Раздел II. Дифференциальное исчисление функций одной переменной — § 6. Теоремы Ролля, Лагранжа и Коши

Демидович — задача 1246

Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие и подробное решение по шагам.

Задача 1246

Найти функцию θ=θ(x,Δx)\theta=\theta(x,\Delta x) такую, чтоf(x+Δx)−f(x)=Δx f′(x+θΔx)(0<θ<1),f(x+\Delta x)-f(x)=\Delta x\,f'(x+\theta\Delta x)
\qquad(0<\theta<1),
если:а) f(x)=ax2+bx+c(a≠0);б) f(x)=x3;\text{а) }f(x)=ax^2+bx+c\quad(a\ne0);
\qquad
\text{б) }f(x)=x^3;
в) f(x)=1x;г) f(x)=ex.\text{в) }f(x)=\frac1x;
\qquad
\text{г) }f(x)=e^x.

Решение

Обозначим h=Δxh=\Delta x. При h=0h=0 равенство выполняется для любого 0<θ<10<\theta<1; далее считаем h≠0h\ne0. В пункте в) требуется x(x+h)>0x(x+h)>0, иначе отрезок пересекает точку, где функция не определена. Рассмотрим четыре функции.

Пункт а)

Для квадратичной функции f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c
Найдём разность функции на концах интервалаf(x+Δx)−f(x)=a(x+Δx)2+b(x+Δx)+c−(ax2+bx+c)f(x+\Delta x) - f(x) = a(x+\Delta x)^2 + b(x+\Delta x) + c - (ax^2+bx+c)Раскрывая скобки и приводя подобные, получимf(x+Δx)−f(x)=2axΔx+aΔx2+bΔxf(x+\Delta x) - f(x) = 2ax\Delta x + a\Delta x^2 + b\Delta xПроизводная функции равна f′(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b
Запишем выражение для правой части формулы ЛагранжаΔxf′(x+θΔx)=Δx(2a(x+θΔx)+b)\Delta x f'(x+\theta\Delta x) = \Delta x (2a(x+\theta\Delta x) + b)Приравняем обе частиΔx(2ax+aΔx+b)=Δx(2ax+2aθΔx+b)\Delta x (2ax + a\Delta x + b) = \Delta x (2ax + 2a\theta\Delta x + b)Поскольку Δx≠0\Delta x \ne 0, можно сократить на Δx\Delta x и вычесть одинаковые слагаемые с обеих сторонaΔx=2aθΔxa\Delta x = 2a\theta\Delta xТак как a≠0a \ne 0, окончательно получаемθ=12\theta = \frac{1}{2}

Пункт б)

Для f(x)=x3f(x)=x^3 раскрываем куб:(x+h)3−x3=h(3x2+3xh+h2).(x+h)^3-x^3=h(3x^2+3xh+h^2).Поэтому условие f(x+h)−f(x)=hf′(x+θh)f(x+h)-f(x)=hf'(x+\theta h) после деления на 3h3h принимает вид(x+θh)2=Q,Q=x2+xh+h23.(x+\theta h)^2=Q,\qquad Q=x^2+xh+\frac{h^2}{3}.Если обозначить c=x+θhc=x+\theta h, возможны два значения c=±Qc=\pm\sqrt Q. Нужно выбрать значение между концами отрезка, а затем положить θ=(c−x)/h\theta=(c-x)/h.

Дадим правило выбора, действующее при любом xx и любом ненулевом hh. Пусть u=min⁡(x,x+h)u=\min(x,x+h), v=max⁡(x,x+h)v=\max(x,x+h). Тогда u<vu<v иQ=u2+uv+v23>0,Q=\frac{u^2+uv+v^2}{3}>0,поскольку u2+uv+v2=(u+v/2)2+3v2/4u^2+uv+v^2=(u+v/2)^2+3v^2/4 и концы не могут одновременно быть нулём. Возьмёмc={Q,u+v≥0,−Q,u+v<0.c=\begin{cases}\sqrt Q,&u+v\ge0,\\-\sqrt Q,&u+v<0.\end{cases}Проверим выбор. Если u+v≥0u+v\ge0, то v>0v>0 иv2−Q=(v−u)(2v+u)3>0,v^2-Q=\frac{(v-u)(2v+u)}3>0,так как 2v+u≥v>02v+u\ge v>0. Значит, c<vc<v. При u≤0u\le0 также c>uc>u. При u>0u>0 имеемQ−u2=(v−u)(v+2u)3>0,Q-u^2=\frac{(v-u)(v+2u)}3>0,откуда c>uc>u. Таким образом, u<c<vu<c<v.

