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泰勒公式应用: K值法证明中值公式

  • 泰勒公式应用: K值法证明中值公式

(1)设f(x)f(x)在[a,b][a,b]上三次可导,试证:∃c∈(a,b)\exists c\in (a,b)

f(b)=f(a)+f′(a+b2)(b−a)+124f′′′(c)(b−a)3.f(b)=f(a)+f^{\prime}\left(\frac{a+b}{2}\right)(b-a)+\frac{1}{24} f'''(c)(b-a)^{3} .

(2) 设 f(x)f(x) 在 [a,b][a, b] 上有二阶导数. 试证: ∃c∈\exists c \in (a,b)(a, b), 使得

∫abf(x)dx=(b−a)f(a+b2)+124f′′(c)(b−a)3. \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x=(b-a) f\left(\frac{a+b}{2}\right)+\frac{1}{24} f^{\prime \prime}(c)(b-a)^{3} \text {. }

证明 (1)k值法.

设kk为使下列等式成立的实数,

f(b)−f(a)−f′(a+b2)(b−a)−124k(b−a)3=0.f(b)-f(a)-f^{\prime}\left(\frac{a+b}{2}\right)(b-a)-\frac{1}{24} k(b-a)^{3}=0 .

这时, 我们的问题归为证明: ∃c∈(a,b)\exists c \in(a, b), 使得k=f′′′(c)k=f^{\prime \prime \prime}(c).

令

g(x)=f(x)−f(a)−f′(a+x2)(x−a)−k24(x−a)3.g(x) = f(x)-f(a)-f^{\prime}\left(\frac{a+x}{2}\right)(x-a)-\frac{k}{24}(x-a)^{3}.

则 g(a)=g(b)=0g(a)=g(b)=0.

根据 Rolle 定理, ∃ξ∈(a,b)\exists \xi \in(a, b), 使得 g′(ξ)=0g^{\prime}(\xi)=0, 即 :

f′(ξ)−f′(a+ξ2)−f′′(a+ξ2)(ξ−a)2−k8(ξ−a)2=0(A)f^{\prime}(\xi)-f^{\prime}\left(\frac{a+\xi}{2}\right)-f^{\prime \prime}\left(\frac{a+\xi}{2}\right) \frac{(\xi-a)}{2}-\frac{k}{8}(\xi-a)^{2}=0\quad (A)

这是关于 kk 的方程, 注意到 f′(ξ)f^{\prime}(\xi) 在点 a+ξ2\dfrac{a+\xi}{2} 处的 Taylor 公式:

f′(ξ)=f′(a+ξ2)+f′′(a+ξ2)(ξ−a)2+12f′′′(c)(ξ−a2⋅)2,(B)f^{\prime}(\xi)=f^{\prime}\left(\frac{a+\xi}{2}\right)+f^{\prime \prime}\left(\frac{a+\xi}{2}\right) \frac{(\xi-a)}{2}+\frac{1}{2} f^{\prime \prime \prime}(c)\left(\frac{\xi-a}{2 \cdot}\right)^{2},(B)

其中 c∈(a,b)c \in(a, b). 比较 (A)、(B) 可得k=f′′′(c)k=f^{\prime \prime \prime}(c). 证毕.

(2)对函数 F(x)=∫axf(t)dtF(x)=\int_{a}^{x} f(t) \mathrm{d} t 利用(1)结果, 得

F(b)=F(a)+F′(a+b2)(b−a)+124F′′′(c)(b−a)3F(b)=F(a)+F^{\prime}\left(\dfrac{a+b}{2}\right)(b-a)+\dfrac{1}{24} F'''(c)(b-a)^{3}

由于F(b)=∫abf(t)dt,F(a)=0,F′(x)=f(x)F(b)=\int_{a}^{b} f(t) \mathrm{d} t ,F(a)= 0, F'(x)=f(x)

得到:

∫abf(x)dx=(b−a)f(a+b2)+124f′′(c)(b−a)3. \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x=(b-a) f\left(\frac{a+b}{2}\right)+\frac{1}{24} f^{\prime \prime}(c)(b-a)^{3} \text {. }