(完整word版)积分第一中值定理及其推广证明
浅谈关于改进的积分第一中值定理及其应用
浅谈关于改进的积分第一中值定理及其应用摘 要文章针对传统教材中的“第一积分中值定理”和“广义第一积分中值定理”进行了改进,对积分第一中值定理在完全相同的条件下进行了改进和加强。
积分第一中值定理是 《数学分析》 和 《高等数学》 中的一个基本定理,在积分学中占有重要地位。
但由于现行诸教材[1 ]～[5]。
有关原积分第一中值定理所给出的结论较弱(中值点ξ∈[a ,b]) ,使得其应用受到很大的局限(参见本文的例1-例4) 。
本文将在同样的条件下,对原定理进行改进(见文中的定理1和定理2) ,以得出较强的结论(中值点ξ∈( a , b) ) ,并给出了应用举例,可以看出改进后定理的应用更广泛、更有效。
关键词: 积分第一中值定理 介值定理 广义第一积分中值定理 夹逼定理1、改进的积分第一中值定理为了便于比较,我们先给出传统的积分第一中值定理原第一积分中值定理:若函数 在()f x 上[ a , b] 连续,则至少存在一点ξ∈[ a , b] ,使得b()()()af x dx f b a ξ=-⎰。
原推广积分第一中值定理：若f 与g 都在[a,b]上连续，且g(x)在[a,b]上不变号，则至少存在一点[,]a b ξ∈，使得()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰（当()1g x ≡时）。
引理1:若函数()f x 在[ a , b]上连续、非负,且存在 0x ∈[ a , b]使得 0()f x >0 ,则必有()0baf x dx >⎰。
定理1：改进后的第一积分中值定理:若函数()f x 在[ a , b]上连续,则至少存在一点ξ∈( a ,b) ,使得()()()baf x dx f b a ξ=-⎰。
证明： 因函数()f x 在[ a , b]上连续,根据最值定理,所以()f x 在[ a , b]上有最大值 M 和最小值 m 。
现不妨设 1()f x = m , 2()f x = M , 12,x x ∈[ a , b]。
推广的积分中值定理及其应用
推广的积分中值定理及其应用摘要:定积分是微积分的重要组成部分,而积分中值定理是定积分的重要性质之一,所以积分中值定理在微积分中占了很重要的地位,本文系统的叙述了推广的积分中值定理包括:ξ必可以在开区间中取得,导函数的积分中值定理等多个方面,我们所学知识中积分中值定理与微分中值定理的中间点的存在区间是不统一的,但推广后的积分中值定理能够与微分中值定理的存在区间从形式上统一起来,使与其相关的理论得以联系和应用.同时,在本篇论文中以实例的形式列举了推广的积分中值定理在确定零点分布、证明积分不等式、求极限等方面的应用,显然,推广的积分中值定理的优点就在于此,它可以解决原积分中值定理无法解决的问题,这表明了积分中值定理在推广后更具有应用性.关键词:积分中值定理;导函数;微分中值定理Promotion of Integral Mean ValueTheorem and Its ApplicationAbstract:Definite integral is an important component of calculus, the mean value theorem is one of the important properties of the definite integral, so integral mean value theorem in calculus plays a very important position .This paper describes the system topromote the integral mean value theorem, including: ξwill be achieved in the open interval ,of the derivatives and other integral mean value theorem, we have the knowledge of the differential mean value theorem and the Intermediate Value Theorem Existence interval is not uniform, but after the promotion of integral mean value theorem and the Mean Value Theorem to the presence of range from the formal unity, so that contact can be associated with the theory and application. Meanwhile, in this paper an example to cite a form of integral mean value theorem in determining the zeros to prove inequality, such as the application of limit, obviously, to promote the advantages of integral mean value theorem in this, it Can solve the original integral mean value theorem can not solve the problem, suggesting that the integral mean value theorem in the promotion of a more applied after.Keywords: Integral mean value theorem, derivative, mean value theorem1预备知识在本部分中具体叙述了这篇论文中所需要的相关知识,包括导函数介值性定理、拉格朗日中值定理以及变上限积分函数的定义和性质等,这些理论知识为第二部分的定理推导以及证明做了铺垫,所以起了重要的作用.1.1设()g x 在[,]a b 上非负可积,且()0abg x dx >⎰则存在[,](,)c d a b ⊂使得()0dcg x d x >⎰1.2 设()f x 在[,]a b 上连续,0x ,1x ,2x [,]a b ∈若10()()f x f x >,20()()f x f x <,则存在(,)a b ξ∈,使得0()()f f x