前段时间复习完了高数第三章的内容,我参考《复习全书·基础篇》和老师讲课的内容对这一章的知识点进行了整理,形成了这篇笔记,方便在移动设备上进行访问和后续的补充修改。
设函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0处可导,如果函数 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0处取得极值,那么 f ( x 0 ) = 0 f(x_0) = 0 f(x0)=0.
如果 f ( x ) f(x) f(x)满足以下条件
则在 ( a , b ) (a, b) (a,b)内至少存在一点 ξ \xi ξ,使得 f ( ξ ) ≡ 0 f(\xi) \equiv 0 f(ξ)≡0.
图1 罗尔定理 \text{图1 罗尔定理} 图1 罗尔定理
如果 f ( x ) f(x) f(x)满足以下条件
则在 ( a , b ) (a, b) (a,b)内至少存在一点 ξ \xi ξ,使得
f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( ξ ) ( b − a ) (3.1) f(b) - f(a) = f'(\xi)(b - a) \tag{3.1} f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)(3.1)
图2 拉格朗日中值定理 \text{图2 拉格朗日中值定理} 图2 拉格朗日中值定理
已知函数在闭区间 [ a , b ] [a, b] [a,b]上连续,在开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)内可导,构造辅助函数
y = f ( a ) + f ( b ) − f ( a ) b − a ( x − a ) y = f(a) + \dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a) y=f(a)+b−af(b)−f(a)(x−a)
可得 g ( a ) = g ( b ) g(a) = g(b) g(a)=g(b),又因为 g ( x ) g(x) g(x)在 [ a , b ] [a, b] [a,b]上连续,在开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)内可导,所以根据罗尔定理可得必有一点 ξ ∈ ( a , b ) \xi \in (a, b) ξ∈(a,b),使得 g ′ ( ξ ) = 0 g'(\xi) = 0 g′(ξ)=0,由此可得
g ′ ( ξ ) = f ′ ( ξ ) − f ( b ) − f ( a ) ( b − a ) = 0 g'(\xi) = f'(\xi) - \dfrac{f(b)-f(a)}{(b-a)} = 0 g′(ξ)=f′(ξ)−(b−a)f(b)−f(a)=0
变形得
f ( b ) − f ( a ) = f ′ ( ξ ) ( b − a ) f(b) - f(a) = f'(\xi)(b - a) f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)
定理证毕。
如果 f ( x ) , F ( x ) f(x), F(x) f(x),F(x)满足以下条件
f ′ ( ξ ) F ′ ( x ) = f ( b ) − f ( a ) F ( b ) − F ( a ) (3.2) \frac{f'(\xi)}{F'(x)} = \frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)} \tag{3.2} F′(x)f′(ξ)=F(b)−F(a)f(b)−f(a)(3.2)
图3 柯西中值定理 \text{图3 柯西中值定理} 图3 柯西中值定理
要证明
f ′ ( ξ ) F ′ ( x ) = f ( b ) − f ( a ) F ( b ) − F ( a ) \frac{f'(\xi)}{F'(x)} = \frac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)} F′(x)f′(ξ)=F(b)−F(a)f(b)−f(a)
可转换为证明
[ f ( b ) − f ( a ) ] F ′ ( ξ ) − [ F ( b ) − F ( a ) ] f ′ ( ξ ) = 0 [f(b) - f(a)]F'(\xi) - [F(b) - F(a)]f'(\xi) = 0 [f(b)−f(a)]F′(ξ)−[F(b)−F(a)]f′(ξ)=0
构造函数
φ ( x ) = [ f ( b ) − f ( a ) ] [ F ( x ) − F ( a ) ] − [ F ( b ) − F ( a ) ] [ f ( x ) − f ( a ) ] \varphi(x) = [f(b) - f(a)][F(x) - F(a)] - [F(b) - F(a)][f(x) - f(a)] φ(x)=[f(b)−f(a)][F(x)−F(a)]−[F(b)−F(a)][f(x)−f(a)]
