第二积分中值定理
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重积分积分中值定理
积分中值定理,是一种数学定律。分为积分第一中值定理和积分第二中值定理,它们各包含两个公式。其中,积分第二中值定理还包含三个常用的推论。
积分中值定理揭示了一种将积分化为函数值,或者是将复杂函数的积分化为简单函数的积分的方法,是数学分析的基本定理和重要手段,在求极限、判定某些性质点、估计积分值等方面应用广泛。
二重积分的中值定理:设f(x,y)在有界闭区域D上连续,是D的面积,则在D 内至少存在一点,使得定理证明设(x)在上连续,且最大值为,最小值为,最大值和最小值可相等。由估值定理可得同除以(b-a)从而由连续函数的介值定理可知,即:命题得证。
上一篇文章讲了积分第一中值定理的证明,并给出了积分第一中值定理更一般的形式,这篇主要讲积分第二中值定理的证明。 积分第二中值定理:
()f x 在区间[,]a b 上可积,()x ϕ在区间[,]a b 上单调,那么在[,]
a b 上存在内点ξ,使得:
()()(0)()(0)()b
b
a
a
f x x dx a f x dx b f x dx ξξ
ϕϕϕ=++-⎰
⎰⎰
特别的,当()x ϕ在区间[,]a b 两端连续时,有
()()()()()()b
b
a
a
f x x dx a f x dx b f x dx ξξ
ϕϕϕ=+⎰
⎰⎰
积分第二中值定理是一个更为精确的分析工具,在证明这个定理之前,先介绍Abel 引理。
Abel 引理:数列{}n a 和{}n b ,对于任意的210n n >>,有
2
2
22111
1
1111()()n n n
n
n n n n n n n n n n n n a b
b b a a a b a b -++-==-=-+-∑∑
实际上:
2
1111112221
1111111122222
1111111122111111111211111121()()()...()
()()...()()()...(n n
n
n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n a b
b a b b a b b a b b a b b a a b a a b a a a b a b b a a b a a b a --++-=-++++---++++---=-+-++-=-+-+-++-+=-+-+-++∑222222
定积分不有等式、积分平均值定理、积分第二中值定理(连续可微情形)的证明
简单不等式
定理1、设)(x f 在[]b a ,上可积,且0)(≥x f ,([]b a x ,∈),则有⎰≥b
a dx x f 0)(。
定理2、设)(x f 在[]b a ,上连续且非负,(即0)(≥x f ,[]b a x ,∈),如果)(x f 不恒等于0,则有⎰>b
a dx x f 0)(。
证明:由条件得,存在一点[]b a x ,0∈使0)(0>x f 。由连续函数的性质,存在一个子区间[]βα,,适合[][]b a x ,,0⊂∈βα,使得对一切[]βα,∈x ,有
)(21)(0x f x f ≥
由积分对区间的可加性,知⎰⎰⎰⎰++=b
a a
b dx x f dx x f dx x f dx x f αβ
βα)()()()( ⎰≥β
αdx x f )( ⎰
≥βαdx x f )(210 0))((2
10>-=αβx f 。 推论1、设[]0,,≥∈f b a f ,如果有⎰=b
a dx x f 0)(,则有0)(=x f ,[]
b a x ,∈。
推论2、设[]b a f ,∈,如果对任意[]b a g ,∈都有⎰=b
a dx x g x f 0)()(,则必有0)(=x f ,
[]b a x ,∈。
积分平均值定理
定理3、设[],f C a b ∈,则存在),(b a ∈ξ,使得⎰-=b a a b f dx x f ))(()(ξ
证明:设m M ,分别是f 在[]b a ,上的最大值和最小值,显然[]b a x M x f m ,,)(∈≤≤ 于是 ⎰⎰⎰≤≤b a
中值定理的应用方法与技巧
中值定理包括微分中值定理和积分中值定理两部分。微分中值定理即罗尔定理、拉格朗日中值定理和柯西中值定理,一般高等数学教科书上均有介绍,这里不再累述。积分中值定理有积分第一中值定理和积分第二中值定理。积分第一中值定理为大家熟知,即若)(x f 在[a,b]上连续,则在[a,b]上至少存在一点ξ,使得))(()(a b f dx x f b