ξ=1.3若函数()f x 在[,]a b 上可导,且''()()f a f b +-≠,k 为介于'()f a +,'()f b -之间的任意数,则在(,)a b 内至少存在一点ξ,使得'()f k ξ=1.4若'()f x 为[,]a b 上的非负导函数,且存在0[,]x a b ∈,使'0()0f x >,则必有'()0baf x dx >⎰1.5（拉格朗日中值定理）若函数()f x 满足如下条件: （1）()f x 在闭区间[,]a b 上连续; （2）()f x 在开区间(,)a b 内可导;则在(,)a b 内至少存在一点ξ使得'()()()f b f a f b aξ-=-1.6变上限积分函数:设()f x 在[,]a b 上可积,x 为[,]a b 内任意一点,则称函数()()xax f t dt φ=⎰为变上限积分函数1.7变上限积分函数有以下若干性质 （1）有界性命题1 设函数()f x 在[,]a b 上可积,则()x φ在[,]a b 上有界（2）连续性命题2 设函数()f x 在[,]a b 上可积,则()x φ在[,]a b 上连续 （3）可积性命题3 设函数()f x 在[,]a b 上可积,则()x φ在[,]a b 上可积 （4）可微性（原函数存在定理）()f x 在[,]a b 上连续,则()x φ在[,]a b 上处处可导.且'()()()xad x f t dt f x dx φ==⎰ [,]x a b ∈2 推广的积分中值定理积分第一中值定理在数学分析教材中为:若()f x 在[,]a b 上连续,则至少存在一点[,]a b ξ∈,使得()()()baf x dx f b a ξ=-⎰推广的积分第一中值定理在数学分析教材中为:()f x ,()g x 都在[,]a b 上连续,且()g x 在[,]a b 上不变号,则至少存在一点[,]a b ξ∈,使得()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰我们知道积分中值定理可用于确定数列及函数列的极限,确定零点分布,判别函数的敛散性,证明积分不等式等.但观察上述式子我们发现ξ的取值有时会在两个端点处取得,有的习题用原有的积分中值定理不能够解答出来.例如在证明积分不等式时,运用原有的积分中值定理我们只可以证明≤或≥的情况,所以带有一定的局限性.下面我们对原有的积分中值定理做一下加强,使“ξ”的范围由闭区间缩小到开区间,即得到了下面所叙述的推广的积分中值定理.2.1积分第一中值定理的推广定理 2.1(1)若()f x 在闭区间[,]a b 上连续,则在开区间(,)a b 内至少存在一点ξ使得:()()()baf x dx f b a ξ=-⎰成立证明: 作辅助函数()()x aF x f t dt =⎰ [,]x a b ∈则()F x 是[,]a b 的可微函数,且'()()F x f x =.由微积分学中值定理,至少存在一点(,)a b ξ∈,使得:'()()()()F b F a F b a ξ-=-注意到()()ba Fb f x dx =⎰,()0F a =,即有()()()baf x dx f b a ξ=-⎰(,)a b ξ∈2.2推广的第一积分中值定理的加强引理1 设()g x 在[,]a b 上非负可积,且()0ba g x dx >⎰,则存在[,](,)c d ab ⊂使得()0dcg x dx >⎰证明:用反证法作辅助函数()()b x a xG x g t dt -+=⎰[0,]2b a x -∈,则()G x 是[0,]2b a-上的非负连续函数.若命题不成立,则对任意的(0,)2b ax -∈有()G x ≡0,令x o →+,得(0)()0b a G g t dt ==⎰,产生矛盾.引理2 ()f x 在[,]a b 上连续,0x ,1x ,2x [,]a b ∈,若10()()f x f x >,20()()f x f x <,则存在(,)a b ξ∈,使得0()()f f x ξ=证明:作辅助函数0()()()H x f x f x =-,我们不妨设12x x <,因为()f x 在[,]a b 上连续,故()H x 也连续,从而在12[,]x x 上连续.1()0H x >,2()0H x <由连续函数的零点定理知存在12(,)x x ξ∈使得()0H ξ=即当然0()()f f x ξ=其中(,)a b ξ∈.引理3 若()g x 在[,]a b 上连续且不恒为零,则积分()0ba g x dx >⎰证明:倘若有某0[,]x a b ∈,使0()0g x >,由连续函数的局部保号性知存在0x 的某邻域00(,)x x δδ-+,使在其中0()()02g x g x ≥>,则 00000000()()()()()00()02bx x b x aax x x g x g x dx g x dx g x dx g x dx dx g x δδδδδδδ-++-+-=++≥++=>⎰⎰⎰⎰⎰证毕.定理 2.2 设()f x 在[,]a b 上连续,()g x 在[,]a b 上可积不变号,则至少存在一点(,)a b ξ∈使得()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰证法1(2)证明:1︒()0bag x dx =⎰时,此时,由推广的积分中值定理知,存在[,]a b ξ∈使得()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰=0于是对任意的0(,)x a b ∈有0()()()()bbaaf xg x dx f x g x dx =⎰⎰命题成立2︒当()0g x ≥，且()0bag x dx >⎰时，若命题不成立，即不存在(,)a b ξ∈，使得()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰则由推广的积分中值定理知，只能有()()()()b baaf xg x dx f a g x dx =⎰⎰ （1）或者 ()()()()b baaf xg x dx f b g x dx =⎰⎰ 成立 （2）若是命题不成立而（1）成立,则在(,)a b 内()()f x f a ≠ 由引理2在(,)a b 内恒有()()f x f a >或者()()f x f a <,不妨设()()f x f a >,而对()g x 运用引理2存在[,](,)c d a b ⊂,使得()0dc g x dx >⎰于是()()()()()()()()()()bbcdbaaacdf ag x dx f x g x dx f x g x dx f x g x dx f x g x dx ==++⎰⎰⎰⎰⎰=123()()()()()()c d bacdf g x dx f g x dx f g x dx ξξξ++⎰⎰⎰其中1[,]a c ξ∈,2[,]c d ξ∈,3[,]d b ξ∈,这是根据推广的积分中值定理得出的,由于1()()f f a ξ≥,()0cag x dx ≥⎰,2()()f f a ξ>,()0dcg x dx >⎰,3()f ξ中的3b ξ≠时3()()f f a ξ>.