φ ( x ) \varphi(x) φ(x)在 [ a , b ] [a, b] [a,b]上连续,在开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)内可导,且 φ ( a ) = φ ( b ) = 0 \varphi(a) = \varphi(b) = 0 φ(a)=φ(b)=0,由罗尔定理可知,存在 ξ ∈ ( a , b ) \xi \in (a, b) ξ∈(a,b),使得 φ ′ ( ξ ) = 0 \varphi'(\xi) = 0 φ′(ξ)=0,由此可得
[ f ( b ) − f ( a ) ] F ′ ( ξ ) − [ F ( b ) − F ( a ) ] f ′ ( ξ ) = 0 [f(b) - f(a)]F'(\xi) - [F(b) - F(a)]f'(\xi) = 0 [f(b)−f(a)]F′(ξ)−[F(b)−F(a)]f′(ξ)=0
定理证毕。
如果 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0有至 n n n阶的导数,则有
f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! f ( n ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) n + o [ ( x − x 0 ) n ] , x ∈ U ( x 0 ) (3.3) f{ \left( {x} \right) }=\mathop{ \sum }\limits_{{n=0}}^{{ \infty }}\frac{{1}}{{n!}}\mathop{{f}}\nolimits^{{(n)}}{ \left( {\mathop{{x}}\nolimits_{{0}}} \right) }{\mathop{{ \left( {x-\mathop{{x}}\nolimits_{{0}}} \right) }}\nolimits^{{n}}} + o[(x - x_0)^n],x \in U{ \left( {\mathop{{x}}\nolimits_{{0}}} \right) } \tag{3.3} f(x)=n=0∑∞n!1f(n)(x0)(x−x0)n+o[(x−x0)n],x∈U(x0)(3.3)
常称 R 0 = o ( x − x 0 ) n R_0 = o(x - x_0)^n R0=o(x−x0)n为皮亚诺余项,若 x 0 = 0 x_0 = 0 x0=0,则得麦克劳林公式
f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! f ( n ) ( 0 ) x n + o ( x n ) , x ∈ U ( 0 ) (3.4) f{ \left( {x} \right) }=\mathop{ \sum }\limits_{{n=0}}^{{ \infty }}\frac{{1}}{{n!}}\mathop{{f}}\nolimits^{{(n)}}{ \left( {0} \right) }{\mathop{{x}}\nolimits^{{n}}} + o(x^n),x \in U{ \left( {0} \right) } \tag{3.4} f(x)=n=0∑∞n!1f(n)(0)xn+o(xn),x∈U(0)(3.4)
设 f ( x ) f(x) f(x)在点 x 0 x_0 x0有至 n + 1 n + 1 n+1阶的导数,则当 x ∈ ( a , b ) x \in (a, b) x∈(a,b)时有
f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ 1 n ! f ( n ) ( x 0 ) ( x − x 0 ) n + R n ( x ) (3.5) f{ \left( {x} \right) }=\mathop{ \sum }\limits_{{n=0}}^{{ \infty }}\frac{{1}}{{n!}}\mathop{{f}}\nolimits^{{(n)}}{ \left( {\mathop{{x}}\nolimits_{{0}}} \right) }{\mathop{{ \left( {x-\mathop{{x}}\nolimits_{{0}}} \right) }}\nolimits^{{n}}} + R_n(x) \tag{3.5} f(x)=n=0∑∞n!1f(n)(x0)(x−x0)n+Rn(x)(3.5)
其中 R n ( x ) = f ( n + 1 ) ( ξ ) ( n + 1 ) ! ( x − x 0 ) n + 1 R_n(x) = \dfrac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n + 1)!}(x - x_0)^{n + 1} Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(ξ)(x−x0)n+1,这里 ξ \xi ξ介于 x 0 x_0 x0与 x x x之间,称为拉格朗日余项。
