罗尔定理的拓展:任意次可导函数的零点定理

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引理

  1. 设函数 $f(x)$ 在闭区间 $[a, b]$ 上可导,且 $f(a) = f(b) = 0$。那么存在 $\xi \in (a, b)$,使得 $f'(\xi) = 0$。
  2. 设函数 $f(x)$ 在开区间 $(a, b)$ 上 $n$ 次可导,且 $f(a) = f(b) = 0$。那么存在 $\xi_1, \xi_2, \cdots, \xi_n \in (a, b)$,使得 $f'(a) =f''(\xi_1) = \cdots = f^{(n)}(\xi_n) = 0$。

任意次可导函数的零点定理

定理:设函数 $f(x)$ 在开区间 $(a, b)$ 上 $n+1$ 次可导,且 $f(a) = f(b) = 0$。那么存在 $\xi \in (a, b)$,使得 $f^{(n+1)}(\xi) = 0$。证明:由引理 2,我们知道存在 $\xi_1, \xi_2, \cdots, \xi_n \in (a, b)$,使得 $f'(a) = f''(\xi_1) = \cdots = f^{(n)}(\xi_n) = 0$。现在,考虑函数 $g(x) = f^{(n)}(x)$。在区间 $(\xi_{n-1}, \xi_n)$ 上,$g(x)$ 是可导的,且 $g(\xi_{n-1}) = g(\xi_n) = 0$。根据引理 1,存在 $\xi \in (\xi_{n-1}, \xi_n)$,使得 $g'(\xi) = 0$。但 $g'(x) = f^{(n+1)}(x)$,因此 $f^{(n+1)}(\xi) = 0$。证毕

应用

任意次可导函数的零点定理在数值分析和数学分析等领域有广泛的应用。例如,它可以用来:证明泰勒级数的余项估计。求解代数方程的近似根。分析微分方程的解。

示例

考虑函数 $f(x) = x^3 - x$。我们知道 $f(0) = f(1) = 0$。根据任意次可导函数的零点定理,我们知道存在 $\xi \in (0, 1)$,使得 $f''(\xi) = 0$。求导可得 $f'(x) = 3x^2 - 1$ 和 $f''(x) = 6x$。因此,我们有 $f''(\xi) = 0$,即 $\xi = 0$。因此,函数 $f(x)$ 在区间 $(0, 1)$ 内存在一个二阶导数为零的点,这与实际情况相符。

结论

任意次可导函数的零点定理是罗尔定理在更高阶导数下的推广。它在数学分析和数值分析中具有重要的应用价值。

零点定理与罗尔定理都可以用来判断函数是否存在零点A正确B错误?

我觉得两个都可以,也就是选A。 其中零点定理不必多说,用罗尔定理的话:如果设f(x)在区间I上存在原函数F(x),这个时候要求f在I上不存在第一类间断点(Darboux定理),F在I上也是连续可导的,那么“存在x_0使得f(x_0)=0”就等价于“存在x_0使得F(x_0)=0”,只要在I上找到两个不一样的点、在这两点上F的取值相同,就可以用罗尔定理判定x_0的存在性了。

高等数学问题,为什么一看此函数就知道要应用罗尔定理?

罗尔定理:如果函数f(x)满足:(1)在闭区间[a,b]上连续(其中a不等于b);(2)在开区间(a,b)内可导;(3)在区间端点处的函数值相等,即f(a)=f(b),那么在区间(a,b)内至少存在一点ξ(a<ξ<b),使得 f(ξ)=0.首先根据题目要求的结果是f(x)=0及其零点所在的区间,这与罗尔定理的结论形式上一致第二题目条件给出了f(x)的四个零点,让人联想到区间端点值相等,这符合罗尔定理的第三个条件由此想到要应用罗尔定理。

如何用罗尔定理证明根的唯一性

根据零点定理证明。 1、根据作业帮APP查询显示,证明函数在两个端点处函数值异号,即f(a)乘以f(b)小于0。 2、令c为介于a、b之间的任意值,即a小于c小于b。 3、令g(x)等于f(x)减f(c),则g(a)等于f(a)减f(c)大于0,g(b)等于f(b)减f(c)小于0。 4、根据零点定理,在a、b之间至少存在一个数x0,使得g(x0)等于0。 5、证明g(x)在(a,c)和(c,b)上均单调递增或递减。 6、根据单调函数的性质,在(a,c)和(c,b)上最多只有一个零点。 7、综合上述步骤,可以得出结论:在区间(a,c)上函数f(x)至多有一个零点。

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