Если u+v<0u+v<0, заменим отрезок на [−v,−u][-v,-u]. Сумма его концов положительна, QQ не меняется. Уже доказанное даёт −v<Q<−u-v<\sqrt Q<-u, то есть u<−Q<vu<-\sqrt Q<v. И здесь выбор верен.

Итак, одна искомая функция задаётся формулойθ=−x+sx2+xh+h2/3h,s={1,2x+h≥0,−1,2x+h<0.\boxed{\theta=\frac{-x+s\sqrt{x^2+xh+h^2/3}}h},\qquad
s=\begin{cases}1,&2x+h\ge0,\\-1,&2x+h<0.\end{cases}
Поскольку cc строго между xx и x+hx+h, имеем 0<θ<10<\theta<1 при любом знаке hh. Иногда подходят оба корня; для задачи достаточно указанного выбора.

Пункт в)

Для функции f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x}
Левая часть1x+Δx−1x=−Δxx(x+Δx)\frac{1}{x+\Delta x} - \frac{1}{x} = \frac{-\Delta x}{x(x+\Delta x)}Производная равна f′(x)=−1x2f'(x) = -\frac{1}{x^2}
Правая частьΔx(−1(x+θΔx)2)\Delta x \left( -\frac{1}{(x+\theta\Delta x)^2} \right)Приравняем части и учтём, что для непрерывности функции xx и x+Δxx+\Delta x обязаны иметь одинаковый знак1x(x+Δx)=1(x+θΔx)2  ⟹  (x+θΔx)2=x(x+Δx)\frac{1}{x(x+\Delta x)} = \frac{1}{(x+\theta\Delta x)^2} \implies (x+\theta\Delta x)^2 = x(x+\Delta x)Точка x+θΔxx+\theta\Delta x лежит между xx и x+Δxx+\Delta x, значит она имеет с ними один и тот же знакx+θΔx=sgn⁡(x)x(x+Δx)x+\theta\Delta x = \operatorname{sgn}(x)\sqrt{x(x+\Delta x)}Так как sgn⁡(x)=x∣x∣\operatorname{sgn}(x) = \frac{x}{|x|}, можно вынести xx за знак корняx+θΔx=x1+Δxxx+\theta\Delta x = x\sqrt{1+\frac{\Delta x}{x}}Выразим искомую величинуθ=xΔx(1+Δxx−1)\theta = \frac{x}{\Delta x}\left(\sqrt{1+\frac{\Delta x}{x}} - 1\right)

Пункт г)

Для экспоненциальной функции f(x)=exf(x) = e^x
Левая частьex+Δx−ex=ex(eΔx−1)e^{x+\Delta x} - e^x = e^x(e^{\Delta x} - 1)Производная равна f′(x)=exf'(x) = e^x
Правая частьΔxex+θΔx=ΔxexeθΔx\Delta x e^{x+\theta\Delta x} = \Delta x e^x e^{\theta\Delta x}Приравняем и сократим на exe^xeΔx−1=ΔxeθΔx  ⟹  eθΔx=eΔx−1Δxe^{\Delta x} - 1 = \Delta x e^{\theta\Delta x} \implies e^{\theta\Delta x} = \frac{e^{\Delta x} - 1}{\Delta x}Логарифмируя обе части, находим θ\thetaθΔx=ln⁡eΔx−1Δx  ⟹  θ=1Δxln⁡eΔx−1Δx\theta\Delta x = \ln\frac{e^{\Delta x} - 1}{\Delta x} \implies \theta = \frac{1}{\Delta x}\ln\frac{e^{\Delta x} - 1}{\Delta x}

Проверка

В пункте в) после умножения на сопряжённое выражение ответ можно записать как θ=1/(1+1+h/x)\theta=1/(1+\sqrt{1+h/x}). При x(x+h)>0x(x+h)>0 корень положителен, поэтому 0<θ<10<\theta<1. В пункте г) теорема Лагранжа гарантирует существование внутренней точки, а строгая монотонность ete^t — её единственность. Следовательно, найденное из равенства значение θ=h−1ln⁡((eh−1)/h)\theta=h^{-1}\ln((e^h-1)/h) тоже принадлежит (0,1)(0,1).
Демидович № 1246 — решение | Высшая математика — Профиматика