數學分析第六章《微分中值定理及其應用》備考指南

2020-12-17 大表哥考研數學

第五章導數和微分的工具建立之後,必需要揭示導數更深刻的性質和應用,而微分中值定理(羅爾中值定理、拉格朗日中值定理、柯西中值定理以及泰勒定理)是導數理論最直接最精彩的應用。

在證明羅爾中值定理之前,請同學們回憶費馬定理:可導的極值點是穩定點(駐點)。

皮埃爾·德·費馬( Fermat)

姓名:皮埃爾·德·費馬( Fermat)

職業:律師,數學家(業餘的愛好);

生卒:1601年8月-1665年1月

別名:火雲邪神(歡迎同學們看圖補充)

成長經歷:生於法國南部土魯斯,其父創辦了「江南皮革廠」,從小衣食無憂,並接受了良好的教育,本科畢業於奧爾良大學(烤翅估計是吃爽了)。

畢業後仗著家裡有錢,買了土魯斯的高級公務員(議員).而立之年,娶其舅表妹露伊絲·德·羅格.

學術貢獻:(1) 建立了求切線、求極大值和極小值以及定積分方法,對微積分做出了重大貢獻;

(2)費馬大定理:沒有正整數解。1995年被英國數學家懷爾斯證明!

(3)對數論,光學都有重大貢獻,著名的數學史學家貝爾(E. T. Bell)稱費馬為十七世紀最多產的「業餘數學家之王」.

彌天大謊:我發現了一個美妙的關於這個定理的證法,可惜這裡地方太小,寫不下了!

Cousin Yang點評:儘管數學只是邪神業餘的愛好,然一個人的專業性並不是由他大學讀了什麼專業決定的,而是思考的深度和廣度決定的。

米歇爾·羅爾 ( Michel Rolle )

羅爾利用費馬,給出如下結論:

姓名:米歇爾·羅爾 ( Michel Rolle )

職業:哲學家,數學家,律師

生卒:1652年4月-1719年11月

別名:四大天王(羅拉柯泰)之首

成長經歷:出生於小店家庭,初中文憑,畢業後舉步維艱,貧困潦倒,時運不濟,泡MM居然泡成個老公(倒不算個渣男),過早當爹,為了孩子不吃三鹿,拼命專研數學。

1682年,他解決了數學家奧扎南提出一個數論難題,從而名聲雀起,完成了屌絲的第一波逆襲,也使他的生活有了轉機,此後擔任初等數學教師(那時候還沒有考研輔導班)和陸軍部行徵官員。1685年進入法國科學院實習。1690年終於實習結束,成了科學院正式在編人員,完成了人生的第二次逆襲。1719年因中風去世。

學術貢獻:Rolle Mean Value Theorem &Generalized Rolle Mean Value Theorem

Cousin Yangd點評:羅爾其實充滿了正能量,也充分說明學數學的成本很低,同學,你買A4紙了嗎?

羅爾中值定理,看似有三個條件,但實際操作起來,基本上只需要驗證在端點處的值相等即可。而端點處的值相等,從概率論的角度,是不可能事件!絕大多數情況下,端點處的函數值不相等!於是,拉格朗日就來了,他來了,他來了,拉神對著f(a),f(b)唱到,我們不一樣,不一樣,每個值都有不同的取法,我們在這裡,在這裡等你!

約瑟夫·路易斯·拉格朗日

拉格朗日中值定理,幾乎是無條件成立,因為命題人只要給出與中值點相關的問題,必然會涉及到閉區間上連續,開區間內可導的條件,那也就意味著,我們可以理直氣壯地不講衛生,時時拉,處處拉,貨拉拉,拉出來那麼一坨歪歪扭扭的東西,不就是那個中值點科森嗎?

而科森又不能確定具體在開區間(a,b)哪一點,從而使得科森處的導數是一個範圍,從而可以估算,亦即會天生產生一個不等式!這也是為什麼拉格朗日中值定理往往可以證明不等式的本質原因!

