大学微积分经济管理类

*,*,4.1,4.3,4.2,4.4,4.5,4.6,*,4.1,4.3,4.2,4.4,4.5,4.6,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,*,小 知 识,*,*,微 积 分,章学诚 刘西垣 编著,普通高等教育“十一五”家级规划教材,(经济管理类),第四章,1,第四章,微分中值定理和导数的应用,4.3,4.5,4.2,微分中值定理,洛必达法则,函数的单调性,曲线的上、 下凸性和拐点,函数的极值与最值,渐近线和函数作图,4.4,4.6,4.1,2,第四章,微分中值定理和导数的应用,4.1,4.2,4.3,4.4,4.5,4.6,数学是科学的大门和钥匙.,培根,（R.Bacon，12141294）,数学是科学和技术的基础；没有强有力的数学就不可能有强有力的科学,美国国家研究委员会,3,小 知 识,R.,培根，英国方济各会修士，哲学家、科学家和教育改革家，号称“万能博士”他深知获取可靠知识的方法在数学、力学、 光学、天文学、地理学、化学、音乐、医学、文法、哲学、伦理学和神学等方面都有不平凡的著作，他强调数学和实验，在他的著作,大作,中曾企图证明所有科学都需要数学,.,但他也充分认识到实验对科学发现和验证理论的作用和重要性,并预见科学造福于人类的伟大前景,.,4,导数概念刻画了函数的一种局部特性联系导数和函数的纽带是微分中值定理,它是用导数来研究函数性态的理论基础,从而也成为导数应用的理论基础,本章首先介绍微分中值定理, 随后以之为基础介绍了导数的几个重要应用：求未定式的值（洛必达法则）, 函数的单调性和曲线的上、下凸性（函数的凹凸性）及拐点的判定, 函数的极值和最值的求法, 以及绘制函数图形的基本方法,5,4.1 微分中值定理,4.1.1,4.1,.2,4.1,.3,4.1,.4,罗尔定理,拉格朗日中值定理,柯西中值定理,泰勒公式,6,4.1.1 罗尔定理,首先介绍发现于微积分产生之初的一个著名定理费马引理, 它具有重要的应用,费马 (Fermat) 引理,设函数,y,=,f,(,x,) 在点,x,0,的一个邻域,U,(,x,0,) 上有定义, 并在,x,0,点可导如果,f,(,x,) ,f,(,x,0,) (或,f,(,x,) ,f,(,x,0,) (,x,U,(,x,0,)，,则,f,(,x,0,) = 0,这个引理的几何含义是：在引理的假设下, 点,P,0,(,x,0,f,(,x,0,) ) 位于曲线,C,：,y,=,f,(,x,) (,x,U,(,x,0,) 的 “谷底”（或 “峰顶”）（如图 4-1）, 这时,C,在点,P,0,的切线必是水平的,图 4-1,7,费马 (Fermat) 引理,设函数,y,=,f,(,x,) 在点,x,0,的一个邻域,U,(,x,0,) 上有定义, 并在,x,0,点可导如果,f,(,x,) ,f,(,x,0,) (或,f,(,x,) ,f,(,x,0,) (,x,U,(,x,0,)，,则,f,(,x,0,) = 0,证,设自变量,x,在点,x,0,处有改变量,x, 且,x,0,x,U,(,x,0,),由假设,f,(,x,0,x,) ,f,(,x,0,), 从而函数,f,(,x,) 相应的增量,y,=,f,(,x,0,x,),f,(,x,0,) 0,故当,x,0,时 当,x,0, 所以函数,f,(,x,),=,ln sin,x,在,上有意义, 这是一个初等函数, 从而是连续函数, 它在 上,可导, 其导数为,又 故,f,(,x,),满足罗尔定理的条件, 从方程 可解,得 , 它就是函数,f,(,x,) 的驻点,13,例 2,设函数,f,(,x,) 在 0,1 上连续, 在 (0,1) 上可导, 且,f,(1) = 0. 证明：存在, (0, 1) 使得,证,需证结果可改写为,f,(,),f,(,) = (,x f,(,x,),|,x,=,= 0,故可考虑函数,F,(,x,) =,x f,(,x,),它在0, 1上满足罗尔定理的条件, 从而存在, (0, 1) 使得,F,(,) =,f,(,),f,(,) = 0,14,例 3,设,f,(,x,) 在 ,a,b, 上连续, 在 (,a,b,),上可导, 且,f,(,a,) =,f,(,b,) = 0. 