Теореми Ферма і Ролля, Коші і Лагранжа.



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Теореми Ферма і Ролля, Коші і Лагранжа.



У курсі математичного аналізу одне з центральних місць займають так звані теореми про середнє значення, до яких належать теореми Ролля, Лагранжа і Коші. В цих теоремах йдеться про те, що коли функція та її похідна першого порядку задовольняють певним умовам, то всередині інтервалу знайдеться точка, в якій функція має певні властивості (про ці властивості йдеться в теоремі). Тому й самі теореми називають теоремами про середнє.

1. Теорема Ролля

Теорема. Нехай функція задовольняє умовам:

1) визначена і неперервна на відрізку :

2) диференційована в інтервалі ;

3) на кінцях відрізка набуває однакових значень: .

Тоді всередині інтервалу знайдеться хоча б одна точка в якій .

Д о в е д е н н я.

Випадок 1. Функція на відрізку є сталою:

.

Тоді , тобто в кожній точці похідна дорівнює нулю, а тому за точку можна взяти будь-яку точку інтервалу і для цієї точки теорема буде справедлива.

Випадок 2. Функція не є тотожною сталою на відрізку . Оскільки за умовою теореми не є неперервною, то вона на відрізку набуває найбільшого і найменшого значень. Позначимо найбільше значення через , а найменше – через . Зрозуміло, що в розглянутому випадку .

Через те, що , то хоча б одне з чисел або досягається функцією всередині інтервалу . Нехай, наприклад, число досягається функцією всередині інтервалу , тобто існує хоча б одна точка, позначимо її , в якій

.

Покажемо, що .

Справді, оскільки є найменше значення функції на відрізку , то це число буде найменшим і серед значень функції, які вона набуває для всіх з деякого досить малого околу точки . Позначимо цей окіл через .

Тоді для всіх справджуватимуться нерівності

при ,

при .

Розглянемо відношення , для якого справедливі нерівності

при ,

при ,

причому .

Перейдемо в цих нерівностях до границі, коли . Тоді границя відношення, яке стоїть в лівій частині нерівностей, існує і дорівнює похідній , тому

, .

Звідси випливає, що . Теорему доведено

З’ясуємо геометричний зміст теореми Ролля (рис.6.9):

1) графік функції є суцільна лінія ( - неперервна на відрізку);

2) крива, що є графіком функції, є гладкою кривою (крива називається гладкою, якщо в кожній її точці можна провести дотичну);

3) крайні точки графіка знаходяться на однаковій висоті від .

2. Теорема Лагранжа

Теорема. Якщо функція : 1) задана і неперервна на відрізку ; 2) диференційована в інтервалі , то тоді всередині інтервалу знайдеться хоча б одна точка , в якій справджуються рівність

. (6.73)

Д о в е д е н н я. Розглянемо функцію

,

що задовольняє всім умовам теореми Ролля. Справді, на відрізку є неперервною (як різниця двох неперервних функцій), а всередині інтервалу має похідну

;

.

Отже, існує точка в якій або, що саме,

звідси

Теорему доведено.

Геометрична інтерпретація теореми Лагранжа. Нехай графік функції зображено на рис. 6.10. Відношення є кутовий коефіцієнт січної , а - кутовий коефіцієнт дотичної, проведеної до графіка функції в точці з абсцисою . Обидва кутові коефіцієнти однакові. Отже, дотична і січна паралельні. Тому висновок теореми Лагранжа можна сформулювати так: на дузі знайдеться хоча б одна точка, в якій дотична до кривої паралельна хорді .

Оскільки , то можемо записати:

.

Рис.6.19 Рис.6.10

Отже, рівність (6.73) можна записати в такому вигляді:

,

або

.

Зокрема, покладемо , одержимо рівність

.

Вираз, який стоїть у лівій частині останньої рівності, є не що інше, як приріст функції в точці . Отже, дістаємо формулу

. (6.74)

Формула (6.74) виражає точне значення приросту функції

в точці за будь-якого скінченого значення приросту аргументу і має назву формули скінчених приростів.

Наслідок 1. Якщо функція на проміжку має похідні і за будь-якого , то на даному проміжку є сталою.

Д о в е д е н н я. Візьмемо в проміжку дві довільні точки Тоді функція на відрізку задовольняє умовам теореми Лагранжа і справедливою є рівність

.

