xxxx 21arctan )1(12-+=0lim→x xx x x x x arctan )1(2arctan )1(222++-=0lim→x 211x+•0lim→x 322arctan )1(xxx x +-=0lim→x 222611)1(arctan 21xxx x x ++--=0lim→x 2262xx -=-31所以,原式=31-e .6)lim +→x )1(-xx x解:设y =)1(-xx x⇒ln y =(x x -1)ln x由于0lim +→x x ln x =0lim +→x xx 1ln =0lim+→x 2/1/1xx -=0所以当x →0时,e x ln x -1～x ln x ,从而lim+→x (x x -1)ln x =0lim +→x x ln x •ln x ==0lim+→x xx1ln2=0lim+→x 2/11ln 2xx x -∙=0lim +→x -2xx 1ln =0. 即: 0lim +→x )1(-xxx =1例3. 求常数a 和n ,使当x →0时,ax n 与ln(1-x 3)+x 3为等价无穷小.解:0lim→x naxx x )1ln(33-+=0lim→x 1322133---+n naxxx x =0lim →x -)1(136x naxn --6=n当n =6时, 0lim→x naxx x )1ln(33-+=-a61例4. 求下列极限:1) ∞→n lim nn解:xx=xxe ln 1 由于 +∞→x limxx ln =+∞→x limx1=0； 所以+∞→x limxx=+∞→x lim xxe ln 1=1从而 ∞→n limnn=11)∞→n lim nnnnc b a ⎪⎪⎭⎫⎝⎛++3(a ,b ,c 均为正数)解:n nnnc b a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++3=)3ln(111nn n c b a n e++因为:+∞→x lim )3ln(111xx xc b ax ++t x=1+→0lim t tc b a tt t 3ln )ln(-++=+→0limt tt t tttcb a cc b b a a ++++ln ln ln =3)ln(abc所以∞→n lim )3ln(111nnncban ++=3)ln(abc即:∞→n lim nnnnc b a ⎪⎪⎭⎫⎝⎛++3=3)ln(abc e =3abc例5. 求下列极限:1) 0lim→x xx x sin 1sin2解：此题不能用洛必塔法则，因为0lim→x xx x x cos 1cos1sin2-不存在原式=0lim →x )1sin (sin x x x x ∙=0lim→x x xsin •0lim →x x x 1sin =0 2) +∞→x lim xxx cos -解:此题也不能用洛必塔法则,因为:+∞→x lim 1sin 1x-不存在原式=+∞→x lim (1-xxcos )=1例6. 讨论函数f (x )=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤>+-0,0,])1([2111x e x ex x x 在x =0处的连续性. 解:当x >0时,ln f (x )=ln x xex 11])1([+=x1·[x1ln(1+x )-ln e ]=2)1ln(xxx -+所以0lim +→x ln f (x )=0lim+→x 2)1ln(xxx -+=0lim +→x xx2111-+=0lim+→x )1(21x +-=-1/2.从而: 0lim +→x f (x )=e -1/2.由0lim -→x f (x )=f (0)=e -1/2=0lim +→x f (x ),所以函数在x =0处连续.例7. 设f ′′(x 0)存在,证明20000)(2)()(limhx f h x f h x f h --++→=f ′′(x 0).解: 0lim→h 2000)(2)()(h x f h x f h x f --++=0lim→h hh x f h x f 2)()(00-'-+'= f ′′(x 0).§3 泰 勒 公 式一、 泰勒公式设函数f (x )在x 0处可导,则由微分公式有:f (x )=f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+o (x -x 0)这表明在x 0处f (x )可以用一个一次多项式来近似表示.但这种表示存在缺陷:函数的表示不够精确,且误差不易估计.为了解决此问题,用一个高次多项式来近似表示函数,且使其误差容易估计,这就是泰勒公式.设函数f (x )在含有x 0的开区间内具有直到(n +1)阶导数, 下面找出(x -x 0)的n 次多项式:p n (x )=a 0+a 1(x -x 0)+ a 2(x -x 0)2+...+ a n (x -x 0)n (1)使其近似表示f (x ),要求1) p n (x )与f (x )之差是比(x -x 0)n 高阶的无穷小; 2) 给出误差|f (x )-p n (x )|的具体表达式.假设p n (x )在x 0处的函数值及n 阶导数在x 0处的值满足:p n (x 0)＝f (x 0), p ′n (x 0)= f ′(x 0), p n ′′(x 0)=f ′′(x 0),… ,p n (n )(x 0)=f (n )(x 0). 下面确定多项式的系数a 0,a 1，a 2 …，a n 为此， 对(1)式求各阶导数,然后分别代入以上等式,得:a 0=f (x 0),a 1=f ′(x 0), 2!a 2=f ′′(x 0),…, n ! a n =f (n )(x 0),即得:a 0=f (x 0), a 1=f ′(x 0), a 2=！21f ′′(x 0),… a n =！n 1f (n )(x 0).