羅拉的幾何意義都非常明顯,即曲線上存在一點,使得過該點的切線斜率等於過兩個端點的直線的斜率。然而柯西深邃又慈祥的眼神注視著我們說,世界是複雜的,一個函數禹禹而行太孤單,f還需要一個girl,於是柯叔又引入了g,如下

姓名:約瑟夫·路易斯·拉格朗日

職業:物理學家,數學家

生卒:1736年1月-1813年4月

業界地位:逢考必拉,你拉我拉大家拉

成長經歷:生於義大利都靈,拉神在青蔥的花季雨季並沒有表現出應有的叛逆(儘管其父希望他成為一名律師),而17歲開始學習和研究微積分。18歲用蹩腳的義大利語寫了第一篇學術論文,並非常自信地寄給了當時最有名氣的數學家歐拉,歐拉淡定地告訴他這個問題很早就被妮子解決了。然而拉神並不氣餒。1755年,19歲的拉神鋒芒畢露,捲土重來,橫空出世的「變分法」奠定了在學術圈不可憾動的地位,同年擔任都靈皇家炮兵學校的教授,成為當時歐洲公認的第一流數學家,也成為數學史上最年輕的教授!1764年,拉神解決了法國科學院懸賞的萬有引力解釋月球天平動問題,成功獲得論文優秀獎!1766年-1795年間,分別在普魯士科學院數學部,都靈科學院,巴黎高等師範學院和巴黎綜合工科學校任數學教授,院長.

學術貢獻:數學、力學和天文學三個學科中都歷史開創性性貢獻(據說拉神研究力學和天文學的目的是為了表明數學到底有多牛批)。Cousin Yang點評:我們19歲忙著打農藥吃雞,而孤獨的拉教授深夜穿越千年,佇立在宿舍門口,說,年輕人,快起來拉一次!

奧古斯丁·路易斯·柯西

姓名:奧古斯丁·路易斯·柯西

職業:數學家,物理學家,天文學家

生卒:1789年12月-1857年5月

業界地位:前有羅,後有拉,只能陪你死柯到底

成長經歷:柯叔有個綽號叫苦瓜,因為他平常像一顆苦瓜一樣,靜靜地不說話,如果說了什麼,令人摸不著頭緒,和這種人溝通,是很痛苦的。柯叔年輕的時候,身邊沒有朋友,只有一群嫉妒他聰明和勤奮的人。正在備研的你,是不是有點兒能體會柯叔莫名的孤獨呢?

柯叔15歲那年,有幸和拉神一起吃飯,席間拉神發現柯叔天賦異稟、骨骼驚奇,想來是百年難得一見的數學奇才,於是包養了柯叔,傳授他那個時期最高端前沿智能的知識------微積分。1812年,拉神已在彌留之際,柯叔是時候繼承師傅的衣缽了,向法國科學院提交了兩篇論文從此一發不可收拾。1821年,柯叔已經名揚天下,功成名就。1830年爆發推翻波旁王朝的革命,柯叔離開法國,任都靈大學數學物理教授。1848年擔任了巴黎大學數理天文學教授。1857年5月23,柯叔突然去世,享年68歲。

學術貢獻:給出了極限的定義,化解了第二次數學危機,為微積分的蓋棺定論做出了不可磨滅的貢獻。彈性力學,複變函數的奠基人。

Cousin Yang點評:「人總是要死的,但是,他們的業績永存。」我希望,一百年後,理工男們看到我今天的複習指南,仍被幸福地折磨著!

柯西中值定理的幾何意義就不是那麼明顯了?如何理解並抓住柯叔給你girl friend?敬請關注大表哥每周三晚上的重難點解析直播(B站點擊搜索「大表哥考研數學」)。

柯叔作為拉神最得意的弟子,他繼承並推廣了師傅的意志,請同學們仔細品讀如下兩圖。

柯叔告訴我們,世界是複雜的,數學是抽象的,你的備研之旅是艱辛的,他溫潤的眼神,打量著每天都在修行路上的你,並且告訴你,你並不是一個人在戰鬥。他賜予你一個gf,你看到她,記住她,她就永遠不離不棄,直到你老年痴呆。他還指派一個「大表哥」,在你焦頭爛額神情恍惚的時候,大表哥總是從另一個維度,另一個視角,給你醍醐灌頂般的解析,深藏功與名,千裡不留行。

柯叔才高八鬥,學富五車,可是直到他生命的盡頭,他也並不完全知道到世界到底有多複雜,數學有多抽象。他眼睛閉上的那一刻,卻依然發著光,他堅信,總有人會徹底解開瀰漫的迷霧。是的,人類總是生生不息,奮鬥不止,後浪一波迎著一波,拍打著彼岸,浪花響徹天際。

克思來了!泰勒來了!