Проте при будь-якому , зокрема і при , дорівнює нулю. Тоді з попередньої нерівності випливає: , або .

Оскільки і - довільні точки проміжку і функція у цих точках набуває однакових значень, то є сталою.

Тепер ми можемо сформулювати такий критерій сталості диференційованої функції на заданому проміжку: для того, щоб диференційована на проміжку функція була сталою, необхідно і достатньо, щоб в кожній точці цього проміжку дорівнювала нулю.

Наслідок 2. Якщо функції і на проміжку мають похідні , і за будь-якого , то різниця між цими функціями є величина стала.

Д о в е д е н н я. Позначимо різницю через : .

Тоді функція на проміжку має похідну :

.

Проте , тому . Звідси випливає, що або, що те саме, .

3. Теорема Коші

Теорема. Нехай: 1) функції і задані і неперервні на відрізку ; 2) диференційовані в інтервалі ; 3) похідна всередині інтервалу не дорівнює нулю. Тоді всередині інтегралу знайдеться така точка , що має місце рівність

. (6.75)

 

Формула Тейлора.

1. Формула Тейлора для многочлена

Нехай задано многочлен

де - довільні дійсні числа, які називаються коефіцієнтами многочлена.

Виразимо коефіцієнти даного многочлена через значення многочлена та його похідні.

З цією метою будемо послідовно диференціювати многочлен. Матимемо

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Підставляючи в ці рівності , дістаємо

. . . . . . . . . .

Тоді многочлен набуде вигляду

(6.76)

Може трапитися, що многочлен буде записаний за степенями різниці , де - довільне дійсне число:

- дійсні числа. Тоді многочлен можна записати так:

(6.77)

Формулу (6.77) називають формулою Тейлора для многочлена.

2. Формула Тейлора для довільної функції

Візьмемо довільну функцію , яка в околі деякої точки і в самій точці має похідні до -го порядку включно.

Тоді для такої функції можна побудувати многочлен

(6.78)

Цей многочлен називається многочленом Тейлора для функції

Розглянемо таку різницю:

Оскільки залежить від то й залежить від

Тоді

або

(6.79)

Формула (6.79) називається формулою Тейлора для функції а функція - залишковим членом формули Тейлора.

Отже, формула Тейлора (6.79) відрізняється від формули Тейлора (6.77) для многочлена тим, що вона містить залишковий член Виразимо через похідну -го порядку від функції

Теорема. Якщо в деякому околі, наприклад, на відрізку точки має неперервні похідні до -го порядку включно, то залишковий член у формулі Тейлора можна записати у вигляді

(6.80)

де

Формула (6.79) записується тепер у вигляді

(6.81)

і справедлива для будь-якого

Формула (6.81) називається формулою Тейлора із залишковим членом виду Лагранжа. Якщо в цій формулі покласти , то матимемо так звану формулу Маклорена

(6.82)

Враховуючи вирази для диференціалів різних порядків функції можна записати формулу (6.81) в диференціальній формі:

(6.83)

3. Формула Тейлора для функції двох змінних

Нехай функція має в околі точки неперервні частинні похідні до -го порядку включно. Формулу Тейлора зручно записати в диференціальній формі:

(6.84)

де

Аналогічний вигляд має формула Тейлора для функції більшого числа змінних.

 

Функції багатьох змінних.

 

Множини точок на площині

та в п – вимірному просторі.

Множина точок називається зв’язною, якщо будь-які її дві точки можна сполучити ламаною лінією так, щоб усі точки цієї лінії належали цій множині.

 

Множина точок називається обмеженою , якщо всі її точки належать множині точок круга скінченного радіуса.

 

Множина точок, координати яких задовольняють нерівність називається δ-околом точки Р001; х02;…х0n).

 

Точка називається внутрішньою для множини точок, якщо вона лежить з деяким своїм околом, і зовнішньою, якщо існує її окіл з точок, жодна з яких не належить цій множині.

 

Зв’язна множина., яка складається тільки з внутрішніх точок, називається відкритою областю. Позначається

 

Точка називається межевою для області, якщо в будь-якому її околі існують точки, що не належать області і належать їй.

 

Множина межевих точок називається межею області

 

Область, з’єднана зі своєю межею, називається замкненою областю

 



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.16.210 (0.014 с.)