从而p n (x )= f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+!2)(0x f '' (x -x 0)2+…+!)(0)(n x fn (x -x 0)n .泰勒中值定理:如果函数f (x )在含有x 0的某个开区间(a ,b )内具有直到(n +1)阶的导数,则∀x ∈(a ,b ),f (x )可以表示为关于(x -x 0)的一个n 次多项式与p n (x )一个余项R n (x )之和:f (x )=f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+!2)(0x f '' (x -x 0)2+…!)(0)(n x fn (x -x 0)n +R n (x ). (2)其中R n (x )=)!1()()1(++n fn ξ (x -x 0)n +1, (3)这里ξ是x 0与x 之间的某个值.证:记 R n (x )=f (x )-p n (x ).只需证明R n (x )=)!1()()1(++n fn ξ(x -x 0)n +1,(ξ在x 0与x 之间).由假设可知,R n (x )在(a ,b )内具有直到(n +1)阶导数,且R n (x 0)=R n ′(x 0)=R n ′′(x 0)=…=R n (n )(x 0)=0.则R n (x )和(x -x 0)n +1在[x 0,x ]或[x ,x 0]满足柯西中值定理,即有:10)()(+-n n x x x R =0)()()(100---+n n n x x x R x R =nnx n R ))(1()(011-+'ξξ (ξ1在x 0与x 之间),同样函数R n ′(x )与(n +1)(x -x 0)n 在[x 0,x ]或[x ,x 0]满足柯西中值定理,即:nnx n R ))(1()(011-+'ξξ=))(1()()(0101--+'-'x n x R R n nξξ=1022))(1()(--+''n nx n n R ξξ(ξ2在x 0与ξ1之间).余此经过n +1次后,得:10)()(+-n n x x x R =)!1()()1(++n R n nξ,(ξ在x 0与ξn 之间,从而在x 0与ξ之间) 由于R n (n +1)(x )=f (n +1)(x ) ;[因为p n (n +1)(x )=0]所以R n (x )=)!1()()1(++n fn ξ (x -x 0)n +1, 这里ξ是x 0与x 之间的某个值.(2)称为泰勒公式,余项(3)称为拉格朗日余项.对某个固定的n 值,如果∃M >0,使得|f (n +1)(x )|≤M ,则有余项估计式:|R n (x )|=|)!1()()1(++n fn ξ (x -x 0)n +1|≤)!1(+n M |x -x 0|n +1.且limx x →10)()(+-n n x x x R =0, 因此R n (x )=o [(x -x 0)(n )].特别当n =0时,有:f (x )=f (x 0)+f ′(ξ)(x -x 0) (ξ在x 与x 0之间)此为拉格朗日中值定理.当不需要余项的精确表达式时,则n 阶泰勒公式为:f (x )=f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+!2)(0x f '' (x -x 0)2+…!)(0)(n x fn (x -x 0)n +o [(x -x 0)(n )].此式称为Peano 公式R n (x )= o [(x -x 0)(n )] 称为Peano 余项公式 特别当x 0=0时,即为麦克劳林公式:f (x )=f (0)+f ′(0)x +!2)0(f '' x 2+…+!)0()(n fn x n+)!1()()1(++n x fn θx n +1. (0<θ<1).或 f (x )=f (0)+f ′(0)x +!2)0(f '' x 2+…+!)0()(n fn x n+o (x n ). 于是 f (x )≈f (0)+f ′(0)x +!2)0(f '' x 2+…+!)0()(n fn x n.且|R n (x )|≤)!1(+n M|x |n +1.二、 求函数的泰勒公式: 例1. 求函数f (x )=e x 的n 阶麦克劳林公式.解: 由于 f ′(x )=f ′′(x )=…=f (n )(x )=e x . 所以f (0)=f ′(0)=f ′′(0)=…=f (n )(0)=1.|R n (x )|=|)!1(+n exθxn +1|<|)!1(||+n ex |x |n +1.当x =1时,则有: e =1+1+！21+…+！n 1其中|R n (1)|=|)!1(+n eθ|<|)!1(3+n .例2. 求函数f (x )=sin x 的n 阶麦克劳林公式.解: 由于 f (n )(x )=sin(x +n π/2). 所以 f (0)=0, f ′(0)=1, f ′′(0)=0, f ′′′(0)=-1, f (4)(0)=0, 即有: f (2m )(0)=0, f (2m -1)(0)=(-1)m -1. m =0,1,2,…. 因此:其中R 2m (x )=)!12(]2)12(sin[+++m m x πθx 2m +1.(0<θ<1).当m =1时, sin x ≈y =x , |R 2|=|!3)23sin(πθ+x x 3|≤|x |3/6.当m =2时,sin x ≈y =x -！33x,|R 4|≤|x |5/5!.当m =2时, sin x ≈y =x -！33x +！55x|R 6|≤|x |7/7!例3.求函数f (x )=cos x 的麦克劳林公式.π解:其中R 2n +1(x )=)!22(])1(cos[+++n n x πθx 2n +2.例4.其中: R n (x )=11)1)(1()1(++++-n n nxx n θ (0<θ<1)其中: R n (x )=)!1())(1()1(+-+--n n n αααα (1+θx )α-n -1x n +1 (0<θ<1)例5.