布魯克·泰勒(Brook Taylor)

職業:數學家,玩的展開式;

姓名:布魯克·泰勒(Brook Taylor)

別名:太樂(學神),太累了(學霸),太勒了(學渣)

生卒:1685年8月-1731年11月;

業界地位:研紅,理工狗的硬傷

The most prominent ideas:

1.數學統一於函數(Functions)

2.函數都是運動的(Motive)

3.運動都終將歸冪(Polynomials&Power)

職業:哲學家,玩的整個世界

姓名:看圖片

別名:老馬;大鬍子

生卒:1818年5月—1883年3月

業界地位:永存於研狗心裡

The most prominent ideas:

1.世界統一於物質(Matter)

2.物質都是運動的(Motive)

3.運動必經歷時空(Time&Space)

這兩位巨人的降世,意味著你的考研之路無比絢麗多彩又傷痕累累!

馬哲明確了我們的世界觀,同時又給出了方法論。敬請期待大表哥絕不雷同於任何一個傳統的政治老師的課程《馬克思主義基本原理》上線!

泰勒是屬於你的「歸冪」的男人,也是非常堅定的馬克思主義者,他成功運用馬哲的觀點,追根求源,找到了數學的本元,揭示了數學抽象的本質,從此抽象變具體,從此泰勒變太樂!

泰勒是偉大的,大表哥在十六年前剛認識他的時候,就掩飾不住赤果果地對泰勒的讚揚之情,他是真正的數學家,絕不雷同於高富帥洛必達師徒!

洛必達( L』 Hospital )

姓名:洛必達( L』 Hospital )

職業:數學家

生卒:1661-1704

業界地位:人見人愛,花見花敗

The most obvious features

1.Tall, rich, handsome

2.痴迷於數學,就像智齒一樣,無法自拔.可惜洛必達的數學才能,遠遠不及他對數學的熱情,無論他如何努力,始終無法在數學上有重大發現。於是,他花重金(約136千克白銀)收購了約翰·伯努利的研究成果:洛比達法則!

3. 整理並出版了第一本系統介紹微積分的書籍《無窮小量分析》。

Cousin Yang點評:

1.小洛哥哥第一次詮釋了知識真的很有價值,所以各位理工男,加油!

2.想起北宋有個哥們和洛比達有諸多相似之處,比如有房有鋪,自己當老闆,妻子貌美如花,還有官府的兄弟,然而命運卻大相逕庭。。。

約翰 伯努利( Johann Bernoulli )

姓名:約翰 伯努利( Johann Bernoulli )

職業:數學家

生卒:1667-1748

業界地位:太過高端 本科難見

The most obvious features

1. IQ=西安冬季的霧霾爆表指數;moral quality=negative IQ

2.1685年獲藝術碩士學位;

1690年獲醫學碩士學位;

1694年獲醫學博士學位;

1704年洛必達去世後,伯努利曬出當年和洛比達私下交易的信函,得了便宜又賣乖!

3.培養出一批出色的大數學家,其中包括十八世紀數學界全能型人才——歐拉。

Cousin Yang點評:

1.我們這個「神奇」的國度,卻沒有真正意義上神奇傳奇的高智商人物,那麼神奇只是奇葩和病態的代言詞而已!

2.缺乏契約精神其實很可怕,我們需要遵守契約,理工男女們,當你選擇了考研,請堅定地走下去,並付諸實踐!

微分學的許多重要定理,都是基於微分中值定理而證明的。中值定理的一個共同點,就是將函數在區間上的整體性質,通過其導函數在某一點處的局部性質反映出來。

這種從整體到局部,再到整體的思想方法,為微分學的應用奠定了基礎。它們除了可以用作理論證明之外,在討論具體的函數的性質時,也是強有力的工具。比如,羅爾定理常與閉區間上連續函數的零點定理結合起來,用於討論函數的零點的存在性及零點的個數;拉格朗日中值定理和柯西中值定理可用來證明不等式,而泰勒定理則是更高級,更精細地研究函數的常用工具。

本章的內容極其豐富,是各類考試的重難點,考研也不例外!同學們在複習時,請抓住羅拉柯泰這條主線,並體會這四個中值定理在證明過程中構造輔助函數的方法,認真獨立完成課後的習題(教材橫線之上)。到強化階段,再結合自己目標院校的真題,進一步權衡是否投入更多精力去複習!

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