e x = 1 + x + x 2 2 ! + ⋯ + x n n ! + e θ x ( n + 1 ) ! x n + 1 (3.6) e^x = 1 + x + {x^2\over{2!}} + \cdots + {x^n\over{n!}} + \frac{e^{\theta x}}{(n + 1)!} x^{n + 1} \tag{3.6} ex=1+x+2!x2+⋯+n!xn+(n+1)!eθxxn+1(3.6)
sin ( x ) = x − x 3 3 ! + ⋯ + ( − 1 ) n − 1 x 2 n − 1 ( 2 n ) ! + ( − 1 ) n c o s ( θ x ) ( 2 n + 1 ) ! x 2 n + 1 (3.7) \sin(x) = x - {x^3\over{3!}} + \cdots + (-1)^{n-1}{{x^{2n-1}}\over{(2n)!}} + (-1)^{n} \frac{cos(\theta x)}{(2n + 1)!}x^{2n + 1} \tag{3.7} sin(x)=x−3!x3+⋯+(−1)n−1(2n)!x2n−1+(−1)n(2n+1)!cos(θx)x2n+1(3.7)
cos ( x ) = 1 − x 2 2 ! + ⋯ + ( − 1 ) n x 2 n ( 2 n ) ! + + ( − 1 ) n c o s ( θ x ) ( 2 n + 2 ) ! x 2 n + 2 (3.8) \cos(x) = 1 - {x^2\over{2!}} + \cdots + (-1)^{n}{{x^{2n}}\over{(2n)!}} + + (-1)^{n} \frac{cos(\theta x)}{(2n + 2)!}x^{2n + 2} \tag{3.8} cos(x)=1−2!x2+⋯+(−1)n(2n)!x2n++(−1)n(2n+2)!cos(θx)x2n+2(3.8)
ln ( 1 + x ) = x − x 2 2 + ⋯ + ( − 1 ) n − 1 x n n + ( − 1 ) n x ( n + 1 ) ( n + 1 ) ( 1 + θ x ) n + 1 (3.9) \ln(1 + x) = x - {x^2\over{2}} + \cdots + (-1)^{n-1}{{x^{n}\over{n}}} + (-1)^{n} \frac{x^{(n + 1)}}{(n + 1)(1 + \theta x)^{n + 1}} \tag{3.9} ln(1+x)=x−2x2+⋯+(−1)n−1nxn+(−1)n(n+1)(1+θx)n+1x(n+1)(3.9)
( 1 + x ) α = 1 + α x + α ( α − 1 ) 2 ! x 2 + ⋯ + [ α ! / ( α − n ) ! ] n ! x n + [ α ! / ( α − n − 1 ) ! ] ( n + 1 ) ! ( 1 + θ x ) α − n − 1 x n + 1 (3.10) \begin{aligned} (1 + x) ^ \alpha = 1 + \alpha x + {\alpha (\alpha - 1)\over{2!} }x^2 + \cdots + {[\alpha!/(\alpha - n)!]\over{n!}}x^n + \\ \frac{[\alpha!/(\alpha - n - 1)!]}{(n + 1)!}(1 + \theta x) ^ {\alpha - n - 1}x^{n + 1} \tag{3.10} \end{aligned} (1+x)α=1+αx+2!α(α−1)x2+⋯+n![α!/(α−n)!]xn+(n+1)![α!/(α−n−1)!](1+θx)α−n−1xn+1(3.10)
sin ( x ) < x < tan ( x ) , x ∈ ( 0 , π 2 ) (3.11) \sin(x) < x < \tan(x), x\in (0, \frac{\pi}{2}) \tag{3.11} sin(x)<x<tan(x),x∈(0,2π)(3.11)
x 1 + x < ln ( 1 + x ) < x , x ∈ ( 0 , + ∞ ) (3.12) \frac{x}{1 + x} < \ln(1 + x) < x, x\in (0, +\infty) \tag{3.12} 1+xx<ln(1+x)<x,x∈(0,+∞)(3.12)
要证明不等式 f ( x ) ≥ g ( x ) f(x) \ge g(x) f(x)≥g(x),在 x ∈ [ a , b ] x \in [a, b] x∈[a,b]区间恒成立,可转换为
F ( x ) = f ( x ) − g ( x ) ≥ 0 (3.13) F(x) = f(x) - g(x) \ge 0 \tag{3.13} F(x)=f(x)−g(x)≥0(3.13)
即证明在 [ a , b ] [a, b] [a,b]区间内