求函数f (x )=t a n x 的二阶麦克劳林公式. 解:f (0)=0,f ′(0)=sec 2x |x =0=1;f ′′(0)=2sec 2x tan x |x =0=0. f ′′′(x )=4sec 2x tan 2x +2sec 4x =2·xx42cos sin21+所以 tan x =x +!32)(cos )(sin 2142x x θθ+x 3=x +)(cos 3)(sin 2142x x θθ+x 3 (0<θ<1).例6. 用Talor 公式求极限1)+∞→x lim(3233x x +-4342x x -)解:3233xx +=331x x +=x [1+x 331∙+2)3(!2)131(31x-∙+2)3(x o ]=x +1-x 1+)1(x o 4342x x -=421x x -=x [1-x 241∙+2)2(!2)141(41x--∙+2)2(x o ]=x -21-x 83+)1(x o3233x x +-4342x x -= x +1-x1+)1(xo -[ x -21-x 83+)1(xo ]=23-x85+)1(xo+∞→x lim(3233x x +-4342x x -)=+∞→x lim [23-x85+)1(xo ]=232)lim→x xe x xx xsin )(cos 1211222-+-+解:21x +=1+221x +4!2)121(21x -+o (x 4);221211xx +-+=481x +o (x 4);cos x =1-！21x 2+！41x 4+o (x 4);2xe=1+x 2+4!21x+ o (x 4);cos x -2xe =-23x 2-42411x + o (x 4); 0lim→x xe x xx xsin )(cos 1211222-+-+=0lim→x )](241123[)(81442244x o x x x x o x +--+=0lim→x )](23)(814444x o x x o x +-+=-121§4 函数的单调性与曲线的凹凸性一、 函数单调性的判定法定理:(函数单调性的判定法) 设函数y =f (x )∈C [a ,b ], f (x )∈D (a ,b ).1) 如果:∀x ∈(a ,b ),f ′(x )>0, 则y =f (x )在[a ,b ]上单调增加; 2) 如果:∀x ∈(a ,b ),f ′(x )<0, 则y =f (x )在[a ,b ]上单调减少.yf ′(x )>0,图形上升图 f ′(x )<0图形下降证明1)由于f (x )∈C [a ,b ],f (x )∈D (a ,b ),在(a ,b )内任取两点x 1、x 2(x 1<x 2),由拉格朗日中值定理,得f (x 2)－f (x 1)=f ′(ξ)(x 2－x 1) (x 1<ξ<x 2)由于x 2－x 1>0,且f ′(x )>0,从而有f ′(ξ)>0,于是f (x 2)－f (x 1)=f ′(ξ)(x 2－x 1)>0, 即 f (x 2)>f (x 1).例1. 判定函数y =x －sin x 在[0,2π]上的单调性. 解: 因为在(0,2π)内y ′=1－cos x >0,所以函数y =sin x 在[0.2π]上单调增加. 例2. 讨论函数y =e x -x -1的单调性. 解: y ′=e x -1.y =e x -x -1的定义域为(-∞,+∞),因为在(-∞,0)内y ′<0,所以函数y =e x -x -1在(-∞,0)上单调减少; 因为在(0,+∞)内y ′>0,所以函数y =e x -x -1在[0,+∞]上单调增加.例3. 讨论函数y =32x 的单调性.解 这函数的定义域为(－∞,+∞).当x ≠0时,这函数的导数为y ′=332x,当x =0时,函数的导数不存在,∀x ∈(-∞,0), y ′<0, 函数y =32x 在(-∞,0)上单调减少,∀x ∈(0,+∞), y ′>0,函数y =32x 在[0,+∞]上单调增加.例4. 确定函数f (x )=2x 3-9x 2+12x -3的单调区间.解:函数的定义域为(-∞,+∞), 函数的导数为:f ′(x )=6x 2-18x +12=6(x -1)(x -2).令f ′(x )=0,即解6(x -1)(x -2)=0.得x 1=1、x 2=2,这两个根把(-∞,+∞)分成三个部分区间(-∞,1)、[1,2]及(2,+∞).∀x ∈(-∞,1)U (2,+∞), f ′(x )>0, 函数单调上升; ∀x ∈(1,2), f ′(x )<0, 函数单调下降.例5. 讨论函数y =x 3的单调性.解: 函数定义域为(－∞,+∞).且y ′=3x 2≥0,函数单调上升. 例6. 证明:当x >1时,2x >3－x1证: 令f (x )=2x －(3－x 1),则 f ′(x )=-x 121x=21x(x x －1).f (x )∈C [1,+∞],∀x ∈(1,+∞),f ′(x )>0, f (x )在 [1,+∞]上单调增加,从而 当x >1时, f (x )>f (1)=0. 即: 2x －(3－x1)>0,亦即2x >3－x 1(x >1).例7. 证明当0<x <π/2时,t a n x >x +x 3/3. 证: 设f (x )=x +x 3/3-t a n x .则f ′(x )=1+x 2-sec 2x =x 2-t a n 2x =(x -t a n x )(x +t a n x )<0. 所以 f (x )<f (0)=0. 即: t a n x >x +x 3/3. [这里用了:x <t a n x ].例8. 讨论方程ln x =ax (其中a >0)有几个实根? 解:设f (x )=ln x -ax ,则令f ′(x )=x 1-a =0得: x =1/a .当0<x <a 时, f ′(x )>0, 函数单调上升, 当a <x <+∞时, f ′(x )<0, 函数单调下降. 