对罗尔中值定理推广的综述

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  摘 要:罗尔中值定理必须满足三个条件,并且缺一不可。如果对定理条件进行改变,又会得出那些定理呢?本文对罗尔定理的条件改变,进行了系统的分类总结,进而把罗尔定理推广到一般化。
  关键词:罗尔定理;推广
  
  一、罗尔定理:
  若函数f(x)满足下列条件:(1)在闭区间[a,b]连续;(2)在开区间(a,b)可导;(3)f(a)=f(b),则在(a,b)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  二、对定理进行推广
  罗尔定理必须具备三个条件,根据对定理的条件的改变,我们把对定理的推广分为三个方向。
  第一方向:对条件(2)f(x)在在开区间(a,b)可导减弱,从而对定理进行推广。
  定理一:若函数f(x)满足下列条件:(1)在闭区间[a,b]连续;(2)存在一点ξ∈(a,b)并且f'(ξ)=∞,其余各点在(a,b)可导;(3)f(a)=f(b)。
  则在(a,b)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  证明:把闭区间[a,b]分为[a,ξ)∪(ξ,b]∪{ξ}
  设函数f(x)在区间[a,b]上存在最大值M最小值m。因为存在ξ∈(a,b)使f'(ξ)=∞,所以f(x)在开区间(a,b)不可能是常数,mπM.f(x)在区间[a,b]端点上的函数值f(a)、f(b)不可能同时等于最小值m或最大值M,因此函数f(x)在区间(a,b)内至少存在一个极值点c,根据费马定理,有f'(c)=0。
  定理二:若函数f(x)满足下列条件:(1)在闭区间[a,b]连续;(2)存在有限点集E[a,b],ξ∈E有f'(ξ)=∞。在区间[a,b]-E内可导(3)f(a)=f(b)。
  则在(a,b)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  定理二延用定理一的证明方法即可证明。
  第二方向:对条件(1)在闭区间[a,b]连续和条件(3)f(a)=f(b),进行变更,进而对定理进行推广。
  定理三:若函数f(x)满足下列条件:(1)在区间(a,b)连续且limx→a+f(x)=limx→b-f(x)(2)在开区间(a,b)可导;则在(a,b)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  证明:对函数f(x)进行连续开拓,设
  F(x)=limx→a+f(x) x=a
  f(x) x∈(a,b)
  limx→b-f(x) x=b
  对函数F(x)应用罗尔中值定理,即可证明上述定理。
  定理四:若函数f(x)满足下列条件:(1)在区间(a,b)连续且limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=+∞(2)在开区间(a,b)可导;
  则在(a,b)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  证明:由limx→a+f(x)=+∞可得,M0,δ0当x-aπδ即x∈(a,a+δ)∈(a,b)时,有f(x)M。设mM时,c∈(a,a+δ)有f(c)=m。同样由limx→b-f(x)=+∞也可得d∈(a,b)有f(d)=m。对函数f(x),在区间[c,d]上应用罗尔定理,即可证明上述定理。
  对定理四中,当limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=+∞变为limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=-∞或limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=∞时,结论依然成立。
  第三方向:对罗尔定理的区间[a,b]进行开拓
  定理五:若函数f(x)满足下列条件:在闭区间(a,+∞)可导,limx→a+f(x)=limx→+∞f(x)=A;则在(a,+∞)内至少存在一点c,使f'(c)=0。
  证明:由limx→a+f(x)=A可知,ε0,δ0当x∈(a,a+δ)时,A-επf(x)πA+ε。同样由limx→∞+f(x)=A可得,当x时有A-επf(x)πA+ε。设m∈(A-ε,A+ε),在(a,+∞)一定存在c、d使f(c)=f(d)=m。对函数f(x)在区间[c,d]上应用罗尔定理即可证明定理五。
  对定理五,区间(a,+∞)可变为(-∞,b)或(-∞+∞);limx→a+f(x)=limx→+∞f(x)=A可变为limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=-∞或limx→a+f(x)=limx→b-f(x)=∞。
  证明思路等同于定理五的证明。由于篇幅的问题,这些定理的证明就不在重复。
  纵观上述几个定理的证明,不是把区间缩小,就是构造新函数。这两种证明方法也是我们微积分中重要的证明方法。
  
  参考文献:
  [1]刘玉琏,傅沛仁,数学分析讲义(上)[M]北京:高等教育出版社,2001。
  [2]胡广平,Rolle中值定理的推广[J]河南学院学报,2005(5)。
  [3]吴惠伶,罗尔中值定理的推广[J]新乡师范高等专科学校学报,2006(5)。
  [4]王胜利,罗尔中值定理的推广定理[J]科技信息(高校理科研究)。
  [5]王名学,罗尔定理的推广[J]湖南科技学院学报,2006(11)。
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