当3b ξ=时,对()()f x f a >,0x b →-,由()f x 在[,]a b 上的连续性可知,()()f b f a ≥而()0dd g x dx ≥⎰,综上可得到()()()()()()()()()()b c d b baacdaf ag x dx f a g x dx f a g x dx f a g x dx f a g x dx >++>⎰⎰⎰⎰⎰这是一个矛盾,因此命题成立.若是命题不成立而（2）成立,同样可得出矛盾,因此定理得以证明3︒ 当()0g x ≤,且()0ba g x dx <⎰时此时()0g x -≥,且[()]0bag x dx ->⎰,由情形2的讨论知,存在(,)a b ξ∈,使得()[()]()[()]bb aaf xg x dx f g x dxξ-=-⎰⎰ 即有()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰ (,)a b ξ∈总之,定理2.2完全得以证明证法2(3)证明:令()()xaF x f t dt =⎰,由拉格朗日中值定理知,(,)a b ξ∃∈,使得'()()()F b F a F b aξ-=-,即()()()baf x dx f b a ξ=-⎰不妨设()0g x ≥,[,]x a b ∈,若()g x 在[,]a b 上恒为零,则结论显然成立.若()g x 在[,]a b 上连续且不恒为零,则积分()0ba g x dx >⎰令()()()x aF x f t g t dt =⎰,()()xaG x g t dt =⎰,在[,]a b 上应用柯西中值定理，(,)a b ξ∃∈,使''()()()()()()()()()()()()()babaf tg t dtF b F a F f g fG b G a G g g t dtξξξξξξ-=⇒==-⎰⎰即()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰2.3积分第二中值定理的推广在数学分析教材中积分第二中值定理是这样叙述的,设函数()f x 在[,]a b 上可积 （1）若函数()g x 在[,]a b 上减,且()0g x ≥,则存在[,]a b ξ∈,使得()()()()baaf xg x dx g a f x dx ξ=⎰⎰（2）若函数()g x 在[,]a b 上增,且()0g x ≥,则存在[,]a b η∈,使得()()()()bbaf xg x dx g b f x dx η=⎰⎰其推论为:设函数()f x 在[,]a b 上可积,若()g x 为单调函数,则存在[,]a b ξ∈,使得()()()()()()bbaaf xg x dx g a f x dx g b f x dx ξξ=+⎰⎰⎰现在研究一下推论的情形:在第一积分中值定理中,我们把ξ的取值区间由闭区间缩小到开区间,但对于积分第二中值定理是否可以做这样的加强呢,看一下下面的例子:在闭区间[,]a b 上()1f x =,1[,)()2x a b g x x b ∈⎧=⎨=⎩若在(,)a b 上存在ξ使得()()()()()()bbaaf xg x dx g a f x dx g b f x dx ξξ=+⎰⎰⎰即 ()()()()2()2b a g a a g b b a b b a ξξξξξ-=-+-=-+-=--所以b ξ=,即ξ在[,]a b 的端点.这个例子告诉我们积分第一中值定理的加强结果对于积分第二中值定理不一定成立,但是这里的有限区间[,]a b 却可以换成[,)a +∞或(,]b -∞或(,)-∞+∞.此处只讨论第一种情况定理 2.3(4)设()g x 在[,)a +∞上单调有界,()f x 在[,)a +∞上可积,且()f x 没有+∞以外的瑕点,则存在[,)a ξ∈+∞使得()()()()()()aaf xg x dx g a f x dx g f x dx ξξ+∞+∞=++∞⎰⎰⎰这里()lim ()x g g x →+∞+∞=证明:不妨设()g x 在[,)a +∞上单调下降,由于()g x 有界,所以()g x 在+∞处有有限的极限,记为()g +∞,于是可记()()()G x g x g =-+∞,则()0G x ≥,而对于任意的有穷区间[,]a A ,由第二积分中值定理可知,总有[,]a A η∈使得:()()()()Aaaf x G x dx G a f x dx η=⎰⎰而()()A aF A f x dx =⎰是[,)a +∞上的关于A 的连续函数,又()f x 在[,)a +∞上可积,则()F A 在[,)a +∞上有有穷的下确界和上确界,不妨记[,)inf ()A a m F A ∈+∞=,[,)sup ()A a M F A ∈+∞=,则有()m F A M ≤≤又因为()()()()Aaaf x G x dx G a f x dx η=⎰⎰所以有()()()()AamG a G x f x dx MG a ≤≤⎰再令A →+∞,则有()()()()amG a G x f x dx MG a +∞≤≤⎰令 ()()()aG a G x f x dx μ+∞=⎰, （3）则有()()()mG a G a MG a μ≤≤如果()0G a ≠则m M μ≤≤,因为()()AaF A f x dx =⎰是[,)a +∞上的关于A 的连续函数,所以()F A 可以达到其上确界M 和下确界m 及上确界和下确界之间的任意值,即存在[,)a ξ∈+∞使得()af x dx ξμ=⎰将其带入（3）式就有()()()()aaG a f x dx G x f x dx ξ+∞=⎰⎰即(()())()(()())()aag a g f x dx g x g f x dx ξ+∞-+∞=-+∞⎰⎰所以()()()()()()aaf xg x dx g a f x dx g f x dx ξξ+∞+∞=++∞⎰⎰⎰如果()0G a =,因为()g x 在[,)a +∞上单调下降,所以()G x 在[,)a +∞上单调下降,又因为()0G x ≥即()0G x =所以()()g x g =+∞,即()g x =常数,那么对任意的[,)a ξ∈+∞,都有()()()()()()aaf xg x dx g a f x dx g f x dx ξξ+∞+∞=++∞⎰⎰⎰证毕.