微积分 · 中值定理

拉格朗日中值定理

如果函数f在闭区间[a, b]上连续,在开区间(a, b)内可导,那么a与b之间至少有一点c,使这一点的切线与过两端点的割线平行:f′(c) = (f(b) − f(a))/(b − a)。

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拉格朗日中值定理与本页画面

拉格朗日中值定理(微分中值定理之一):如果函数ff在闭区间[a,b][a, b]上连续,在开区间(a,b)(a, b)内可导,那么至少有一点cc,a<c<ba < c < b,使得

拉格朗日中值定理
f′(c)=f(b)−f(a)b−a.f'(c) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}.

左边是cc处切线的斜率,右边是过(a,f(a))(a, f(a))和(b,f(b))(b, f(b))的割线斜率,也就是ff在这个区间上的平均变化率。这一点也记作ξ\xi。罗尔定理是f(a)=f(b)f(a) = f(b)的特殊情形:割线水平,f′(c)=0f'(c) = 0。本页在四个光滑函数上演示定理,另有两个函数在某些区间上不满足条件:∣x∣|x|在角点处不可导;跳跃函数的区间内部含有跳跃点时,它在那里既不连续也不可导。

蓝色的点A、B在曲线上,横坐标分别是aa、bb,可以拖动;拖动横轴上的蓝色区间段,整个区间一起平移。过A、B的黄色直线是割线,斜率记作mm。每个蓝色的点标出一个中值点cc:那里的切线与割线平行,竖直虚线连到割线:ff光滑时,曲线与割线的高度差在每个cc处的导数为0(这里两者斜率相同)。图的下方是斜率图:蓝色曲线是f′(x)f'(x),黄色水平线是割线斜率mm,每个cc都是一个交点。隐藏答案时,图上出现一个可以沿曲线移动的切点,可以自行寻找cc。

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不要误读

  • 定理保证至少有一个cc,不保证只有一个:x3−3xx^3 - 3x在[−2,2][-2, 2]上有两个,sin⁡x\sin x在[−6,6][-6, 6]上有四个。定理也不说cc在哪里:对非退化的二次函数,唯一的cc总在区间中点;其他函数的cc可以在区间内任何位置。
  • 可导只要求在开区间内成立。x\sqrt{x}在[0,4][0, 4]上,0处的切线是竖直的,但c=1c = 1仍然满足。
  • 条件不满足时,定理什么也不保证。∣x∣|x|在[−1,2][-1, 2]上没有cc,跳跃函数在[0.5,1.5][0.5, 1.5]上也没有;但同一个跳跃函数在[0,2][0, 2]上恰好有c=1.5c = 1.5。
  • 本页的cc是对每个函数精确解方程“f′(c)=f'(c) = 割线斜率”得到的,不是数值搜索的结果。
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用途

  • 平均速率:汽车5分钟行驶10公里,平均速率是每小时120公里。只要行驶的路程随时间连续变化,并且在这5分钟内每一时刻都有瞬时速率(路程对时间可导),就有某一时刻它的速率恰好是每小时120公里。所以区间测速测出平均速率超过限速时,车辆在某一时刻一定超速了。
  • 如果在区间上处处f′=0f' = 0,ff就是常数;导数相同的两个函数只差一个常数,这就是原函数后面要加CC的原因。
  • 估计:如果区间上∣f′∣≤M|f'| \le M,那么∣f(b)−f(a)∣≤M ∣b−a∣|f(b) - f(a)| \le M\,|b - a|。微积分基本定理的证明也要用到它。
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相关概念