证明：存在, (,a,b,) 使得,f,(,),f,(,) = 0,证,若拟用罗尔定理证明上述结果, 就需将它化成某一函数之导数等于零的形式为此引进函数,F,(,x,) = e,x,f,(,x,),显然,F,(,x,),在,a,b,上满足罗尔定理的条件,故必存在,(,a,b,),使得,F,(,) = (e,x,f,(,x,),|,x,=,=e,f,(,) e,f,(,),= e,(,f,(,),f,(,) = 0,由于 e, 0, 故得,f,(,),f,(,) = 0,15,4.1.2 拉格朗日中值定理,罗尔定理中的条件,f,(,a,) =,f,(,b,) 很特殊, 一般的函数不满足这个条件, 因此在大多数场合罗尔定理不能直接应用由此自然会想到要去掉这一条件, 从而导致拉格朗日中值定理,拉格朗日 (Lagrange) 中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在 (,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),或,f,(,b,) ,f,(,a,) =,f,(,)(,ba,) (,a,b,) (4.2),16,拉格朗日 (Lagrange) 中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在(,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),这个定理的几何意义是：对于,曲线,：,y,=,f,(,x,) (,x,a,b,), 其端点,为,A,(,a,f,(,a,),和,B,(,b,f,(,b,), 公式(4.1),的左边表示弦,AB,的斜率, 右边表示,在点,C,(,f,(,)的切线的斜率(如,图 4-3), (4.1) 式表明这切线与直线,AB,平行由于,是光滑的连续曲线, 这样的点,C,一定存在,图,4-3,17,拉格朗日 (Lagrange) 中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在(,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),容易看到, 罗尔定理是拉格朗,日定理的特殊情形,证,可用罗尔定理来证明这个,定理由于线段,AB,与曲线,有共,同的端点, 表示,和,AB,的两个函,数之差定能满足罗尔定理的条件.,图,4-3,18,拉格朗日 (Lagrange) 中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在(,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),续证,从直线,AB,的方程,或,作新的函数,图,4-3,19,拉格朗日 (Lagrange) 中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在(,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),续证,作新的函数,显然,(,x,) 在,a,b,上连续, 在 (,a,b,) 上可导, 其导数为,且,(,a,) = 0,(,b,) = 0.,(,x,) (,x,a,b,) 符合罗尔定理的条件, 所以,(,a,b,) 使得 这就得到(4.1)式.,20,小 知 识,拉格朗日,(J.L.Lagrange,17361813),法国数学家,力学家,天文学家,.,出生于意大利,在中学时代就对数学和天文学深感兴趣,进入他的故乡都灵的皇家炮兵学校学习后,读了天文学家哈雷介绍牛顿的微积分的一篇短文,开始钻研数学,.19,岁任该校数学教授,23,岁被选为柏林科学院院士,30,岁任柏林科学院主席兼物理数学所所长,.,德皇腓特烈大帝认为在,“,欧洲最大的王,”,的宫廷里应当有,“,欧洲最大的数学家,”,于是,1766,年拉格朗日应邀赴德皇宫任职,长达,20,年,1786,年德皇去世后应法王路易十六的邀请定居巴黎,直至去世,.,21,小 知 