微积分学中辅助函数的构造.doc

编号：08005110137南阳师范学院2012届毕业生 毕业论文（设计） 题 目： 微积分学中辅助函数的构造 完 成 人： 司玉会 班 级： 2008-01 学 制： 4 年 专 业： 数学与应用数学 指导教师： 葛玉丽 完成日期： 2012-03-31 目 录摘要(1)0引言(1)1构造辅助函数的原则(1)1.1将未知化为已知(2)1.2 将复杂化为简单(2)1.3 利用几何特征(3)2构造辅助函数的方法探讨(3)2.1常数变易法(3)2.1.1罗尔定理应用举例(3)2.1.2构造辅助函数证明积分不等式(4)2.2原函数法(4)2.3微分方程法(6)2.4积分法(6)2.5函数增量法(7)2.6参数变易法(7)3构造辅助函数在微分中值定理证明中的应用分析(8)3.1辅助函数构造在拉格朗日定理中应用(8)3.1.1应用举例(9)4结束语(10)参考文献(10)Abstract(11)微积分学中辅助函数的构造作 者：司玉会指导教师：葛玉丽摘要：构造辅助函数是数学分析中解决问题的重要方法，在解决实际问题中有广泛应用通过研究微积分学中辅助函数构造法，构造与问题相关的辅助函数，从而得出欲证明的结论本文介绍了构造辅助函数的概念及其重要性，分析了构造辅助函数的原则，归纳了构造辅助函数的几种方法，并研究了构造辅助函数在微积分学中的重要作用和应用.关键词：原函数法； 辅助函数；常数变易法；函数增量法0引言当某些数学问题使用通常办法按定势思维去考虑而很难奏效时，可根据题设条件和结论特征、性质展开联想，进而构造出解决问题的特殊模式构造辅助函数辅助函数构造法是数学分析中一个重要的思想方法，在数学分析中具有广泛的应用构造辅助函数是把复杂问题转化为已知的容易解决问题的一种方法，在解题时，常表现为不对问题本身求解，而是构造一个与问题有关的辅助问题进行求解1-2微积分学中辅助函数的构造是在一定条件下利用微积分中值定理求解数学问题的方法通过查阅现有的大量资料发现，现在国内外对微积分学中辅助函数构造法的研究比较多，其中有一部分研究的是辅助函数构造法的思路3，但大部分研究的是辅助函数的构造在微积分学解题中的应用4通过构造辅助函数，可以解决数学分析中众多难题，尤其是在微积分学证明题中应用颇广，且可达到事半功倍的效果1构造辅助函数的原则辅助函数的构造是有一定的规律的.当某些数学问题使用通常的方法按定势思维去考虑很难奏效时，可根据题设条件和结论的特征,性质展开联想，进而构造出解决问题的特殊模式，这就是构造辅助函数解题的一般思路.1.1将未知化为已知在一元微积分学中许多定理的证明都是在分析所给命题的条件、结论的基础上构造一个函数将要证的问题转化为可利用的已知结论来完成的. 比如, 柯西中值定理的证明就是通过对几何图形的分析, 构造辅助函数转化为利用已知的罗尔定理加以证明; 在牛顿- 莱布尼兹公式的证明中也是构造辅助函数利用积分上限函数的性质得到证明的.1.2 将复杂化为简单一些命题较为复杂, 直接构造辅助函数往往较困难, 可通过恒等变形, 由复杂转化为简单, 从中探索辅助函数的构造, 以达到解决问题的目的, 这种通过巧妙的数学变换, 将一般化为特殊, 将复杂问题化为简单问题的论证思想, 是一元微积分学中的重要而常用的数学思维体现.例 1 设函数， 都在上连续, 在内可导, 且. 证明在开区间内存在一点, 使得 分析 将证明的结论变形为, 直接思考哪个函数求导后为,发现不易找到这个函数.进一步考虑除以一个非零因子，不难发现所证结论可变形为.因此, 找到了辅助函数.对此函数在 上应用罗尔定理即得要证的结论.证明 作辅助函数 因为，都在上连续，在内可导, 且.所以在上连续，在内可导，并且，所以有罗尔定理知存在一点，使得即所以1.3 利用几何特征利用几何图形直观形象的特点构造辅助函数. 