这个定理告诉我们:第二积分中值定理虽然在有限开区间上不一定成立,但在无穷区间上却是成立的.通过以上的推导过程我们会发现在积分中值定理的前提下,ξ必可以在开区间中取得.在微积分学中积分中值定理和微分中值定理两者在一定意义上是互逆的、对立的,这种辩证的对立统一使微积分的内容更加丰富多彩,但两者中间点ξ的存在区间是不统一的,给其相关理论和应用带来了不便,但改动之后,推广的积分中值定理与微分中值定理的取值区间得以统一,从而更能体现积分中值定理的中值性,以及两个定理之间的联系.一方面可由微分中值定理推出积分中值定理根据牛顿—莱布尼茨公式:()()()ba f x dx Fb F a =-⎰其中()F x 是()f x 在[,]a b 上的原函数即'()()F x f x =,[,]x a b ∈,显然()F x 在[,]a b 上满足拉格朗日中值定理的条件,于是至少存在一点(,)a b ξ∈使得'()()()()F b F a F b a ξ-=-()()f b a ξ=- (,)a b ξ∈即()()()baf x dx f b a ξ=-⎰(,)a b ξ∈另一方面,推广的积分中值定理推出微分中值定理:若()f x 在[,]a b 上有连续的导函数,直接计算得:'()()()baf x dx f b f a =-⎰ （4）而由推广的积分中值定理至少存在一点(,)a b ξ∈,使得''()()()baf x dx f b a ξ=-⎰（5）由（4）和（5）有'()()()()f b f a f b a ξ-=-,这正是微分中值定理.2.4 导函数的积分中值定理及其应用在微积分学中,积分中值定理与微分中值定理都有着很重要的地位,下面我们将积分中值定理条件下的连续函数推广到导函数,并用Darboux 定理给出了详尽的证明,由此我们得出了导函数积分中值定理.引理1(5)（Darboux ） 若函数()f x 在[,]a b 上可导,且''()()f a f b +-≠,k 为介于'()f a +,'()f b -之间的任意数,则在(,)a b 内至少存在一点ξ,使得'()f k ξ=引理2 若'()f x 为[,]a b 上的非负导函数,且存在0[,]x a b ∈,使'0()0f x >,则必有'()0baf x dx >⎰定理 2.4(6)若'()f x 为[,]a b 上的导函数,()g x 为[,]a b 上的连续函数,且()g x 在[,]a b 上不变号,则至少存在一点ξ[,]a b ∈,使得''()()()()bbaaf xg x dx f g x dx ξ=⎰⎰证明:不妨设()0g x ≥,'()f x 在[,]a b 上的最大值和最小值为别为M 与m ,其中M 可以取+∞,m 可以取-∞,在a 点取'()f a +,在b 点取'()f b -,令()0ba I g x dx =≥⎰,又'()()()()mg x f x g x Mg x ≤≤,([,])x a b ∈,则有'()()()()bbbaaam g x dx f x g x dx M g x dx ≤≤⎰⎰⎰当0I =或m M =时,任意取(,)a b ξ∈均可当0I >或m M <时,令'1()()b a u f x g x dx I=⎰ ()m u M ≤≤ 当m u M ≤≤时,由Darboux 定理知,至少存在一点(,)a b ξ∈,使得'()f u ξ= 当m u M =<时,利用反证法证明存在(,)a b ξ∈,使得'()f u ξ=若对一切的(,)x a b ∈,有'()0f x u ->且()0baI g x dx =>⎰,则()g x 在[,]a b 上不恒为零,即存在0[,]x a b ∈,使得0()0g x >,由连续函数的保号性知存在0x 的邻域00(,)x x σσ-+（当0x a =或0x b =时,则为右邻域或左邻域）使得对于任意的00(,)x x x σσ∈-+,有0()()02g x g x ≥>,则 0000'''0()(())()(())()(())2bx x ax x g x f x u g x dx f x u g x dx f x u dx σσσσ++--->-≥-⎰⎰⎰ 由引理2可得00'(())0x x f x u dx σσ+-->⎰,从而有'(())()0b af x ug x dx ->⎰另一方面:''0(())()()()()0bbbaaaf x ug x dx f x g x dx u g x dx uI uI <-=-=-=⎰⎰⎰出现矛盾,故原命题成立,即当m u M =<时,存在(,)a b ξ∈,使得'()f u ξ=当m u M <=时,同理可证必存在(,)a b ξ∈,使得'()f u ξ=成立同理可证二阶导函数,n 阶导函数对上述的导函数的积分中值定理成立,只要我们把它们看成一阶连续导函数和n-1阶连续导函数的导函数,便可用同样的方法得证.定理2.4的应用说明例1 设函数()f x 在[,]a b 上二次可微,证明存在一点(,)a b ξ∈,使得''324().[()()]()2b aa bf f x f dx b a ξ+=--⎰ 证明:记02a bx +=,将被积函数在0x x =处按泰勒公式展开,得 2'''0000()()()()()()2x x f x f x x x f x f η--=-+其中η在x 与0x 之间,因为'00()()0bax x f x dx -=⎰,即2''00()(()())()2bbaax x f x f x dx f dx η--=⎰⎰由定理知存在(,)a b ξ∈使32''''2''00()()()()()()12bba ab a x x f dx f x x dx f ηξξ--=-=⎰⎰从而''324().