识,拉格朗日的工作涉及许多数学分支（包括数论，代数方程论，微积分，微分方程，变分法等）和物理分支，他的主要兴趣是将引力定律应用于行星运动他的著作,分析力学,是一部科学经典，但在当时却难以找到一个出版商，他是分析力学的创始人他在为微积分奠定基础方面作了独特的尝试，在数学史上被认为是对分析数学的发展产生全面影响的数学家之一,22,(4.1),f,(,b,) ,f,(,a,) =,f,(,)(,b a,) (,a,b,) (4.2),把 (4.1) 或 (4.2) 式中的,a,b,互换, 公式不变, 故当,b,a,时, (4.1) 和 (4.2) 式仍然成立,23,(4.1),f,(,b,) ,f,(,a,) =,f,(,)(,b a,) (,a,b,) (4.2),公式 (4.1) 或 (4.2) 称为,拉格朗日中值公式,它也可写成,f,(,x,2,) ,f,(,x,1,) =,f,(,)(,x,2, x,1,) (,介于,x,1,x,2,之间). (4.3),拉格朗日定理的条件一般函数都能满足, 所以应用比较广泛, 在微分学中占有重要地位, 故有时也称为,微分中值定理,与罗尔定理一样拉格朗日定理只是断定了适合 (4.1) 式的中值,的存在性, 并没有给出确定,的方法或说明这种,有多少个, 但它仍然具有重要的理论意义,24,例 4,试就函数,f,(,x,) = ln,x,(,x,1, e) 验证拉格朗日定理,解,f,(,x,) = ln,x,是基本初等函数, 在1, e上连续, 在 (1, e) 上可导, 其导数为,拉格朗日中值公式 (4.1) 此时为,而,f,(e) = ln e = 1,f,(1) = ln 1 = 0,故上式即为,或,= e,1,易知 1 , e, 所以拉格朗日定理的结论成立,拉格朗日中值定理,设函数,f,(,x,) 在,a,b,上连续, 在 (,a,b,) 上可导, 则, (,a,b,), 使得,(4.1),25,从拉格朗日定理可以得到两个重要推论,推论,1,如果函数,f,(,x,) 在区间,I,上的导数恒等于零, 则,f,(,x,) 在,I,上是一个常数.,证,由假设,f,(,x,),在,I,上满足拉格朗日定理的条件.,任取,x,1,x,2,I,x,1,x,2, 由拉格朗日中值公式 (4.3), 有,f,(,x,2,) ,f,(,x,1,) =,f,(,)(,x,2,x,1,) (,x,1, 0, 函数,y,= ln,(1 +,x,) 在0,t,上满足拉格朗日定理的条件, 由此, (0,t,) 使得,由于 0 ,t, 故 所以,因为,t,是任意正数, 不等式得证,30,4.1.3 柯西中值定理,拉格朗日中值定理还可以推广到两个函数的情形, 即有,柯西 (Cauchy) 中值定理,设函数,f,(,x,) 和,g,(,x,) 都在,a,b,上连续, 在(,a,b,)上可导, 且,g,(,x,)0 (,x,(,a,b,), 则,(,a,b,) 使得,(4.4),证,由拉格朗日定理, 在条件,g,(,x,)0 下,g,(,b,),-,g,(,a,) =,g,(,),(,b,-,a,) 0 (,a,a,0, 函数,f,(,x,) 在 ,a,b, 上连续, 在 (,a,b,) 上可导,证明：存在,(,a,b,) 使得,证,上式可改写为 故若设,则,F,(,x,) 和,G,(,x,) 在,a,b,上满足,柯西中值定理的条件,所以必,(,a,b,) 使得,而 从而,又 问题得证.,33,4.1.4 泰勒公式,应用柯西中值定理可以证明下述定理, 该定理对于更精细地研究函数具有重要意义.,泰勒 (Taylor) 定理,设,f,(,x,) 在区间 (,a,b,) 上有连续的,n,+ 1 阶导数,x,0,(,a,b,), 则有,(4.5),其中,是介于,x,0,和,x,之间的某个值.,34,泰勒定理,设,f,(,x,) 在区间 (,a,b,) 上有连续的,n,+ 1 阶导数,x,0,(,a,b,), 则有,(,x,(,a,b,),其中,是介于,x,0,和,x,之间的某个值.,证,不妨设,x,0,x,的情况与之完全类似), 考虑函数,和,G,(,t,),=,(,x,-,t,),n,+1,显然,F,(,t,)和,G,(,t,)在,x,0,x,上连续, 在(,x,0,x,)上可导, 且,F,(,x,) =,G,(,x,) = 