在各种版本的“高等数学” 和“数学分析”的书中, 微分中值定理的证明大多是利用对几何图形的分析,探索辅助函数的构造, 然后加以证明的.2 构造辅助函数的方法探讨2.1常数变易法常数变易法的思想就是，将于证明题中的某个常量用变量代替而构成辅助函数，对辅助函数进行讨论，使欲证明题得到证明.2.1.1 罗尔定理应用举例在微分学等式证明中，我们通过引入辅助函数来证明，而辅助函数构造是关键，一般情况下可以用常数变易发来构造辅助函数.例2函数在区间上可微，证明在区间内至少存在一点，使得证明 记，我们来证明因为，将此式中数用变量代替，构成辅助函数显然，则，在在区间上连续，在区间 内可导，且，有罗尔定理知，至少存在一点，使得即 ， .由上面这些例子看出, 一般说来在微分学中凡联系到区间端点的值与导数中间值的式子都可以用常数变易法加以证明.常数变易法在证明积分恒等式也是有效的.2.1.2 构造辅助函数证明积分不等式例3 设时，,证明.证明 需证即可.把常量换作变量，引入函数 , 所以 当时，由拉格朗日中值定理， 所以 又因为，所以是单调递增的，有，所以，注意到 所以 当时，有即 2.2 原函数法在利用微分中值定理求解介值(或零点) 问题时, 欲证明的结论往往是某个函数的导函数的零点, 因此可通过不定积分反求出原函数作为辅助函数.其步骤为: (1) 将欲证结论中的换成(2) 通过恒等变形, 将结论化为易积分的形式. (3) 用观察法或凑微分等方法求出原函数,为简便起见,可将积分常数取为零.(4) 移项, 使等式一边为零, 则等式的另一边即为所需的辅助函数.例 4设在上连续，在内可导，则在内至少存在一点使分析 要证明，即证至少存在一点，使，用替换得，积分后得辅助函数证明 作辅助函数则在上连续，在内可导，且所以 根据罗尔定理可知，至少存在一点使，即例 5若，在上可导，且则存在一个使分析 结论中换成有即对等式两边积分，令得即可确定原辅助函数，证明 做辅助函数由题设条件知在上连续，在内可导，因此，则满足罗尔定理的条件：一个，使得 即 所以 2.3 微分方程法所谓“微分方程法”，是指在遇到诸如“求证: 存在，使得之类的问题时, 可先解微分方程 得其通解，则辅助函数可构造为 例 6 设函数 在上连续, 在内可导, 且, 试证 至少存在一点，使证明 将结论中的换成,得一阶线性微分方程, 其通解为，即，于是可取辅助函数为则在上连续, 在 内可导, 且并且, 由罗尔定理知, 存在, 使, 即有2.4 积分法将要证的结论转化为对微分方程两端进行积分来构造辅助函数.例 7 设在内可微, 证明在的任何两个零点之间必有的一个零点.分析 设为的任何两个零点, 要证的是存在一点使得由于可微, 因此可用罗尔定理来证.其辅助函数构造如下, 由得 两端求不定积分得, , 令, 可得, 即，, 从而对辅助函数在上应用罗尔定理即可.证明 做辅助函数，令为的任意两个零点.由在内可微知在 上连续，在内可导且. 由罗尔定理知使得即即2.5 函数增量法Lagrange 中值定理又称为有限增量公式, 它将函数的增量与函数在一个点上的导数值联系起来, 因此在应用中常用它来处理与函数增量有关的问题,因此利用函数的增量来构造辅助函数,也是常用的方法.例 8 设，在上可导，证明，使分析 左边考虑到左端是函数增量的形式,故考虑辅助函数 ,注意到 ,对在上使用拉格朗日中值定理证明 做辅助函数由在上可导，则在上可微则，使得 即所以 2.6 参数变易法参数变易法是指把要证明的结论中的某个参 数“变易”为变量,从而构造出辅助函数的方法.例 9 设在上单调递增且连续，求证： 证明 不等式含有两个参数，将其中的参数 “变易”为变量，构造如下辅助函数，易知，在上可导，且因为在上单调递增，所以当时，从而故在上单调递增，即 在此归纳总结了辅助函数构造的六种方法和一般规律，一般的辅助函数构造都以用这几种方法来构造，此外还有分析法，尝试法，待定系数法5构造辅助函数没有什么万能的方法，它是一种创造性思维的过程，具有较大的灵活性，运用基本的数学思想，经过认真的观察，深入思考构造辅助函数是解题关键.3 