РефератыМатематикаТеТеоремы Ролля Коши Лагранжа Правило Лопиталя

Теоремы Ролля Коши Лагранжа Правило Лопиталя

Реферат


на тему:


"Теоремы Ролля, Коши, Лагранжа. Правило Лопиталя"


1. Теорема Ролля


Знание производной некоторой функции позволяет судить о характерных особенностях в поведении этой функции. В основе всех таких исследований лежат некоторые простые теоремы, называемые теоремами о среднем в дифференциальном исчислении.


Начнем рассмотрение таких теорем с теоремы, связываемой с именем французского математика Ролля (1652–1719).


Теорема 1.1. Если функция непрерывна на отрезке , дифференцируема во всех его внутренних точках, а на концах отрезка , обращается в ноль, то существует, по крайней мере, одна точка , в которой
.


Доказательство. Так как функция непрерывна на отрезке , то, согласно свойству 11.1.1, она должна достигать хотя бы один раз на этом отрезке своего минимума и максимума (рис. 1.1).


Если , функция постоянна, то есть . Но в этом случае для любого .


В общем случае , и хотя бы одно из этих чисел не равно нулю. Предположим для определенности, что . Тогда существует точка , в которой .



Рис. 1.1


Так как рассматриваемое значение является максимальным, то для него справедливо, что для и .


Рассмотрим пределы


для


и


для .


Так как оба предела равны производной функции в одной и той же точке , то они равны между собой. Значит, из одновременности и следует, что , что и требовалось доказать.


Следует отметить, что данная теорема справедлива и в том случае, когда на концах отрезка функция не обращается в ноль, но принимает равные значения . Доказательство проводится аналогично.


Геометрический смысл данной теоремы следующий: если непрерывная кривая пересекает ось в двух точках , или принимает в них равные значения, то, по крайней мере, в одной точке между и касательная к кривой параллельна оси .


Необходимо отметить, что если не во всех точках у рассматриваемой функции существует производная, то теорема может не выполняться. Это касается, например, функции (рис. 1.2):



Рис. 1.2


Данная функция непрерывна на отрезке и обращается в ноль на его концах, но ни в одной точке внутри отрезка производная не равна нулю.


2. Теорема Лагранжа


Результаты теоремы Ролля используются при рассмотрении следующей теоремы о среднем, принадлежащей Лагранжу (1736–1813).


Теорема. Если функция непрерывна на отрезке и дифференцируема во всех его внутренних точках, то существует, по крайней мере, одна точка , в которой
.


Доказательство. Рассмотрим график функции (рис. 2.1).


Проведем хорду, соединяющую точки и , и запишем ее уравнение. Воспользовавшись уравнением прямой, проходящей через две точки на плоскости, получим:


,


откуда:



Рис. 2.1


и .


Составим теперь вспомогательную функцию, вычтя из уравнения кривой уравнение хорды:


.


Полученная функция непрерывна на отрезке и дифференцируема во всех его внутренних точках. Кроме того, вычисление в точках и показывает, что . Значит, функция на отрезке удовлетворяет требованиям теоремы Ролля. Но в этом случае существует такая точка , в которой .


Вычислим производную функции :


.


Согласно теореме Ролля в точке производная , то есть и


,


что и требовалось доказать.


Геометрический смысл теоремы Лагранжа следующий: внутри отрезка существует, по крайней мере, одна точка, в которой касательная параллельна хорде, стягивающей кривую на данном отрезке. В частности, при теорема переходит в теорему Ролля.


<
p>Теорему Лагранжа часто записывают в следующем виде:


,


то есть приращение функции равно приращению аргумента, умноженному на производную функции в некоторой внутренней точке. В связи с этим теорему Лагранжа называют также теоремой о конечных приращениях.


3. Теорема Коши


Рассмотрим, наконец, третью теорему о среднем, принадлежащей Коши (1789–1859), которая является обобщением теоремы Лагранжа.


Теорема. Если функции и непрерывны на отрезке и дифференцируемы во всех его внутренних точках, причем не обращается в ноль ни в одной из указанных точек, то существует, по крайней мере, одна точка , в которой
.


Доказательство. Так как во всех точках , то отсюда следует, что . В противном случае, как следует из теоремы Ролля, существовала хотя бы одна точка , в которой .


Составим вспомогательную функцию


.


Данная функция непрерывна на отрезке и дифференцируема во всех его внутренних точках. Кроме того, вычисление ее в точках и дает: . Значит, функция удовлетворяет требованиям теоремы Ролля, то есть существует хотя бы одна точка , в которой .


Вычислим производную :


.


Из условия следует, что


и ,


что и требовалось доказать.


В случае, когда , теорема Коши переходит в формулировку теоремы Лагранжа.


4. Правило Лопиталя


На основании теоремы Коши о среднем можно получить удобный метод вычисления некоторых пределов, называемый правилом Лопиталя (1661–1704).


Теорема. Пусть функции и непрерывны и дифференцируемы во всех точках полуинтервала и при совместно стремятся к нулю или бесконечности. Тогда, если отношение их производных имеет предел при , то этот же предел имеет отношение и самих функций, то есть
.


Проведем доказательство данной теоремы только для случая, когда . Так как пределы у обеих функций одинаковы, то доопределим их на отрезке , положив, что при выполняется равенство .


Возьмем точку . Так как функции и удовлетворяют теореме Коши (п. 2.14), применим ее на отрезке :


, где .


Так как , то


.


Перейдем в данном равенстве к пределу:


.


Но если , то и , находящееся между точками и , будет стремится к , значит


.


Отсюда, если , то и , то есть


,


что и требовалось доказать.


Если при , то снова получается неопределенность вида и правило Лопиталя можно применять снова, то есть



Доказательство правила Лопиталя для случая проводится сложнее, и мы его рассматривать не будем.


При раскрытии неопределенностей типа , , , , правило Лопиталя применять непосредственно нельзя. Вначале все эти неопределенности необходимо преобразовать к виду или .


Правило Лопиталя может быть использовано при сравнении роста функций, в случае когда . Наибольший практический интерес здесь представляют функции , , . Для этого найдем пределы их отношений:


1) , значит, растет быстрее, чем ;


2) , значит, растет быстрее, чем ;


3) , значит, растет быстрее, чем .


Отсюда следует, что быстрее всего растет , затем и, наконец, .


Литература


1. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М., «Высшая школа» изд. 5, 1977.


2. Зайцев И.А. Высшая математика. ДРОФА, 2005. – 400 с.


3. Краснов М. Вся высшая математика т. 1 изд. 2. Едиториал УРСС, 2003. – 328 с.


4. Краснов М.Л., Макаренко Г.И., Киселев А.И., Шикин Е.В. Вся высшая математика Интегральное исчисление. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных. Дифференциальная геометрия Том 2.: Учебник – 3-е изд. ЛКИ, 2007.


5. Мироненко Е.С. Высшая математика. М: Высшая школа, 2002. – 109 с.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Теоремы Ролля Коши Лагранжа Правило Лопиталя

Слов:1104
Символов:8056
Размер:15.73 Кб.