F ′ ( x ) > 0 , F ( a ) ≤ 0 (3.14) F'(x) > 0, F(a) \le 0 \tag{3.14} F′(x)>0,F(a)≤0(3.14)
可总结为通过证明构造出的函数 F ( x ) F(x) F(x)在闭区间内单调
,且在端点值满足条件,从而证明不等式。
要证明不等式
x 1 + x < ln ( 1 + x ) < x , ( x > 0 ) \frac{x}{1 + x} < \ln(1 + x)
步骤如下:
令 f ( x ) = l n ( x ) f(x) = ln(x) f(x)=ln(x), f ( x ) f(x) f(x)满足在 [ 1 , 1 + x ] [1, 1+x] [1,1+x]上连续,在 ( 1 , 1 + x ) (1, 1+x) (1,1+x)内可导,则在 ( 1 , 1 + x ) (1, 1+x) (1,1+x)内至少存在一点 ξ \xi ξ,使得
ln ( 1 + x ) = ln ( 1 + x ) − ln ( 1 ) = ( 1 + x − 1 ) f ′ ( ξ ) = x ξ \ln(1 + x) = \ln(1 + x) - \ln(1) = (1 + x - 1)f'(\xi) = \frac{x}{\xi} ln(1+x)=ln(1+x)−ln(1)=(1+x−1)f′(ξ)=ξx
又因为 1 < ξ < ( 1 + x ) 1 < \xi < (1 + x) 1<ξ<(1+x),带入端点值则不等式得证。可总结为通过使用拉格朗日中值定理构造的函数
( b − a ) f ′ ( a ) ≤ ( b − a ) f ′ ( ξ ) = f ( b ) − f ( a ) ≤ ( b − a ) f ′ ( b ) {(b - a)}f'(a) \le {(b - a)}f'(\xi) = {f(b)- f(a)} \le {(b - a)}f'(b) (b−a)f′(a)≤(b−a)f′(ξ)=f(b)−f(a)≤(b−a)f′(b)
在端点值满足条件,从而证明不等式。
要证明不等式 f ( x ) ≥ g ( x ) f(x) \ge g(x) f(x)≥g(x),在 x ∈ [ a , b ] x \in [a, b] x∈[a,b]区间恒成立,可转换为
F ( x ) = f ( x ) − g ( x ) ≥ 0 F(x) = f(x) - g(x) \ge 0 F(x)=f(x)−g(x)≥0
即证明在 [ a , b ] [a, b] [a,b]区间内有一点 x 0 x_0 x0满足
F ′ ( x 0 ) = 0 , lim x → − x 0 f ( x ) ⋅ lim x → + x 0 f ( x ) < 0 F'(x_0) = 0, \lim\limits_{x \to -x_0}{f(x)} \cdot \lim\limits_{x \to +x_0}{f(x)} < 0 F′(x0)=0,x→−x0limf(x)⋅x→+x0limf(x)<0
即 x 0 x_0 x0点为 [ a , b ] [a, b] [a,b]区间内的极值点,并证明 x 0 x_0 x0点的值小于其他极小值点和端点值,即 x 0 x_0 x0点为最小值点。同时
f ( x 0 ) ≥ 0 f(x_0) \ge 0 f(x0)≥0
则不等式得证。可总结为通过证明最值点满足条件
,从而证明不等式。
定理 设 f ( x ) f(x) f(x)在 [ a , b ] [a, b] [a,b]上连续,在 ( a , b ) (a, b) (a,b)内可导。
定义 设函数 f ( x ) f(x) f(x) 在区间 I I I 上连续,如果对 I I I 上任意两点 x 1 , x 2 x_1, x_2 x1,x2,恒有
f ( x 1 + x 2 2 ) < f ( x 1 ) + f ( x 2 ) 2 f(\frac{x_1 + x_2}{2}) < \frac{f(x_1) + f(x_2)}{2} f(2x1+x2)<2f(x1)+f(x2)
则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 I I I 上的图形是凹的。如果恒有
f ( x 1 + x 2 2 ) > f ( x 1 ) + f ( x 2 ) 2 f(\frac{x_1 + x_2}{2}) > \frac{f(x_1) + f(x_2)}{2} f(2x1+x2)>2f(x1)+f(x2)
则称 f ( x ) f(x) f(x) 在 I I I 上的图形是凸的。
利用函数的单调性、极值、曲线的凹凸性、拐点及渐近线可以作出函数曲线。
d s = 1 + ( y ′ ) 2 d x (3.15) ds = \sqrt{1 + (y')^2}dx \tag{3.15} ds=1+(y′)2dx(3.15)
K = ∣ y ′ ′ ∣ ( 1 + ( y ′ ) 2 ) 3 / 2 (3.16) K = \frac{|y''|}{(1 + (y')^2)^{3/2}} \tag{3.16} K=(1+(y′)2)3/2∣y′′∣(3.16)
曲率半径
曲率圆
曲率中心
微分中值定理
导数应用