又+→0lim x f (x )=-∞, +∞→x lim f (x )=+∞→x lim x [xx ln -a ]=-∞.因此f (1/a )=-ln a -1为函数的最大值. 当 f (1/a )=-ln a -1>0,即0<a <1/e 时, 在(-∞,1/a )内存在唯一点ξ1,使f (ξ1)=0. 在(1/a ,+∞)内,存在唯一点ξ2,使f (ξ2)=0,此时函数f (x )有两个零点,从而方程有两个根. 当f (1/a )=-ln a -1=0,即a =1/e 时,此时x =1/a 为函数的唯一零点,从而方程只有唯一根. 当f (1/a )=-ln a -1<0时,即:1/e <a <+∞时 函数无零点,从而方程没有根.y=lnx-ax (a=1/e) y=lnx-ax(0<a<1/e)y=lnx-ax(a>1/e)例9. 设α>β>e ,证明αβ<βα. 证明:设f (x )=xx ln ,(x ≥e )则f ′(x )=2ln 1xx -<0.因此函数在(e ,+∞)上单调下降.从而当α>β时,f (α)<f (β),即:ααln <ββln ,于是βln α<αln β,从而有: αβ<βα.例10.比较e π和πe 的大小.解: 由于πe =e e ln π.于是只要比较e π和e e ln π的大小.从而只要比较π和e ln π的大小. 设 f (x )=x -e ln x (x >1)令f ′(x )=1-e x 1=0得:x =e .当1<x <e 时,f ′(x )<0,函数单调下降, 当e <x <+∞时,f ′(x )>0,函数单调上升.所以f (e )=0为函数的最小值.从而f (π)>f (e )=0.即:π-e ln π>0. 从而: e π>πe .二、 曲线的凹凸性与拐点定义:设f (x )在区间I 上连续,如果对I 上的任意两点x 1和x 2有:)2(21x x f +<2)()(21x f x f +称f (x )在I 上的图形是向上凹的(或凹弧); )2(21x x f +>2)()(21x f x f +称f (x )在I 上的图形是向上凸的(或凸弧);另一定义为:定义:设f (x )在区间I 上连续,如果对∀x 1,x 2∈I 及实数t (0<t <1)有:f [tx 1+(1-t )x 2]<tf (x 1)+(1-t )f (x 2),称f (x )在I 上的图形是向上凹的(或凹弧); f [tx 1+(1-t )x 2]>tf (x 1)+(1-t )f (x 2),称f (x )在I 上的图形是向上凸的(或凸弧); 凹凸性的判断定理:定理:设f (x )∈C [a ,b ],在(a ,b )内具有连续的一阶和二阶导数,则: 1) 若在(a ,b )内有f ′′(x )>0,则f (x )在[a ,b ]上的图形是向上凹的; 2) 若在(a ,b )内有f ′′(x )<0,则f (x )在[a ,b ]上的图形是向上凸的; 证明:1)∀x 1,x 2∈[a ,b ],记x 0=(x 1+x 2)/2.则由泰勒公式有:f (x )=f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+f ′′(ξ1)(x -x 0)2/2< f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)(ξ1在x 与x 0之间)从而: f (x 1)< f (x 0)+f ′(x 0)(x 1-x 0); f (x 2)< f (x 0)+f ′(x 0)(x 2-x 0); 所以: f (x 1)+f (x 2)<2 f (x 0)+f ′(x 0)(x 1+x 2-x 0)=2f (x 0). 同理可证明2).例11. 判断函数y =ln x 的凹凸性.解:由于y ′=1/x ,y ′′=-1/x 2<0 (x >0),所以函数在(0,+∞)内是向上凸的. 例12. 判断函数y =x 3的凹凸性 解:由于:y ′=3x 2,y ′′=6x ,当x ∈(-∞,0)时,y ′′<0,曲线在(-∞,0)内是向上凸的, 当x ∈(0,+∞)时,y ′′>0,曲线在(0,+∞)内是向上凹的. 拐点的定义:定义:曲线由凹变凸(或由凸变凹)的分界点称为曲线的拐点. 连续曲线上凹弧与凸弧的分界点为曲线的拐点. 例13. 判断函数y =3x 的凹凸性. 解:y ′=3231x;y ′′=-3292xx.当x ∈(-∞,0)时, ,y ′′<0,曲线在(-∞,0)内是向上凸的, 当x ∈(0,+∞)时,y ′′>0,曲线在(0,+∞)内是向上凹的.函数在x =0处的一阶和二阶导数不存在,但(0,0)为函数图形的拐点. 例14. 判断函数y =x 4的凹凸性.解:由于y ′′=12x 2>0 ,∀x ∈(-∞,+∞),所以函数在(-∞,+∞)内是向上凹的. 这里y ′′(0)=0,但(0,0)不是曲线的拐点. 拐点的求法:1) 求f ′′(x )=0的根;2) 求f ′′(x )不存在的点;3) 对上面求出的每一个点x 0,判断f ′′(x )在点(x 0,f (x 0))的左右两侧的符号,当两侧符号相反时,点(x 0,f (x 0))为拐点,当两侧的符号相同时,点(x 0,f (x 0))不是拐点. 例15. 求函数y =(x -1)3x 的凹凸区间和拐点. 解:函数的定义区间为:(-∞,+∞).y ′=32313134--xx, y ′′=35329294--+xx=359)12(2x x +当x例16. 证明曲线y =112+-x x 有三个拐点在同一直线上. 解: y ′=222)1(12+++-x x x ,y ′′=3223)1(2662++--x x x x =32)1()32)(32)(1(2+--+--x x x x可以判断点A (-1,-1)、B (2-3,)32(431--)、C (2+3,)32(431++)为拐点.k AB =)1(32)1()32(431-------=41=k AC .