a -=⎰ξ。积分第二中值定理为前者的推广,即若)(),(x g x f 在[a,b]上连续,且)(x g 在[a,b]上不变号,则在[a,b]上至少存在一点ξ,使得⎰⎰=b
a b
a dx x g f dx x g x f )()()()(ξ。 一、 微分中值定理的应用方法与技巧
三大微分中值定理可应用于含有中值的等式证明,也可应用于恒等式及不等式证明。由于三大中值定理的条件和结论各不相同,又存在着相互关联,因此应用中值定理的基本方法是针对所要证明的等式、不等式,分析其结构特征,结合所给的条件选定合适的闭区间上的连续函数,套用相应的中值定理进行证明。这一过程要求我们非常熟悉三大中值定理的条件和结论,并且掌握一定的函数构造技巧。
例一.设)(x ϕ在[0,1]上连续可导,且1)1(,0)0(==ϕϕ。证明:任意给定正整数b a ,,必存在(0,1)内的两个数ηξ,,使得b a b a +='+')
()(ηϕξϕ成立。 证法1:任意给定正整数a ,令)()(,)(21x x f ax x f ϕ==,则在[0,1]上对)(),(21x f x f 应用柯西中值定理得:存在)1,0(∈ξ,使得a a a =--=')0()1(0)(ϕϕξϕ。 任意给定正整数b ,再令)()(,)(21x x g bx x g ϕ==,则在[0,1]上对)(),(21x g x g 应用柯西中值定理得:存在)1,0(∈η,使得b b b =--=')
第二类积分中值定理
第二类积分中值定理是与函数的导数有密切关系的积
分中值定理。它表明,如果函数f(x)在区间[a, b]上连续,且g(x)是f(x)在[a, b]上的一个原函数(即g'(x) = f(x)),则存在c∈(a, b),使得∫[a, b] f(x)g(x) dx = f(c)∫[a, b] g(x) dx。这个定理的证明依赖于积分的定义以及导数的中值定理。
积分第二中值定理英文
The Second Mean Value Theorem for Integrals
The Second Mean Value Theorem for Integrals, also known as the Integral Mean Value Theorem, is a fundamental result in calculus that establishes a relationship between the average value of a function over an interval and the function's value at a certain point within that interval. This theorem is an extension of the Mean Value Theorem for Derivatives and is often used in the analysis of definite integrals.
Statement of the Theorem:
Let f(x) be a continuous function on the closed interval [a, b] and let g(x) be a non-negative, integrable function on [a, b]. If g(x) does not change sign on [a, b], then there exists a point c in (a, b) such that the integral of f(x) * g(x) from a to b is equal to f(c) times the integral of g(x) from a to b.
二元积分中值定理公式
一、二元积分中值定理的定义及意义
二元积分中值定理是微积分中的一个重要定理,它为我们研究多元函数的性质提供了有力的工具。该定理指出:在二元函数的某一区域内,存在一个二维平面上的点,使得该点处的函数值与该点所在边界上的函数值之间存在一定的联系。简而言之,二元积分中值定理揭示了多元函数在空间中的变化规律,有助于我们更好地理解和分析多元函数的图像和性质。
