Теореми Ролля Лагранжа Коші Правило Лопіталя Формула Тейлора для функції однієї та двох змін

Пошукова робота на тему:

Теореми Ролля, Лагранжа, Коші. Правило Лопіталя. Формула Тейлора для функції однієї та двох змінних.

План

• Основні теореми диференціального числення
• Теорема Ролля
• Теорема Лагранжа
• Теорема Коші
• Правило Лопіталя
• Формула Тейлора для многочлена
• Формула Тейлора для довільної функції
• Формула Тейлора для функції двох змінних

6.12. Основні теореми диференціального числення

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.

6.12. 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 .

6.12. 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, .

6.12.3. 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)

6.13. Розкриття невизначеностей. Правило Лопіталя

Розглянемо невизначеність виду .

Теорема 1. Нехай для функцій і виконуються умови:

1) функції визначені на півінтервалі і

;

2) в інтервалі диференційовані, причому для всіх ;

3) існує (скінчена або нескінченна ) границя

.

Тоді існує границя відношення при і ця границя дорівнює теж числу , тобто

.

Висновок цієї теореми читають ще так: границя відношення функції дорівнює границі відношення похідних від цих функцій.

Наведену теорему називають першим правилом Лопіталя.

Зауваження 1. Може статися, що поряд з рівностями виконуються рівності

Нехай

тоді, застосовуючи двічі доведену теорему, дістаємо таку рівність:

Взагалі цей спосіб можна застосовувати доти, поки не прийдемо до відношення яке має при певну границю. Тоді

У цьому випадку кажуть, що правило Лопіталя використовується разів.

Зауваження 2. Теорема 1 при виконанні її умов справджується і тоді, коли точка є невласною, тобто . У цьому випадку

Справді, застосувавши підстановку , маємо

Сформулюємо другу теорему Лопіталя, яка стосується розкриття невизначеності виду

Теорема 2. Нехай для функцій і виконуються умови:

1) функції визначені на півінтервалі і при цьому

2) функції диференційовані в інтервалі причому

3) існує ( скінчена або нескінченна) границя

Тоді

.

Зауваження 3. Крім невизначеностей є ще й інші невизначеності: Проте всі вони зводяться до невизначеності або

Справді, нехай, наприклад, маємо невизначеність Інакше кажучи, нехай маємо функції і такі, що Тоді добуток можна зобразити у вигляді частки:

Отже, у правій частині ми маємо невизначеність виду

Якщо маємо невизначеність , тобто і то різницю можна записати:

отже, в правій частині маємо невизначеність виду

Якщо маємо степінь і тобто невизначеність виду , то її розкривають так.

Припускаючи, що , вираз має вигляд

У показнику при маємо невизначеність виду , яка (це було показано вище) зводиться до невизначеності . Аналогічно невизначеності розкриваються невизначеності , .

Приклади. Користуючись теоремами Лопіталя, знайти границі функцій:

1. 2. 3.

4. 5. 6.

7. 8.

Р о з в ’ я з о к. Перевіримо виконання умов теорем Лопіталя для першого прикладу. Для прикладів пропонуємо умови теорем перевірити самостійно.

1. Нехай . Розглядатимемо пів інтервал, де - довільне число. Тоді . Знаходимо похідні за будь-якого , а потім

.

Отже, виконуються всі три умови першої теореми Лопіталя. Тому

.

2. Маємо невизначеність виду . Використавши першу теорему Лопіталя, одержимо

.

3. Маємо невизначеність виду , тому використовуємо другу теорему Лопіталя:

.

4. Маємо невизначеність виду . Зводимо її до невизначеності . Для цього запишемо у вигляді

.

Отже, дістали невизначеність . Тому

.

5. Маємо невизначеність . Запишемо добуток

так: . Дістали невизначеність . Тому

Під знаком границі в правій частині останньої рівності знову маємо випадок, коли чисельник і знаменник прямують до , тобто маємо ту саму невизначеність . Застосувавши раз друге правило Лопіталя, дістаємо

6. Маємо невизначеність . Тоді

Знайдемо границю показника:

тому

7.Маємо невизначеність виду . Запишемо даний вираз:

. Дістали невизначеність .

Отже,

.

8. Маємо невизначеність виду . Запишемо даний вираз:

.

Знайдемо границю показника:

.

Отже,

6.14. Формула Тейлора

6.14.1. 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.

6.14.2. 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)

6.14.3. 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.