[()()]()2b a a bf f x f dx b a ξ+=--⎰例2 已知导函数'()f x 在[1,2]上有界,求证2'1lim ()0nx n f x e dx -→∞=⎰证明:导函数'()f x 在[1,2]上有界,所以存在正数M ,对[1,2]ξ∈,有'()f M ξ<,由定理1知,存在1(1,2)ξ∈,2(1,2)ξ∈, 使得222'''1111()()()n nnx x f x edx f edx f eξξξ---==⎰⎰从而有2'1lim ()0nx n f x e dx -→∞=⎰3 推广的积分中值定理的应用3.1用于确定零点分布例3 (7)证明:若()f x 在[,]a b 上连续,且()()0b ba af x dx xf x dx ==⎰⎰,则在(,)a b 内至少存在两点1x ,2x 使得12()()f x f x =证明:设()()xa F x f t dt =⎰那么我们有()()()0baf x dx F b F a =-=⎰,所以()()F b F a ==0又因为()()()()bbbba aaaxf x dx xdF x xF x F x dx ==-=⎰⎰⎰ ()()()()bF b aF a F b a ξ---所以可得; ()()()()b a F b F b a ξ-=-,所以()()()F b F F a ξ===0 证毕例4(8) 证明:若()f x 在[0,]π上连续,且0()()cos 0f x dx f x xdx ππ==⎰⎰,证明:存在两点1ξ,2ξ (0,)π∈,使得 12()()0f f ξξ==证明:令0()()xF x f t dt =⎰ 即'()()F x f x =,()(0)0F F π==00()cos cos ()cos ()()cos f x xdx xdF x xF x F x d xππππ==-⎰⎰⎰()sin ()sin .0F x xdx F πξξπ===⎰所以()0F ξ= (0,)ξπ∈,对()F x 在(0,)ξ,(,)ξπ上使用罗尔定理,即存在1(0,)x ξ∈,2(,)x ξπ∈满足'1()0F x =,'2()0F x =,即12()()0f x f x ==证毕 例5(3)假如()f x 在[0,]π上连续,且0()sin ()cos 0f x xdx f x xdx ππ==⎰⎰,则()f x 在(0,)π内至少有两个零点.证明:由已知条件,并运用推广的积分中值定理得0()sin ()sin 2()()0f x xdx f xdx f f ππξξξ===⇒=⎰⎰,(0,)ξπ∈即()f x 在(0,)π有一个零点，假如仅有一个零点x ξ=,则()f x 在[,]a ξ与[,]b ξ上均不变号,且异号,那么()sin()f x x dx ξ-在[0,]π上保持同号,连续且不恒为零,必有()sin()0f x x dx πξ->⎰（或0<）与已知0()sin()cos ()sin sin ()cos 0f x x dx f x xdx f x xdx πππξξξ-=-=⎰⎰⎰矛盾.3.2 证明积分不等式在证明积分不等式时,常常考虑积分中值定理以便去掉积分符号,如果被积函数是两个函数之积时,可考虑用积分第一或第二中值定理,对于某些不等式的证明运用原积分中值定理只能得到“≥”的结论,或者不等式根被就不能得以证明,而运用了推广的积分中值定理后,则可以得到“>”的结论,或者成功的解决.例6(9) 假设()f x 在[0,1]上连续并且单调递减,证明对任何的(0,1)a ∈有1()()af x dx a f x dx >⎰⎰证明:将要证的不等式移项11()()()()()aa a af x dx a f x dx f x dx a f x dx a f x dx -=--⎰⎰⎰⎰⎰1(1)()()aaa f x dx a f x dx =--⎰⎰因为()f x 单调递减,所以在区间[0,]a 上()()f x f a ≥,即0()()af x dx af a ≥⎰,再对上式右边第二项运用推广的积分中值定理,即存在ξ其中1a ξ<<,使上式变成1(1)()()(1)()()(1)(1)[()()]a aa f x dx a f x dx a af a af a a a f a f ξξ--≥---=--⎰⎰因为()f x 单调递减,且1a ξ<<,,所以(1)[()()]0a a f a f ξ-->,即得证.例7(9) 设()f x 在[,]a b 上连续且单调递增,证明()()2bbaaa b xf x dx f x dx +>⎰⎰证明:将要证的不等式移项,并分部积分得()()2bbaa ab xf x dx f x dx +-⎰⎰ 22()()()()()()222a bbb a b a a a b a b a bx f x dx x f x dx x f x dx +++++=-=-+-⎰⎰⎰ 令()()2a b g x x +=-,显然()f x ,()g x 在[,]2a b a +和[,]2a b b +上可积,且()g x 在[,]2a b a +和[,]2a b b +上不变号,由推广的积分中值定理知:即存在11()2a b a ξξ+<<,22()2a bb ξξ+<<,使得221222()()()()()()()()2222a ba bb b a b a b aa ab a b a b a b x f x dx x f x dx f x dx f x dxξξ++++++++-+-=-+-⎰⎰⎰⎰整理得221()[()()]8a b f f ξξ+-,因为()f x 是单调递增函数,122a b a b ξξ+<<<<,所以221()[()()]08a b f f ξξ+->,证毕. 在上述例子中我们可以看到有的题原积分中值定理不适用,而推广的积分中值定理可以将问题解决.在例6中如果运用原积分中值定理,由1a ξ≤≤只能得到“0≥”的结论;而在例7中也只能得到12()()f f ξξ≤的结论.3.3求极限例8(10)证明10lim 01nn x dx x→∞=+⎰ 证明:0ε∀>,如果取1[0,1]2ξε∈-,则有10lim 01nn dx ξξ→∞=+⎰,即N ∃,当n N >时,有12n ξεξ<+,又因为:11120012111n n n x x x dx dx dx x x x εε--=++++⎰⎰⎰对等式右边第一个积分运用中值定理,对第二个积分的被积函数用不等式011n x x <≤+,则有当n N >时有100[2]122n x dx x εε<<-+⎰,所以有10lim 01n n x dx x→∞=+⎰ 证毕.参考文献[1] 杨延龄,邹励农,章栋恩.高等数学微积分700例题[M].中国建材工业出版社.2004年10月.123页.[2] 陈卫星,马全中.关于积分中值定理及推广的积分中值定理的改进[J]. 中国煤碳经济学院学报,1994年,第1期.54,55页.[3] 郝涌,李学志,陶有德.数学分析选讲[M].国防工业出版社.2010年4月.83页,94页.[4] 朱碧,王磊.第二积分中值定理的一些推广及其应用[J]. 考试周刊, 2008年,第30期.49页.[5] 刘玉琏,傅沛仁.数学分析讲义[M].北京.高等教育出版社.2003年.