例17. 试确定k 的值,使曲线y =k (x 2-3)2的拐点处的法线通过原点. 解:由于 y ′=2k (x 2-3)2x =4kx 3-12kx , y ′′=12k (x -1)(x +1). 显然x 1=-1和x 2=1为拐点的横坐标. 当x 1=-1时,y 1=4k ,点(-1,4k )处有: y ′(-1)=8k , 所以法线方程为:y -4k =-k81(x +1).由法线通过原点有:32k 2=1,即: k =±82.当x 2=1时, y 1=4k ,点(1,4k )处有:y ′(1)=-8k , 所以法线方程为:y -4k =k81(x -1).由法线通过原点有:32k 2=1,即: k =±82.因此当k =±82时,曲线在拐点处的法线通过原点.例18. 设y =f (x )在x =x 0的某一邻域内具有三阶连续的导数,如果f ′(x 0)=0, f ′′(x 0)=0而f ′′′(x 0)≠0,问x =x 0是否为极值点?(x 0, f (x 0))是否为拐点?为什么?解:由f ′′′(x 0)≠0,不妨设f ′′′(x 0)>0.由于f ′′′(x )在U (x 0)内连续,从而存在区间I ⊂U (x 0),对∀x ∈I ,有f ′′′(x )>0.于是由泰勒公式有: f (x )= f (x 0)+f ′(x 0)(x -x 0)+！21f ′′(x 0)(x -x 0)2+！31f ′′′(ξ)(x -x 0)3 ,ξ在x 与x 0之间.即: f (x )- f (x 0)=！31f ′′′(ξ)(x -x 0)3 ,由于f ′′′(ξ)>0,所以当x >x 0时,有f (x )>f (x 0); 当x <x 0时,有f (x )<f (x 0);从而x 0非极值点. 又f ′′(x )-f ′′(x 0)=f ′′′(ξ1)(x -x 0), ξ1在x 与x 0之间.即: f ′′(x )=f ′′′(ξ1)(x -x 0),所以当x <x 0时,有f ′′(x )<0, 当x >x 0时,有f ′′(x )>0. 所以点(x 0,f (x 0))为拐点.一般地:如果f (x )在U (x 0)内具有n 阶连续的导数,且f ′(x 0)= f ′′(x 0)=…= f (n -1)(x 0)=0,f (n )(x 0)≠0,当n 为奇数时,x =x 0为曲线拐点的横坐标; 当n 为偶数时,x =x 0为极值点,且当f (n )(x 0)>0时x =x 0为极小值点; 当f (n )(x 0)<0时x =x 0为极大值点. 例19. 证明不等式:1)21(x n +y n )>ny x)2(+ (x >0,y >0,x ≠y ,n >1).2) x ln x +y ln y >(x +y )ln2y x +(x >0,y >0,x ≠y ).证明:1)设f (x )=x n (x >0,n >1).则f ′′(x )=n (n -1)x n -2>0.从而f (x )在(0,+∞)内是向上凹的,于是对∀x ≠y ∈(0,+∞)有:21(x n +y n )>ny x)2(+2)设f (x )=x ln x ,则f ′(x )=1+ln x ,f ′′(x )=1/x >0.从而f (x )在(0,+∞)内是向上凹的,于是对∀x ≠y ∈(0,+∞)有:21(x ln x +y ln y )>21(x +y )ln2y x +,即: x ln x +y ln y >(x +y )ln 2y x+.§5 函数的极值与最大值最小值一、 极值及求法1. 定义: 设函数f (x )在区间(a ,b )内有定义, x 0是(a ,b )内的一个点,如果存在点x 0的一个去心邻域Ů(x 0,δ),对于∀x ∈Ů(x 0,δ),有f (x )<f (x 0), 称f (x 0)是函数f (x )的一个极大值;∀x ∈Ů(x 0,δ),有f (x )>f (x 0),称f (x 0)是函数f (x )的一个极小值. 2. 极值存在的必要条件:定理(必要条件)设f (x )在点x 0处可导,且在x 0处取得极值,则 f ′(x 0)=0. 证明:设函数f (x )在x 0处取得极大值f (x 0).由于f ′(x 0)=00)()(limx x x f x f x x ---→≥0; f ′(x 0)=00)()(limx x x f x f x x --+→≤0.所以f ′(x 0)=0.驻点: 方程f ′(x )=0的点 (或导数为零的点). 3. 驻点与极值点的关系:可导函数的极值点必为驻点,但驻点不一定是极值点. 例如y =x 3有驻点x =0,但不是极值点. 4. 极值存在的充分条件定理(第一种充分条件)设函数f (x )在x 0连续,在Ů(x 0,δ)可导,且f ′(x 0)=0. 1) 若∀x ∈(x 0-δ,x 0),f ′(x )>0, ∀x ∈(x 0,x 0+δ),f ′(x )<0, f (x )在x 0处取极大值; 2) 若∀x ∈(x 0-δ,x 0),f ′(x )<0, ∀x ∈(x 0,x 0+δ),f ′(x )>0, f (x )在x 0处取极小值; 3) 若∀x ∈ Ů(x 0,δ) f ′(x )不变号,则 f (x )在x 0处没有极值. 证明:1) 当∀x ∈(x 0-δ,x 0),f ′(x )>0 函数是单调上升的;当∀x ∈(x 0,x 0+δ),f ′(x )<0 函数是单调下降的; 所以f (x 0)为函数的极大值. 同理可证明2)和3). 5. 求极值的方法:如果函数f (x )在定义区间内可导,则求极值步骤为: 1) 求函数的导数f ′(x );2) 求出f ′(x )=0的全部实根(即函数的所有驻点);3) 对每个驻点讨论f ′(x )在其左、右两边的符号,确定是否为极值. 例1. 求函数f (x )=x 3-3x 2-9x +5的极值.