二、二元积分中值定理的公式
二元积分中值定理的公式如下:
设函数f(x, y)在区域D上有界,D包含在x轴和y轴的交点围成的四边形内。在D内存在一个点(a, b),使得:
∫∫D f(x, y) dxdy = f(a, b) × ∫∫D dxdy
其中,∫∫D f(x, y) dxdy 表示二元积分,f(a, b) 表示点(a, b)处的函数值,∫∫D dxdy 表示D区域的面积。
三、二元积分中值定理的应用实例
1.计算平面区域的面积:利用二元积分中值定理,我们可以求解某一平面区域的面积。例如,计算三角形、矩形、圆形等形状的面积。
2.研究多元函数的性质:通过二元积分中值定理,我们可以分析多元函数在特定区域内的变化规律,例如研究函数的极值、拐点等。
3.求解微分方程:将二元积分中值定理应用于微分方程,可以简化求解过程,例如求解热传导方程、波动方程等。
四、提高二元积分中值定理计算效率的方法
1.选择合适的积分区域:合理划分积分区域,可以减少计算量,提高计算效率。
2.简化被积函数:通过变量代换、部分分式分解等方法,简化被积函数,有助于提高积分速度。
1 积分第二中值定理的证明
积分中值定理无论在理论还是在应用上在积分学中都有重要意义,所谓积分第二中值定理则比积分第一中值定理更为精细下面给出该定理与其证明。
定理1[1]:设f(x)在[a,b]上可积,g(x)在[a,b]上单调且在a、b处连续,那么在[a b]上存在ξ使
dx x f b g dx x f a g dx x g x f a
b
b
a
)()()()()()( (1)
证明:假设g(x)单调减少且非负,将区间[a,b]分成几部分,即a=x 0<x 1<x 2…<x n =b;
△x k =x k -x k -1(k=1,2,…,n)记λ=max{△x 1…△x n }则
b a
dx x g x f )()(].,[,)()(lim 110
1
k
k x x k n k k x x dx x f g k
k
。由于g(x)单调减少且非负即)
(1 g )(2
g … )(n g 0而
x
a
x
a
n
k x x b x a b
x a dx u f dx x f du u f k
k )(sup )()(inf 1
1
根据阿贝尔引理
x
a
b x a x x x a
n k k b
x a du u f g dx x f g du u f g k k )(sup )()()()(inf )(11
11
当0 有)()(1
a g g 即:
x
a
x
a
b x a b
a
b x a du u f a g dx x g x f du u f a g )(sup )()()()(inf )(。所以,当0)( a g 时()(a g =0显然无须证明)。
关于积分第二中值定理的推广及
其证明
我们都知道积分第一中值定理:
若 f 在 [a,b] 上连续,则至少存在一点
\xi\in(a,b) ,使得\int^b_af(x)dx=f(\xi)(b-a)
证明:因为 f(x) 在 [a,b] 连续,则根据最大最小值定理,存在最大值 M 与最小值 m ,有
m\leq f(x)\leq M
对上述不等式积分,可得
m(b-a) \leq \int^b_a f(x) \leq M(b-a)
即为 m\leq \frac{\int^b_a f(x)}{b-a} \leq M ,有连续函数的介值性可知对任何一个介于 M 与 m 的值,均有
f(\xi)= \frac{\int^b_a f(x)}{b-a}
从而
\int^b_af(x)dx=f(\xi)(b-a)
我们可以将上述中值定理做推广
若 f 与 g 在 [a,b] 上连续,且 g(x) 在 [a,b] 上
不变号,则至少存在一点 \xi\in(a,b) ,使得
\int^b_af(x)g(x)dx=f(\xi)\int^b_ag(x)dx
这样,之前的积分中值定理就是该定理的特例.我们可以利用Cauchy中值定理给出一个简单的证明.
证明:我们先用变限积分给出上述积分对应的函数
F(x)=\int^x_af(t)g(t)dt \ \ \ \ G(x)=\int^x_ag(t)dt
这两个函数均在 [a,b] 上可导. g(x) 不变号,从而不为零,也就不能同时为零.
并且 G(x)\ne 0=G(a)
满足条件,使用Cauchy中值定理.