[6] 谢焕田.积分中值定理的推广及其应用[J].高师理科学刊,2009年,第5期.8,9页[7] 华东师范大学数学系. 数学分析[M]. 高等教育出版社.1991年.[8] 许洪范.考研微积分500例[M]. 国防工业出版社.2009年3月.121页.[9] 李海军.积分中值定理的应用[J].赤峰学院学报.2010年,第6期,4页.[10]荆江雁.积分中值定理得推广[J].常州工学院学报.2007年,第1期 ,53页.致谢从选择论文题目到搜集材料再到一遍又一遍的修改仿佛经历了太长的时间,论文比我想象中要难写的多,我明白想写好一篇优秀的论文就必须付出百倍的努力,在论文即将交稿之时,心里多了一些轻松,同时多了一丝伤感.自己的大学生活随着论文的结束而画上了一个句号.回想自己写论文的全过程,自己最要感谢的是论文导师许宏文老师,她为人很随和,治学严谨,对待工作认真,对待学生负责,许老师给人一种很容易接近的感觉,忘不了第一次接许老师电话的情景:她耐心的给我指点着,细心的帮我分析写这篇论文的注意事项……之所以论文会顺利的完成许老师付出了太多,太多.一遍一遍的检查,一遍又一遍的帮我指出错误,在这里我想说声:许老师:您辛苦了！真的谢谢您！最后要感谢我的学校,感谢教予我知识的老师,感谢我四年的大学生活,在这四年里自己学到了很多,也成长了很多.谢谢！。
推广的积分第一中值定理的应用
分析 这 是定 积分 不等 式 的证 明 ， 由于两 个 定积 分 的 积分 限相 同 ， 故 可 以合 并 成一 个 定 积 分 ．为 了方 便 计算 ， 可 以考 虑将 被积 函数 的一个 因子 提到 积分 号 的前 面 ．
ｉ ａ ｌ ！ ￣由 推 广 的 积 分 第 一 中 值 定 理 可 知 ， 存 在 ∈ （ ０ ， 詈 ） ， ． ， ７ ∈ （ 詈 ， 詈 ） ， 使 得 ：
证明由推广的积分第一中值定理可知存在cosxsinxcosxsinxdxcosxsinxcosxsinxdx13在积分等式证明中的应用对于一些较为复杂的定积分的极限证明问题还需要综合其它方法如分部积分法定积分的区间可加性迫敛性等对问题加以简化
第３ ６卷 第 ５期
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ． ５
一
中值定 理在 求解 某些 积分 问题 中的优越 性 ．
１ 推广 的积分 第一中值 定理的应用
１ ． １在 积分 极 限计算 中的应用 对 积分 号下 取极 限 的问题 ， 通 常可 以运 用定 积分 的基 本 性质 ， 特 别 是推 广 的积 分第 一 中值定 理 ， 把 积 分
化为简单易求的表达式．
南 ｓ … ＝ 舞 ， 南 一ｓ 一 簖，
菏
泽 １ ４年 １ ０月
０ｃ ｔ ． ２ ０１ ４
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｅ ｚ ｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
文章编号 ： １ ６ ７ ３—２ １ ０ ３ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５— ０ ０ ９ ５—０ ３
推 广 的 积分 第 一 中值 定 理 的应 用
庄 科 俊
（ 安徽财经大学统计 与应用数 学学院 ， 安徽 蚌埠 ２ ３ ３ ０ ３ ０ ）
积分第一中值定理的证明与推广
积分第一中值定理的证明与推广
宫小芳
【期刊名称】《内蒙古财经学院学报（综合版）》
【年(卷),期】2011(009)003
【摘要】本文根据积分上限函数的性质利用微分中值定理证明了积分第一中值定理,用改进的介值定理证明了ξ∈(a,b),并推广了积分第一中值定理.
【总页数】3页(P146-148)
【作者】宫小芳
【作者单位】内蒙古体育职业学院,内蒙古呼和浩特010050
【正文语种】中文
【中图分类】O175.6
【相关文献】
1.积分第一中值定理的证明及其推广 [J], 李仕琼;梁波;;;
2.关于积分第一中值定理的证明和推广 [J], 徐秋丽
3.积分第一中值定理的证明及其推广 [J], 李仕琼;梁波
4.积分第一中值定理中间点渐进性定理及等价性定理的证明 [J], 张素玲
5.基于微分中值定理证明微积分基本公式和积分中值定理 [J], 郑权
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积分第一中值定理及其应用
后再使用洛必达法则 . 但是对于此题来说，由于无法确定 f ¢(0) 是否存
在 ，因此不能直接用洛必达法则 ，但可以尝试积分第一中值定理来拓宽 思路 .
解令 x - t = u, 则
x
ò0
f
(x
- t ) dt
=
0
òx
f
(u)d (-u)
=
x
ò0
f
(t ) dt.
0
本题的函数极限是 型不定式，先使用洛必达法则，再结合积分中
思 考·探 索
积分第一中值定理及其应用
邹乐强 （河南工业和信息化职业学院基础部，河南 焦作） 摘 要：微积分学是高等数学中极其重要的一部分 . 在积分学中，最重要的理论之一就是积分中值定理，它建立了积分与被积 函数之间的联系。在这篇论文中 ，主要论述了积分第一中值定理的定义 、积分第一中值定理的推广 ，以及他们在解题上的一些应 用 ，比如证明中值点的存在性 、证明函数的单调性 ，比较定积分值大小 、估计积分值等。由此可见积分中值定理不仅有较高的理论 价值 ，在解题应用上 ，也有着优于其它解题方法的作用。 关键词：积分第一中值定理；推广应用
2.4 证明存在中值点
[ ] 例 5 设 f (x) 在 (0,1) 内 可 导 ，在 0,1 上 连 续 ， 且
ò +¥ f ( x)dx 的敛散性等同 . 1 证
ò å ò ( ) ( ) an+1
n
ak +1
f x dx =
f x dx
1
ak
k =0
¥
( ) å = f (xk ) ak+1 - ak
x®0
2.2 判别级数是否收敛
¥
å 例 3 设 f ( x) 为非负函数 ，且单调递减 ，a > 1 ，证明 f (k ) 和 k =1
关于积分第一中值定理的证明和推广
关于积分第一中值定理的证明和推广
徐秋丽
【期刊名称】《长春师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2005(024)001
【摘要】本文利用变上限积分函数,依据罗尔中值定理证明了积分第一中值定理,并将定理条件改变,利用压缩映象不动点原理又给出了一种证明方法,同时给出了积分第一中值定理的几个推广.