解:f ′(x )=3x 2-6x -9=3(x +1)(x -3); 令f ′(x )=0得 驻点:x 1=-1 ;x 2=3.当x <-1时,f ′(x )>0,当-1<x <3时,f ′(x )<0,所以x 1=-1为函数的极大值点; 当x >3时,f ′(x )>0,从而x 2=3为函数的极小值点; 所以函数的极大值为:f (-1)=10;极小值为f (3)=-22. 当函数在驻点处的二阶导数存在且不为零时,有定理3(第二充分条件)设函数f (x )在点x 0处具有二阶导数且f ′(x )=0, f ′′(x )≠0, 那末1) f ′′(x 0)<0时,函数f (x )在x 0处取得极大值; 2) f ′′(x 0)>0时,函数f (x )在x 0处取得极小值.证明:1)由于f ′′(x 0)=0limx x →00)()(x x x f x f -'-'<0.由保号性定理,存在Ů(x 0,δ),对x ∈Ů(x 0,δ),有00)()(x x x f x f -'-'=0)(x x x f -'<0.即f ′(x )与x -x 0异号.所以在Ů(x 0,δ)内, 当x <x 0时,f ′(x )>0;当x >x 0时,f ′(x )<0,由第一充分条件得f (x 0)为函数的极大值.同理可证2).注:当f ′′(x 0)=0时,f (x )在x 0处可能有极值,也可能没有极值.例如y =x 3和y =x 4在x =0处有f ′(0)=f ′′(0)=0,但x =0不是y =x 3的极值点,而x =0是y =x 4的极小值点.例2. 求函数f (x )=(x 2-1)3+1的极值.解:由于：f ′(x )=6x (x 2-1)2=6x (x -1)2(x +1)2, 所以驻点： x 1=-1, x 2=0, x 3=1. 又 f ′′(x )=6(x 2-1)(5x 2-1)f ′′(0)=6>0,所以x =0为函数的极小值点,极小值为f (0)=0. 而f ′′(-1)=f ′′(1)=0.不能用第二充分条件判断.但当x <-1时,f ′(x )<0,当-1<x <0时,f ′(x )<0,所以x =-1不是极值点. 同理x =1也不是极值点.例3. 求函数f (x )=1-(x -2)2/3的极值.解:当x ≠2时,f ′(x )=-3232-x .当x <2时, f ′(x )>0, 当x >2时,f ′(x )<0,所以x =2为函数的极大值点,且极大值为f (2)=1.注:函数在x =2处不可导.函数的极值可能在导数不存在的点处取得. 但导数不存在的点处函数也可能没有极值,例如函数y =3x 在x =0处不可导,函数在x =0处没有极值.由此可得求函数极值的方法如下:1) 求出函数的所有驻点和导数不存在的点;2) 对上述每一个点讨论其左、右两边f ′(x )的符号,判断是否为极值点. 3) 求出极值. 例4.求函数f (x )=⎩⎨⎧≤+>0,202x x x x x ，的极值.解:当x >0时, f ′(x )=2x 2x (1+ln x ); 当x <0时, f ′(x )=1. f ′+(0)=+→0limx xxx22-=-∞;f ′-(0)=-→0limx xx 22-+=0所以函数在x =0处不可导.令f ′(x )=0得驻点:x =1/e .当0<x <1/e 时,f ′(x )<0,当1/e <x <+∞时,f ′(x )>0,所以f (1/e )=e -2/e 为函数的极小值.当x =0时,由于f (0-0)=2=f (0);f (0+0)=+→0lim x x 2x =+→0lim x e 2x ln x =1,所以函数在x =0处间断.由于f (0+0)=1,所以对ε=1/2,存在δ>0,当0<x <δ时,有|f (x )-1|<1/2,即有f (x )<f (0)=2.而当x <0时,f ′(x )=1>0,所以f (x )<f (0)=2,于是f (0)=2为函数的极大值. 例5. 求函数f (x )=x 2/3-(x 2-1)1/3极值.解:f (x )的定义域为(-∞,+∞).f ′(x )=xx x2)1(313232231∙----=3223134322)1()1(32---x x x x令f ′(x )=0得驻点x 1=-1/2,x 2=1/2.设函数f (x )∈C [a ,b ],则在[a ,b ]上f (x )有最大值和最小值,求法如下: 1) 求出函数在[a ,b ]上的驻点x 1,x 2,…,x n .2) 求出函数在[a ,b ]上的导数不存在的点y 1,y 2,…,y m .3) 求出函数值:f (x 1), f (x 2),…f (x n ), f (y 1), f (y 2),…, f (y n ), f (a ),f (b ). 4) m =min{ f (x 1), f (x 2),…f (x n ), f (y 1), f (y 2),…, f (y n ), f (a ),f (b )} M =m ax { f (x 1), f (x 2),…f (x n ), f (y 1), f (y 2),…, f (y n ), f (a ),f (b )} 特别情形:1) 当函数在一个区间(有限或无限,开或闭)内可导且只有一个驻点x 0,且此驻点x 0为函数的极值点,那么当f (x 0)为极小值时,则它为最小值;当f (x 0)为极大值时,它为最大值.2) 由实际问题可以断言函数的最值存在并在区间的内部取得,且只有唯一的一个驻点时,可以不必判断此驻点是否为极值,直接断定f (x 0)是最大值或最小值.例6. 求函数y =2x 3-6x 2-18x -7(1≤x ≤4)的最大值和最小值. 解:令 y ′=6x 2-12x -18=6(x +1)(x -3)=0 得驻点 x =3. 又 y (1)=-29; y (3)=-61,y (4)=81.例7. 如图，从南到北的铁路干线经过A ，B 两城，两城之间的距离为150公里，某工厂位于B 城正西20公里处，今要从A 城把货物运往工厂C ，已知。