构造辅助函数在微分中值定理证明中的应用分析罗尔定理，拉格朗日中值定理，柯西中值定理，积分中值定理是微积分学中的重要内容6，这些定理贯穿了微积分学的始终，利用它们证明有关命题7，往往需要构造辅助函数，便可以把微积分学中较难的问题转化为易解决的问题，下面以拉格朗日中值定理为例说明辅助函数在解决微积分学问题中的应用3.1 辅助函数构造在拉格朗日中值定理中的应用拉格朗日中值定理若函数满足如下条件：(1) 在闭区间上连续；(2) 在开区间内可导；则在内至少存在一点，使得证明记 则作辅助函数则显然有又因为在闭区间上连续，在开区间内可导，所以显然有满足罗尔定理的条件：(1) 在闭区间上连续；(2) 在开区间内可导；(3) ；所以在内至少存在一点，使得，即从而定理得证3.1.1应用举例例10对一切，成立不等式证明构造辅助函数，则由拉格朗日中值定理可得，当时，由可推知，当时，由可推得从而得到所要证明的结论例11设在上连续，在内可导，若不是线性函数，且，求证：使得证明利用原函数法构造辅助函数， 则，在内可导，且，因为不是线性函数，所以，使若，则在上应用拉格朗日中值定理，使 即.若，则在上应用拉格朗日中值定理，使即所以4结束语辅助函数的构造在数学分析中一直占有重要地位，尤其是在微积分学中，构造辅助函数解题得到了广泛的应用8辅助函数的构造是我们解决问题的重要工具，对它的研究从没中断过，众多数学工作者对微积分学中辅助函数的构造做了很多研究，也取得了很多学术成果9本文从构造辅助函数的基本概念入手，总结了几种辅助函数的构造方法，对其在微积分学中的应用做了大量的问题举例，同时也体现出了构造辅助函数解决问题对培养学生创新思维能力的重要作用10参 考 文 献1 华东师范大学数学系.数学分析(上册)M.北京：高等教育出版社，2001：119-127.2 陈静等.浅析一元微积分学中的构造辅助函数方法J.高等数学研究.2006(9):16-18.3 李君士.两个微分中值定理证明中辅助函数的多种作法J.数学的实践与认识，2004，（10）；165-169.4 丁凯.微分中值定理在辅助函数构造中的应用初探J.魅力中国.2010(4):475 夏银红,王宝银 Lagrange 定理证明中辅助函数的构造J.黄淮学院学报2010.09.6 惠存阳.对微分中值定理证明中辅助函数构造探讨J.延安教育学报.1997(2):26-27.7 同济大学应用数学系.高等数学（上册）M. 北京：高等教育出版社，2002:127-131.8 裴礼文.数学分析中的典型问题与方法M.北京：高等教育出版社，2006：206-222.9 赵志云.微分中值定理教学的几点思考J.阴山学刊，自然科学报.1998(12):72-73.10 曹金文.教学中如何培养学生猜想和分析能力的尝试J.1994(4):56-58.Construct The Auxiliary Function In The CalculusSI Yu-huiAbstract :The construction of auxiliary function in mathematical analysis is the important method to solve the problem ,in the solution of practical problems have wide application. Through the research on the construction of auxiliary function in calculus, construction and problems related to the auxiliary function , thus to prove the conclusion. This paper introduces the concept and importance of constructing auxiliary function, analysis of the structural auxiliary function principle , summarizes several methods o