【总页数】2页(P7-8)
【作者】徐秋丽
【作者单位】廊坊师范学院数学系,河北廊坊,065000
【正文语种】中文
【中图分类】O172.2
【相关文献】
1.积分第一中值定理的证明及其推广 [J], 李仕琼;梁波;;;
2.积分第一中值定理的证明及其推广 [J], 李仕琼;梁波
3.积分第一中值定理的证明与推广 [J], 宫小芳
4.积分第一中值定理中间点渐进性定理及等价性定理的证明 [J], 张素玲
5.基于微分中值定理证明微积分基本公式和积分中值定理 [J], 郑权
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拉格朗日中值定理(可编辑修改word版)
x ‒ x 一 拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理，又被称为有限增量定理，是微积分中的一个基本定理。
拉格朗日中值公式的形式其实就是泰勒公式的一阶展开式的形式。
在现实应用当中，拉格朗日中值定有着很重要的作用。
拉格朗日中值定理是所有的微分中值定理当中使用最为普遍的定理。
拉格朗日中值定理的形成和发展过程都显示出了数学当中的一个定理的发展是一个推翻陈旧，出现创新的一个进程。
发现一些新的简单的定理去替代旧的复杂的定理，就是由初级走向高级。
用现代的语言来描述，在一个自变量x 从x 变为x+1 的过程中，如果函数f(x) 本身就是一个极限值，那么函数 f(x+1)的值也应该是一个极限值，其值就应该和 f(x)的值近似相等，即f(x + 1) ‒ f(x)1≈ 0这就是非常著名的费马定律，当一个函数f(x)在 x=a 处可以取得极值，并且函数是可导函数，则f '(x) = 0。
著名学者费马再给出上述定理时，此时的微积分研究理论正处于初始阶段，并没有很成熟的概念，没有对函数是否连续或者可导作出限制，因此在现代微积分理论成熟阶段这种说法就显得有些漏洞。
在所有的微分中值定理中，最重要的定理就是拉格朗日中值定理。
最初的拉格朗日中值定理和现在成熟的拉格朗日中值定理是不一样的，最初的定理是函数 f(x)在闭区间[a,b]内任取两点x 0和x 1，并且函数f(x)在此闭区间内是连续的，f ' (x)的最大值为 A ，f '(x)最小值为 B ，则f(x 1) ‒ f(x 0)的值必须是 A 和 B 之间的一个值。
1 0这是拉格朗日定理最初的证明。
下述就是拉格朗日中值定理所要求满足的条件。
如果存在一个函数满足下面两个条件，（1）函数 f 在闭区间[a ，b]上连续； （2）函数 f 在开区间（a ，b ）内可导；那么这个函数在此开区间内至少存在着f(b) ‒ f(a)一点尉，使得f'(ξ) =b ‒ a.拉格朗日中值定理是导数的一个延伸概念，在导数运算中是的很基本概念。
)积分中值定理的推广和应用情形
积分中值定理的推广和应用———积分中值定理的推广定理和应用情形The IntｅgralＭeanＶalue TheｏremｆoｒＩｔs Sprｅaｄing andＡpｐlicａtｉon——Exteｎsiｏn tｈeｏrem of integraｌmean value theｏrem ａｎｄits appliｃatｉoｎ论文作者:专业：指导老师:完成时间:摘要积分中值定理和微分中值定理在微积分学中有着重要的地位，微分中值定理是研究函数的有力工具，反映了导数的局部性和与函数的整体性之间的关系，而积分中值定理在证明有关中值问题时具有极其重要的作用。
它是数学分析课程中定积分部分的一个基本定理之一。
积分中值定理包括积分第一中值定理和积分第二中值定理,在之前的数学分析课程中我们已经学习了这两个定理的证明,但这两个定理的推广与应用尚未提及。
在这里，我讨论了积分第一中值定理和积分第二中值定并给出了这些定理的详细证明过程,并且给出了集中推广形式。
在积分中值定理的应用方面，我给出了一些较简单的情形如估计积分值，求含有定积分的极限,确定积分号等，并且通过列举例题，加以归纳总结,并且充分体现积分中值定理在学习解题练习中的应用。
The iｎtｅgraｌmeａn value theoremａｎdｔhe ｄifｆereｎtial mｅa ｎｖalue theorem pｌaｙan importanｔrｏｌe iｎthe caｌｃulｕs．Dｉff ｅｒentｉal meａｎvalｕｅｔheorｅm ｉｓ a poｗerful tｏol to studｙtｈe funｃｔion. It reflects thｅｒelation between tｈｅlocａl property oｆthｅｄｅrｉvatiｖｅａnd tｈｅintegral of ｔhｅfｕｎction. Anｄthe iｎtegral m ｅaｎvalue ｔｈeorem playｓ a veryｉmｐｏｒｔａｎt rｏle ｉｎｔｈe ｐｒoｏf of the ｍean ｖalue pｒobleｍ. It is one oｆｔｈe bａsicｔｈｅorems of tｈｅdeｆinｉte inｔeｇral ｐａrｔｉｎｔhｅcｏuｒse of matｈematｉｃaｌaｎａlｙsiｓ. The inteｇralｍean value tｈeoｒeｍinclｕde ｓtｈe first mｅan valｕe tｈeｏｒem of integｒals anｄｔｈe secｏnｄmean ｖalｕe tｈeｏremｏf intｅｇｒalｓ，we havｅlearnｅｄthｅprｏof of thｅｔwo thｅorｅｍｓIn thｅcourｓe oｆmａthemａtical anaｌysis. B ｕｔtｈe eｘtensｉｏn aｎd apｐlication oｆtｈese twoｔheorｅｍs have nｏt beｅｎmentｉｏnｅｄyｅｔ. Here,Iｄiｓcuss the first mｅａｎvａlｕe t ｈeoreｍｏｆinteｇrals aｎd tｈe sｅcｏｎｄｍｅan vaｌｕe of the integ ｒals ａnｄgiｖｅ a detailed proof oｆthｅsｅthｅoｒems and Ｉｇi ｖe the foｒm ｏf centraliｚｅd gｅneralizaｔioｎs here.In tｈe ａpplicatｉoｎｏｆtｈe iｎｔegｒａｌmean vａｌuｅtheorem, I give soｍe siｍｐle ｓiｔuaｔioｎs such as ｔhe estｉmａtioｎoｆｔhe intｅｇraｌvaluｅ, ａnｄtｈe ｌimit of the defiｎite iｎteｇral, tｈｅｉntegral numｂｅｒand ｓｏon．