第四章微分中值定理和导数的应用【字体：大中小】【打印】4.1 微分中值定理费马引理：设函数y=f(x)在点的一个邻域上有定义，并在可导，如果（或）则一、罗尔(Rolle)定理1.罗尔（Rolle）定理如果函数f(x)在闭区间[a，b]上连续，在开区间（a，b）内可导，且在区间端点的函数值相等，即f(a)=f(b)，那么在（a,b）内至少有一点，使得函数f(x)在该点的导数等于零，即。

2.几何解释:在曲线弧AB上至少有一点C，在该点处的切线是水平的。

例1.判断函数，在[-1，3]上是否满足罗尔定理条件，若满足，求出它的驻点。

【答疑编号11040101：针对该题提问】解满足在[-1，3]上连续，在（-1，3）上可导，且f(-1)=f(3)=0，∵，取例2.设f(x)=(x+1)(x-2)(x-3)(x-5)，判断有几个实根，并指出这些根所在的区间。

【答疑编号11040102：针对该题提问】二、拉格朗日(Lagrange)中值定理1.拉格朗日(Lagrange)中值定理如果函数f(x)在闭区间[a,b]上连续，在开区间（a，b）内可导，那么在（a,b）内至少有一点，使等式成立。

注意：与罗尔定理相比条件中去掉了f(a)=f(b)结论亦可写成。

2.几何解释:在曲线弧AB上至少有一点C，在该点处的切线平行于弦AB。

拉格朗日中值定理又称微分中值定理例3（教材162页习题4.1，3题（2）题）、判断f(x)=sinx在上是否满足拉格朗日中值定理。

【答疑编号11040103：针对该题提问】推论1 如果函数f(x)在区间I上的导数恒为零，那么f(x)在区间I上是一个常数。

例4（教材162页习题4.1，4题）、证明【答疑编号11040104：针对该题提问】证设又，即，推论2 假设在区间I上两个函数f(x)和g(x)的导数处处相等，则f(x)与g(x)至多相差一个常数。