积分第二中值定理的证明回复
积分第二中值定理的证明如下:
设$f(x)$在$[a,b]$内连续,则存在$c\in[a,b]$,使得
$$\int_a^bf(x)dx=f(c)(b-a)$$
证明:
考虑将$[a,b]$分成$n$个相等的小区间,每个小区间的长度为$\Delta x=\frac{b-a}{n}$,分别记为
$[x_0,x_1],[x_1,x_2],...,[x_{n-1},x_n]$,其中
$x_0=a,x_n=b$。
对于每个小区间$[x_{i-1},x_i]$,根据拉格朗日中值定理,存在$x_i^*\in[x_{i-1},x_i]$,使得
$$\int_{x_{i-1}}^{x_i}f(x)dx=f(x_i^*)\Delta x$$
将上述式子对$i=1,2,...,n$进行求和,有
$$\int_a^bf(x)dx=\sum_{i=1}^nf(x_i^*)\Delta x$$
由于$f(x)$在$[a,b]$内连续,因此$f(x)$在
$[a,b]$内一定有界,即存在$M>0$,使得$|f(x)|\le
M$,$\forall x\in[a,b]$。于是有
$$\left|\sum_{i=1}^nf(x_i^*)\Delta x\right|\le
\sum_{i=1}^n|f(x_i^*)|\Delta x\le M\sum_{i=1}^n\Delta x=(b-a)M$$
令$\Delta x\rightarrow0$,则有$n\rightarrow
\infty$,$x_i^*\rightarrow c$,其中$c\in[a,b]$。因此,
二重积分的中值定理怎么理解
积分中值定理,是一种数学定律。分为积分第一中值定理和积分第二中值定理,它们各包含两个公式。其中,积分第二中值定理还包含三个常用的推论。
积分中值定理揭示了一种将积分化为函数值,或者是将复杂函数的积分化为简单函数的积分的方法,是数学分析的基本定理和重要手段,在求极限、判定某些性质点、估计积分值等方面应用广泛。
二重积分的中值定理:设f(x,y)在有界闭区域D上连续,是D的面积,则在D内至少存在一点,使得定理证明设(x)在上连续,且最大值为,最小值为,最大值和最小值可相等。由估值定理可得同除以(b-a)从而由连续函数的介值定理可知,即:命题得证。
积分中值定理在应用中所起到的重要作用是可以使积分号去掉,或者使复杂的被积函数化为相对简单的被积函数,从而使问题简化。
因此,对于证明有关题设中含有某个函数积分的等式或不等式,或者要证的结论中含有定积分,或者所求的极限式中含有定积分时,一般应考虑使用积分中值定理,去掉积分号,或者化简被积函数。
三个中值定理的内容
拉格朗日中值定理:中值定理是微积分学中的基本定理,由四部分组成。内容是说一段连续光滑曲线中必然有一点,它的斜率与整段曲线平均斜率相同。中值定理又称为微分学基本定理,拉格朗日定理,拉格朗日中值定理,以及有限改变量定理等。
柯西中值定理:柯西中值定理是拉格朗日中值定理的推广,是微分学的基本定理之一。其几何意义为,用参数方程表示的曲线上至少有一点,它的切线平行于两端点所在的弦。该定理可以视作在参数方程下拉格朗日中值定理的表达形式。
积分中值定理:积分中值定理,是一种数学定律。分为积分第一中值定理和积分第二中值定理,它们各包含两个公式。其中,积分第二中值定理还包含三个常用的推论。这个定理的几何意义为:若f(x)≥0,x∈[a,b],则由x轴、x=a、x=b及曲线y=f(x)围成的曲边梯形的面积等于一个长为b-a,宽为f(ξ)的矩形的面积。
积分中值定理,是一种数学定律。分为积分第一中值定理和积分第二中值定理,它们各包含两个公式。其中,积分第二中值定理还包含三个常用的推论。
积分中值定理揭示了一种将积分化为函数值,或者是将复杂函数的积分化为简单函数的积分的方法,是数学分析的基本定理和重要手段,在求极限、判定某些性质点、估计积分值等方面应用广泛。
二重积分的中值定理:设f(x,y)在有界闭区域D上连续,是D的面积,则在D内至少存在一点,使得定理证明设(x)在上连续,且最大值为,最小值为,最大值和最小值可相等。由估值定理可得同除以(b-a)从而由连续函数的介值定理可知,即:命题得证。
积分中值定理在应用中所起到的重要作用是可以使积分号去掉,或者使复杂的被积函数化为相对简单的被积函数,从而使问题简化。
因此,对于证明有关题设中含有某个函数积分的等式或不等式,或者要证的结论中含有定积分,或者所求的极限式中含有定积分时,一般应考虑使用积分中值定理,去掉积分号,或者化简被积函数。