0,G,(,x,0,) = (,x,-,x,0,),n,+1,G,(,t,) =,-,(,n,+1)(,x,-,t,),n,.,并在 (,x,0,x,) 上,G,(,t,) 0.,(4.5),所以,F,(,t,) 和,G,(,t,) 在 ,x,0,x, 上满足柯西中值定理条件, 从而存在,(,x,0,x,), 使得,即,35,泰勒定理,设,f,(,x,) 在区间 (,a,b,) 上有连续的,n,+ 1 阶导数,x,0,(,a,b,), 则有,(,x,(,a,b,),其中,是介于,x,0,和,x,之间的某个值.,因此,此即公式 (4.5).,(4.5),所以,F,(,t,) 和,G,(,t,) 在 ,x,0,x, 上满足柯西中值定理条件, 从而存在,(,x,0,x,), 使得,即,(4.5) 常称为,f,(,x,) 在点,x,0,的,n,阶泰勒公式,.,当,n,= 0 时, (4.5) 就是拉格朗日中值公式, 故,泰勒定理是拉格朗日中值定理的推广,.,36,泰勒定理,设,f,(,x,) 在区间 (,a,b,) 上有连续的,n,+ 1 阶导数,x,0,(,a,b,), 则有,(,x,(,a,b,),其中,是介于,x,0,和,x,之间的某个值.,当,x,x,0,时,它表明, 当用,n,次多项式,作为,f,(,x,) 的近似时, 其误差将随着,n,的增加而很快减小. 当,n,= 1 时, (4.5) 就是用微分 d,f,|,x,=,x,0,逼近增量,y,=,f,(,x,),-,f,(,x,0,) 的近似计算公式, 所以公式 (4.5) 在函数值的近似计算中有用.,(4.5),并且在进一步的附加条件下, 可以得到函数的另一种表示形式 (即用无穷级数表示).,37,小 知 识,泰勒,(B.Taylor,16851731),英国数学家,18,世纪早期英国牛顿学派最优秀的代表人物之一,17141718,年任皇家学会秘书,是有限差分理论的奠基人,.,在,1715,年出版的著作,正的和反的增量方法,中陈述了他在,1712,年得到的,后又以其名命名的定理,.,书中还讨论微积分在一系列物理问题中的应用,.,这个定理在,1670,年最早为,J.,格雷戈里,(J.Gregory,16381675),和,1673,年莱布尼茨独立发现,但他们都未发表,.J.,伯努利,(John Bernoulli),于,1694,年在一杂志上首先公开发表了这个结果,.,泰勒知道，但没有引证，两者的“证明”也不同,.,38,例 8,求下列函数在,x,= 0 点的,n,阶泰勒公式：,1) e,x,; 2) ln(1+,x,).,解,1) 由于(e,x,),(,k,),= e,x,(,k,N,), 函数 e,x,适合泰勒定理的条件, 在,x,= 0 点 e,x,= 1, 故由 (4.5) 得,(,介于 0 和,x,之间),(4.5),39,例 8,求下列函数在,x,= 0 点的,n,阶泰勒公式：,1) e,x,; 2) ln(1+,x,).,解,2) 设,f,(,x,) = ln(1+,x,), 则,用数学归纳法可以证明,f,(,k,),(,x,) = (,-,1),k,-,1,(,k,-,1)!,(1 +,x,),-,k,(,k,N,).,所以,f,(,k,),(0) = (,-,1),k,-,1,(,k,-,1)! (,k,N,). 代入 (4.5) 即得,其中,介于 0 和,x,之间, 或,=,x,(0,0, 同样可以证明,例 6 和例 7 说明, 当,x,+时, ln,x,x,(, 0) 和 e,x,都是无穷大量, 但它们增长的速度却有很大的差别：,x,(, 0 不论多么小) 比 ln,x,快, 而 e,x,又比,x,(,0 不论多么大) 更快, 所以在描述一个量增长得非常快时, 常常说它是“指数型”增长,57,4.2.2 其他类型的未定式,除前面讲述的 型和 型未定式外, 还有 5 种其他类型的,未定式：0, ,-, 0,0, 1, ,0,.,0 和 ,-, 型未定式可通过代数恒等式变形转化成 型,或 型未定式,0,0, 1, ,0,型未定式可通过取对数转化成 0 型未定式,下面用几个例子来说明这些类型未定式的计算,58,例 8,求,解,当,x, 时 所以这是 0 型未定式.,设,59,例 9,设,a, 0, 