Ａnd by citing examｐles，Ｉsｕmｍaｒized and fully rｅｆlect tｈe iｎtegralｍeａn vａlue theoreｍｉｎthｅa ｐplicａｔion of learnｉｎg pｒoblem soｌvｉnｇｅｘｅrciseｓ.关键词：积分中值定理; 推广；应用Ｋe ｙwo ｒd: mean value t ｈeorem o ｆ ｉnt ｅｇｒａl ｓ； ext ｅnsion; Applic ａｔｉon1 引言中值定理在数学分析中占有非常重要的地位，学好积分中值定理和微分中值定理能为进一步学好微积分理论打下坚实的基础。
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2.1积分第一中值定理证明
积分第一中值定理:
如果函数()fx在闭区间[,]ab上连续，()gx在(,)ab上不变号，并且()gx在
闭区间[,]ab上是可积的，则在[,]ab上至少存在一点，使得
()()()(),()bbaafxgxdxfgxdxab
成立。
证明如下：
由于()gx在闭区间[,]ab上不变号，我们不妨假设()0gx，并且记()fx在闭区
间[,]ab上的最大值和最小值为M和m，即()mfxM，我们将不等式两边同
乘以()gx可以推出，此时对于任意的[,]xab都会有
()()()()mgxfxgxMgx
成立。对上式在闭区间[,]ab上进行积分，可以得到
()()()()bbbaaamgxdxfxgxdxMgxdx
。
此时在,mM之间必存在数值，使得mM，即有
()()()bbaafxgxdxgxdx
成立。
由于()fx在区间[,]ab上是连续的，则在[,]ab上必定存在一点，使
()f
成立。此时即可得到
()()()()bbaafxgxdxfgxdx
，
命题得证。
2.2积分第一中值定理的推广
定理：（推广的第一积分中值定理）若函数()fx是闭区间[,]ab上为可积函数，
()gx在[,]ab
上可积且不变号，那么在开区间(,)ab上至少存在一点，使得
()()()(),(,)bbaafxgxdxfgxdxab
成立。
推广的第一积分中值定理很重要，在这里给出两种证明方法。
证法1：由于函数()fx在闭区间[,]ab上是可积的，()gx在[,]ab上可积且不
变号，令()()()xaFxftgtdt，()()xaGxgtdt，很显然(),()FxGx在[,]ab上连续。
并且()0,()()()baFaFbftgtdt，()0,()()baGaGbgtdt，()()()Ffg，
()()Gg
。由柯西中值定理即可得到
()()(),(,)()()()FbFaFabGbGaG
，
化简，即
()()()()()()babaftgtdt
fg
g
gtdt
，
根据上式我们很容易得出
()()()(),(,)bbaaftgtdtfgtdtab
，
命题得证。
证法2：由于函数()gx在[,]ab上可积且不变号，我们不妨假设()0gx。而
函数()fx在闭区间[,]ab上可积，我们令inf()|[,]mfxxab，
sup()|[,]Mfxxab
。假设()Fx是()fx在闭区间[,]ab上的一个原函数，即
()(),[,]Fxfxxab
。我们就可以得到下面等式
()()()()bbbaaamgxdxfxgxdxMgxdx
（2.2.1）
此时由于()0gx，则会有()0bagxdx，由于存在两种可能性，那么下面我们
就要分两种情况以下我们分两种情形来进行讨论：
(1).如果()0bagxdx，由等式（2.2.1）可得出()()0bafxgxdx，那么对
于(,)ab
都有
()()0()()bbaafxgxdxfgxdx
恒成立。
(2).如果()0bagxdx，将（2.2.1）除以()bagxdx可得
()()()babafxgxdx
mMgxdx
，（2.2.2）
我们记
()()()babafxgxdx
gxdx
，（2.2.3）
此时我们又分两种情形继续进行讨论：
（Ⅰ）如果（2.2.2）式中的等号不成立，即有()()()babafxgxdxmMgxdx成立，
则此时一定就存在mM，可以使得
12
(),()mfxfxM
，
我们不妨假设12xx，这其中12,[,]xxab。因为()()Fxfx，[,]xab，则会
有
1122
()()()()FxfxfxFx
。
此时至少存在一点12(,)xx，使得()()Ff，即有
12
()()()(),(,)[,]bbaafxgxdxfgxdxxxab
成立，从而结论成立。
（Ⅱ）如果（2.2.2）式中仅有一个等号成立时，我们不妨假设M，因
为()0bagxdx，此时一定存在区间11[,](,)abab（其中11ab），使得11[,]xab，
恒有()0gx成立，我们可以将（2.2.3）式进行简化
()()()bbaagxdxfxgxdx
，
因为M，则有
[()]()0baMfxgxdx
（2.2.4）
而且我们已知[()]()0Mfxgx，则
1
1
0[()]()[()]0xbyaMfxgxdxMfxdx
。
于是
1
1
[()]()0xyMfxgxdx
（2.2.5）
在式子（2.2.5）下必定存在11[,](,)abab，使得()fM。
如果不存在一个11[,](,)abab，使得()fM，则在闭区间11[,]xy上
必定有()0Mfx及()0gx成立，从而使得[()]()0Mfxgx。
如果11[()]()0baMfxgxdx，由达布定理在11[,]ab上有[()]()0Mfxgx:，
这与[()]()0Mfxgx矛盾。
如果 11[()]()0baMfxgxdx，这与（2.2.5）式矛盾。所以存在[,]ab，
使()()()(),(,)bbaafxgxdxfgxdxab，定理证毕。