高等数学中值定理

Question

如题所述

Answer 1

极值定理

极值定理也叫最大最小值定理，它的含义非常直观：如果函数f(x)在区间[a,b]上连续的函数，必然存在最大值和最小值，并且取到最大值和最小值至少一次。

这是一个非常有名的定理，定理的内容很直观，也不难理解。但是证明它不太容易，是由区间套定理与B-M定理等多个定理推导得到的，这段证明过程比较复杂，由于篇幅和水平的限制，本文当中只能跳过这部分，感兴趣的同学可以自行了解。

我们假设m和M分别是区间[a, b]上函数f(x)的最小值和最大值，那么根据极值定理，可以得到以下式子成立：

[公式]

这个式子光看可能会觉得有些复杂，但是我们把图画出来之后非常简单：

上图当中灰色阴影部分就是定积分的结果，蓝色的矩形面积是m(b-a)，大的矩形面积是M(b-a)。

通过几何面积的关系我们可以很容易证明结论。

数学证明也很简单，由于m和M分别是最小值和最大值，所以我们可以得到[公式]。我们把常数也看成是函数，进行积分，于是可以得到：

[公式]

两边积分的结果就是矩形面积，于是我们就得到了证明。

积分中值定理

极值定理非常简单，但是是很多定理的基础，比如我们的积分中值定理就和它密切相关。

我们对上面的式子做一个简单的变形，由于b-a是常数并且大于0，所以我们在[公式]这个不等式两边同时除以b-a，可以得到：

[公式]

我们把[公式]这个式子看成一个整体，它的值位于函数在区间的最大值和最小值之间。根据连续函数的介值定理，我们一定可以在[a, b]上找到一点[公式]，使得f(x)在[公式]这点的取值与这个数值相等，也就是说：

[公式]

上面这个式子就是积分中值定理了，这里有两点要注意，我们先来说简单的一点，就是我们用到了连续函数介值定理。所以限定了这必须是一个连续函数，否则的话，可能刚好函数在[公式]点处没有定义。这个也是定理成立的先决条件。

第二点是简单介绍一下连续函数的介值定理，它的含义是说对于一个在区间[a, b]上连续的函数，对于任一在其最大值和最小值之间的常数，我们必然可以在区间[a, b]上找到一点，使得该点的函数值等于这个常数。