求,解,当,x,0,+,时,x,a,0, ln,x,-, 这是 0 型未定式.,这个例子说明, 当,x,0,+,时, 尽管 ln,x,是无穷大量, 它与无穷小量,x,a,(,a, 0) 的乘积仍是一个无穷小量,60,例 10,求,解,这是 ,-, 型未定式.,61,例 11,求 (0,0,型).,解,设,y,=,x,x, 则 ln,y,=,x,ln,x, 所以,(由例 9,p. 137,).,从而,例 9,设,a, 0, 求 (答案: 0),62,例 12,求,解,这是 1,型未定式设 , 则,从而,63,4.3 函数的单调性,1.3 节讲述了函数在区间上的单调性概念, 对于给定的函数或曲线, 常常首先关注的是函数的增减性或曲线的升降走向, 这是函数或曲线的一种基本的性质. 如果按定义来判别函数在给定区间上的单调性, 一般比较麻烦, 但如果用导数和微分中值定理来处理就会容易得多.,64,设函数,y,=,f,(,x,) 是,a,b,上单调增加（或减少）的连续函数, 并且在 (,a,b,) 上可导, 则如图 4-4 (a) (或图 4-4 (b) 所示, 曲线,C,:,y,=,f,(,x,) (,x,(,a,b,) 在每一点的切线的倾角都是锐角(或钝角), 从而,f,(,x,) 0 (或 0),图 4-4,65,设函数,y,=,f,(,x,) 是,a,b,上单调增加（或减少）的连续函数, 并且在 (,a,b,) 上可导, 则如图 4-4 (a) (或图 4-4 (b) 所示, 曲线,C,:,y,=,f,(,x,) (,x,(,a,b,) 在每一点的切线的倾角都是锐角(或钝角), 从而,f,(,x,) 0 (或 0),事实上, 由函数,f,(,x,),单调增加的定义, 对任意一点,x,(,a,b,),和自变量在,x,的增量,x,(,x,+,x,(,a,b,), 对应的函数的增量为,y,=,f,(,x,+,x,),-,f,(,x,), 当,x, 0 时,y, 0, 当,x,0,时,y, 0 (,x,(,a,b,), 则由拉格朗日中值定理, 对任意的,x,1,x,2,a,b,x,1,x,2, 有,f,(,x,2,),-,f,(,x,1,) =,f,(,)(,x,2,-,x,1,) (,x,1, 0, 故,f,(,x,2,),-,f,(,x,1,) 0, 即,f,(,x,2,) ,f,(,x,1,), 所以,f,(,x,) 是单调增加的.,同理, 如果,f,(,x,) 0 (,x,(,a,b,) 时,f,(,x,) 在,a,b,上单调增加;,当,f,(,x,) 0 ( 0, 在 (,-,0) 上,y, 0; 在 (,-,1, 2) 上,f,(,x,) 0, 且,为证,f,(,x,) 在 (0,+) 内单调增加, 只要证,f,(,x,) 0, 即证,由于 因此, 在 (0,+ ) 上,g,(,x,) 0, 问题得证.,73,例 5,证明：当,x, 0 时,证,设 则,f,(0)=0, 其导数,所以,f,(,x,) 在0,+) 上单调增加, 从而,f,(,x,) ,f,(0) = 0. 这就证明了左边的不等式成立,用同样的方法, 引进函数,g,(,x,) =,x,-,arctan,x, 可以证明右边不等式,74,4.4 曲线的上 、下凸性和拐点,4.4.1,4.4,.2,曲线的上、下凸性和拐点,函数的凸性,75,4.4.1 曲线的上、下凸性和拐点,曲线的上、下凸性就是曲线弯曲的方向,设,f,(,x,) 是定义在区间,I,上的函数,P,1,P,2,是曲线,C,:,y,=,f,(,x,),(,x,I,) 上的任意两点, 线段,P,1,P,2,称为曲线,C,的,弦,C,上介于,P,1,P,2,之间的曲线段,称为,C,的,弧,定义,如果曲线,C,:,y,=,f,(,x,) (,x,I,) 上任意两点,P,1,P,2,的弦,P,1,P,2,总在弧,之上（下）, 则称曲线,C,是,下凸,（,上凸,）的,下（上）凸有时也称为,上凹,或,凹,（,下凹,或,凸,）.,76,4.4.1 曲线的上、下凸性和拐点,曲线的上、下凸性就是曲线弯曲的方向,设,f,(,x,) 是定义在区间,I,上的函数,P,1,P,2,是曲线,C,:,y,=,f,(,x,),(,x,I,) 上的任意两点, 线段,P,1,P,2,称为