4.2 洛必达法则一、型及型未定式解法：洛必达法则1、定义如果当x→a（或x→∞）时，两个函数f(x)与F(x)都趋于零或都趋于无穷大，那么极限称为或型未定式。

微分中值定理与导数的应用总结一、微分中值定理1.拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理是微分中值定理的最基本形式，它描述了导数在其中一区间上的平均变化等于该区间两端的导数之差。

拉格朗日中值定理的数学表达为：若函数f(x)在区间[a,b]上连续，在(a,b)内可导，那么存在一个c∈(a,b)，使得f(b)-f(a)=(b-a)f′(c)。

利用拉格朗日中值定理，可以证明函数在一些区间上的一些点必然具有特定的性质，例如存在极大值和极小值点等。

2.柯西中值定理柯西中值定理是微分中值定理中的进一步推广，在拉格朗日中值定理的基础上增加了另一个函数的条件。

柯西中值定理的数学表达为：若函数f(x)和g(x)在区间[a,b]上连续，在(a,b)内可导且g(x)不为零，那么存在一个c∈(a,b)，使得[f(b)-f(a)]g′(c)=[g(b)-g(a)]f′(c)。

利用柯西中值定理，可以对两个函数的导数之间的关系进行研究，从而得到有关函数的性质，如凸性、单调性等。

3.罗尔中值定理罗尔中值定理是微分中值定理中的特殊情况，它描述了一个连续函数在(a,b)内可导，并且在a处和b处的函数值相等，则在(a,b)内存在一个c∈(a,b)，使得f′(c)=0。

利用罗尔中值定理，可以证明函数在一些区间上的导数为零的点，进而得到函数的极值点、拐点等。

二、导数的应用导数是微积分中最重要的概念之一，它具有丰富的应用，以下列举几个常见的应用：1.极值问题函数的极值问题是导数应用中的经典问题之一，通过求函数的导数并找到导数为零的点，可以确定函数的极值点和极值值。

2.函数的单调性导数可以反映函数的增减情况，通过分析函数的导数的正负变化可以确定函数的单调性，即函数是递增还是递减的。

3.函数的凹凸性函数的凹凸性可以通过分析函数的二阶导数来确定，二阶导数大于零时为凹函数，二阶导数小于零时为凸函数。

4.函数的拐点函数的拐点是函数图像由凹变凸或由凸变凹的点，可以通过分析函数的二阶导数的变化情况来确定。

第四章 微分中值定理与导数的应用数学受到高度尊崇的另一个原因在于：恰恰是数学，给精密的自然科学提供了无可置疑的可靠保证，没有数学，它们无法达到这样的可靠程度。

——爱因斯坦本章首先介绍微分中值定理，然后，运用微分中值定理，我们介绍一种求极限的方法——洛必达法则。

最后，运用微分中值定理，通过导数来研究函数及其曲线的某些性态，并利用这些知识解决一些实际问题。

第一节 微分中值定理一、 罗尔定理定理4.1 (罗尔(Rolle )定理)如果函数()f x 满足： (1) 在[,]a b 上连续， (2) 在(,)a b 内可导， (3) ()()f a f b =，则至少存在一点(,)a b ξ∈，使得()0f ξ'=．证明 由闭区间上连续函数性质，)(x f 在] ,[b a 上必能取到最小值m 和最大值M 。

如果m = M ，那么C x f ≡)(，于是] ,[b a x ∈∀有，0)(='x f 。

否则，m M >，于是，)(a f M ≠或)(a f m ≠至少有一个成立。

根据罗尔中值定理的条件（3），在) ,(b a 内至少存在一个最值点ξ，不妨设M f =)(ξ，因为)(x f 在ξ可导，那么，由费马定理，0)(='ξf 。

罗尔中值定理的几何意义是：如果一条连续曲线)(x f y =，除曲线端点之外每一点都存在切线，并且曲线的两个端 点在同一水平线上，那么在该曲线上至少存在一点，使得过该点的切线为水平切线.如图4.1.1所示，由定理假设知，函数y =f (x )(a ≤x ≤b )的图形是一条连续曲线段 ACB ，且直线段AB 平行于x 轴。

定理的结论表明，在曲线上至少存在一点C ，在该点曲线具有水平切线．图4.1.1例4.1.1 验证罗尔定理对函数2()23f x x x =-+在区间[1,3]-上的正确性． 解 显然函数2()23f x x x =-+在[1,3]-上满足罗尔定理的三个条件，由 ()222(1)f x x x '=-=-,可知(1)0f '=,因此存在1(1,3)ξ=∈-,使(1)0f '=． 注 罗尔定理的三个条件缺少其中任何一个，定理的结论将不一定成立．但也不能认为这些条件是必要的．例如，f (x )=sin x （0≤x ≤3π2）在区间［0, 3π2］上连续，在(0, 3π2)内可导，但f (0)≠f (3π2)=-1,而此时仍存在3(0,)22ππξ=∈，使()f ξ'=cos π2=0(图4.1.2 )．图4.1.2若不满足罗尔定理中的三个条件，则罗尔定理的结论就不一定成立。