我曾經是狂噴微積分的憤青,我是中值定理的祖師爺,我叫羅爾,我為自己帶鹽

我曾經是狂噴微積分的憤青,我是中值定理的祖師爺,我叫羅爾,我為自己帶鹽

2017-03-30 今日方知 笑看數學

【輕鬆一刻---狂噴微積分的憤青】

羅爾是法國數學家。羅爾出生於小店家庭,只受過初等教育,年輕時貧困潦倒,靠充當公證人與律師抄錄員的微薄收入養家糊口,他利用業餘時間刻苦自學代數與丟番圖的著作,並很有心得。1682年,他解決了數學家奧扎南提出一個數論難題,受到了學術界的好評,從而名聲雀起,也使他的生活有了轉機,此後擔任初等數學教師和陸軍部行征官員。1685年進入法國科學院,擔任低級職務,到1690年才獲得科學院發給的固定薪水。此後他一直在科學院供職,1719年因中風去世。羅爾在數學上的成就主要是在代數方面,專長於丟番圖方程的研究。羅爾所處的時代正當牛頓、萊布尼茲的微積分誕生不久,由於這一新生事物存在邏輯上的缺陷,從而遭受多方面的非議,其中也包括羅爾,並且他是反對派中最直言不諱的一員。1700年,在法國科學院發生了一場有關無窮小方法是否真實的論戰。在這場論戰中,羅爾認為無窮小方法由於缺乏理論基礎將導致謬誤,並說:「微積分是巧妙的謬論的彙集」。從而展開了異常激烈的爭論,羅爾還被諷刺不懂微積分。由於羅爾對此問題表現得異常激動,致使科學院不得不屢次出面干預。直到1706年秋天,羅爾才承認他已經放棄了自己的觀點,並且充分認識到無窮小分析新方法價值。羅爾於1691年在題為《任意次方程的一個解法的證明》的論文中指出了:在多項式方程f(x)=0的兩個相鄰的實根之間,方程f(x)=0至少有一個根。一百多年後,即1846年,尤斯托.伯拉維提斯將這一定理推廣到可微函數,並把此定理命名為羅爾定理。

【極值點與駐點的糾葛】

極值點:在一小個區域上比附近的點的函數值都大的叫做極大值點(小的同理)

駐點:一階導數為0的點

極值點不一定是駐點:因為不一定可導,比如|x|在x=0時候的情況

反過來:駐點也不一定是極值點,比如x^3在x=0時候的情況

我去,那還說個毛啊,有什麼意義啊,都一個個的不一定。

客官別急,它倆還是有關係的-----

呃,別想多了,它倆的關係是:可導的極值點必然是駐點

也就是費馬引理

【費馬引理】

大名鼎鼎的費馬大定理,難倒了多少英雄好漢,還是很難的。不過還好,現在只是說說費馬引理,

還是可以接受的。話說不是說羅爾中值定理嗎,怎麼極值點,駐點,費馬引理一大堆啊?

幹嘛啊,能不能拐彎抹角少一點啊?客官別急,費馬引理對羅爾中值定理的證明有很大幫助,正可謂磨刀不誤砍柴工,

前面提一下這些還是有必要的,而且,也不複雜,不信你看。

費馬引理的內容:可導的極值點導數為0

(也就是可導的極值點是駐點)

【費馬引理-證明】

不妨以極大值為例,極小值情況類似即可。

設c為f(x)的極大值,x1<c<x2,

有f(x1)<f(c)>f(x2)

且 c-x1>0 , c-x2<0

則 f(c)-f(x1) / c-x1 >0---分子分母都是正的

f(c)-f(x2) / c-x2 <0 ---分子正,分母負

在x1->c,x2->c過程中,

因為極限的保號性,

可得c的左導數≥0,

c的右導數≤0

因為c可導,所以得到f(c)=左導數=右導數=0

【羅爾中值定理】

定理內容:f在閉區間連續,開區間可導,端點處f(a)=f(b),

則至少存在一點c,使得f(c)=0

(這些條件都是千錘百鍊出深山,烈火焚燒若等閑的了,缺一不可,多一浪費)

【定理理解】

羅爾定理圖形理解,在a,b中間存在一些點,使得其切線和x軸平行

【羅爾中值定理證明---so easy】

有了費馬引理之後,證明羅爾定理真是砍瓜切菜般簡單啊,爽爆了,

都不用什麼符號,公式推導,直接靠邏輯推理就行。很是簡潔,話不多少,

開證如下:

1若f的最大值,最小值都在端點處,顯然此時f恆為常數,

此時f上處處導數為0,此時定理顯然成立

2若f的最大值,最小值不能同時取到,則必有其一位於(a,b)之間,

不妨設最大值位於a,b之間,因為最大值肯定是極大值點,

且可導,所以導數為0,是駐點,則此時定理也成立

(看吧,多清爽啊,真是so easy)

【中值定理祖師爺的地位】

羅爾中值定理是微分學中一條重要的定理,是三大微分中值定理中的祖師爺,

別跟我說你連三大微分中值定理是啥都不知道,聽好了,分別是:

羅爾中值定理,拉格朗日中值定理,柯西中值定理,

之所以說羅爾定理是祖師爺,因為通過羅爾定理,構造一些輔助函數,

從而輕鬆證明後續的拉格朗日中值定理,柯西中值定理。

數學的定理其實就如同一個個的工具包,好的定理就是好的工具,用起來很舒服,

有了好的現成的工具,幹活時候就不用什麼都重新來一遍,提高了效率。

在發展過程中,費馬引理還得細緻地討論左導數,右導數,極限情形,非常底層,

到了羅爾就不用考慮這些底層的細節了,直接拿來主義,只用討論一下最大值,

最小值的情況就好了,如此重要的祖師爺級別的定理,證明居然so easy,堪稱數學證明中的一股清流,也是一朵奇葩。

而到了拉格朗日,柯西,哈哈,我們連最大值最小值都不用討論了,更別提什麼極限,左導數,右導數那些更低層的細節,

不然什麼都全部要親自手擼一遍,事事親歷親為,豈不是要累死?

所以,數學中拿來主義還是很有必要的,站在巨人的肩膀上,

事半而功倍,何樂而不為啊

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