辅助函数在数学中的应用 毕业论文1.doc

09级毕业论文答辩稿辅助函数在数学中的应用学 号： 902091126 组 别： 内容提要高等数学中运用辅助函数就像是在几何中添加辅助线，在数学中的应用是非常重要的.当我们遇到特殊的题目时，用常规方法可能比较复杂.这时我们就需要构造辅助函数，就如同架起一座桥梁，不需要大量的算法就可以得到结果.因此，学习构造辅助函数对于我们证明、解题是非常有帮助的.本论文是从证明定理与解题两方面分别来阐述辅助函数的作用，通过本文我们会更好的了解辅助函数在数学中的应用.关键词：辅助函数 定理 证明 AbstractSummary：The auxiliary function is applied to higher mathematics as adding auxiliary line in geometry. Its applications of mathematics is very important. Use the conventional method may be complicated when we encounter special problems. Then we can construct the auxiliary function like a bridge do not need a lot of algorithm to get the result. Therefore, it is very helpful for us to study the structure of auxiliary function to prove and solve problem. This paper expounds the application of auxiliary function respectively from two aspects of theorem proving and problem solving. Through this paper we will know better in mathematics.Keywords: auxiliary function theorem testify 目录 一、 绪论1二、 辅助函数在定理证明中的应用1(一) 构造辅助证明牛顿-莱布尼兹公式1(二) 构造辅助函数证明泰勒公式2(三) 构造辅助函数证明拉格朗日中值定理4三、 辅助函数在解题中的应用5(一) 构造辅助函数证明恒等式5(二) 构造辅助函数证明不等式7(三) 构造辅助函数讨论方程的根9(四) 构造辅助函数证明中值问题10(五) 构造辅助函数求极限11四、 总结12 参考文献13 后记13辅助函数在数学中的应用一、 绪论辅助函数是一种让我们更好的，更简单的学习数学知识的方法，.我在本文讨论了一下辅助函数的应用，发现它在数学中的应用是非常广泛的.我们学习数学不只是探索与发现，还有找到最简单的方法解决问题，本文主要内容是关于一些定理的证明，如牛顿-莱布尼兹公式的证明，泰勒公式的证明和拉格朗日中值定理的证明.这三个定理是我们在学习数学过程中经常用到的，掌握它们的证明非常关键.当然它们的证明有很多方法，这里我们只研究用构造辅助函数的方法来证明.另外还有关于解题时运用构造辅助函数的方法，有关于不等式的证明，恒等式的证明等.我们可以知道在解题方面，辅助函数也是比较适用的，本文就辅助函数的构造举例来说明.二、 辅助函数在定理证明中的应用(一) 构造辅助证明牛顿-莱布尼兹公式牛顿-莱布尼兹公式是微积分基本定理，他把定积分和不定积分两者联系起来，使得定积分的计算更加简洁和完善，关于它的证明是我们必需要掌握的，学好牛顿-莱布尼兹公式也使我们能够更好地了解微积分.下面我们来看这个公式的证明.定理1 若在上是连续的，且是在上的一个原函数，那么 分析 首先我们来构造辅助函数，现在，我们来研究这个函数的性质. 我们定义函数，那么连续，若连续，则有.证明：让函数获得一个增加的量，则对应的函数增量 那么可以根据区间的可加性， 假设、分别是在上的最小值和最大值，我们可以根据积分第一中值定理，则存在实数，使得 当连续时，存在，使得于是当趋近于0时，趋近于0，即是连续的.若连续，当，则 .从而我们得出 现在，我们来证明牛顿-莱布尼兹公式.证明 我们在上面已经证得，所以， .显然，（因为积分区间为，故面积为0），所以.于是有 , 当时 .此时，我们就得到了牛顿-莱布尼兹公式.证毕.(二) 构造辅助函数证明泰勒公式泰勒公式是一个用函数在已知某一点的信息描述这一点附近所取值的公式，在函数某一点的各阶导数值已知的情况下，泰勒公式可以将这些导数值的相应倍数作系数构建多项式来近似函数在这一点的值.这样，有时不必计算大量的式子，用泰勒公式来直接近似函数值，会更简单，更快捷的得出结果.我们接下来证明泰勒公式（拉格朗日余项型）.定理2 若函数在开区间有直到阶导数，则当函数在此区间内时，可以展开为一个关于的多项式和一个余项的和，即 分析 我们知道 ，那么由拉格朗日中值定理导出的有限增量定理，得到 当，则时，误差.因此，在近似计算时时不够精确，那么我们就需要构造一个足够精确的能把误差估计出来的多项式，这个多项式是 来近似表示函数，并且，还要写出误差的具体表达式.这时，我们开始证明.证明 设函数满足， ，依次求出显然， ，则； ,； ， ,;至此，这个多项式的各项系数都已经求出，得 接下来，我们需要求出误差的具体表达式.设，则 故得出 由柯西中值定理可以得到 ，.继续使用柯西中值定理得 ，这里在与之间；连续使用此后，得出 ，但是，因为， 是一个常数，所以，于是得 .综上所述，余项，这样，泰勒公式得证.(三) 构造辅助函数证明拉格朗日中值定理拉格朗日中值定理是罗尔定理的推广，也是柯西中值定理的特殊情况.它的应用非常广泛，像洛必达法则，泰勒展开式都是它的应用.对于它的证明，我们知道有很多的方法来证明它，现在我们做辅助函数来证明.定理3 设函数在上连续，在内可导，则在至少存在一点，使得 分析 从结论中可以看出，若将换成变量，则可得到一阶微分方程 其通解为 .若将函数变为函数，那么得到一个辅助函数， .现在我们来开始证明证明 做辅助函数 ，有 .则满足罗尔定理的三个条件，故在至少存在一点使 所以 .拉格朗日中值定理证毕.三、 辅助函数在解题中的应用(一) 构造辅助函数证明恒等式恒等式是很常见的一种题型，对于这种题型的证明，找到简单快速的证明方法可以节省很多时间.如对于下面的题，形式比较复杂，还存在一阶导数，我们可以构造辅助函数，然后变幻形式，创建出中值定理的成立条件，利用中值定理来证明，就会很简单了.例1 设函数在上连续，在内可导，证明在内至少存在一点，使得 分析 令 ，则 为关于与的对称式，故取 .证明 令则在上连续，在内可导，又因为 ，所以在上满足罗尔定理，那么存在一个，使得.即 ，即 .上题构造辅助函数后应用了罗尔定理，使得上式证明变得简单明了.下面这个题属于条件恒等式，我们要看好条件，可以适当的进行变形，做辅助函数.例2 设在上连续，在内可导，且，则至少存在一点，使得 分析 我们先把看成变量，由于结论可化为 即 显然其通解为把常数变成一个关于的函数我们就得到一个辅助函数，证明 做辅助函数 那么 又由于已知条件我们可以得到 并且若时，则那么就有 若时，那么一定存在使得 又因为在上连续，由介值定理可知，一定存在两点，使得 对在上使用罗尔定理，那么至少存在一点 使得 即 上题是将一个客观存在的数看成是变量，利用拉格良朗日常数变易法的思想将方程通解里的常数变成一个的函数我们就得到了证明这个命题的辅助函数，并且在证明这种恒等式的例子中，运用中值定理比较广泛，而在中值定理中，罗尔定理是最常用的，如上题.这种方法能开拓我们的学习做题的思路.(二) 构造辅助函数证明不等式用作差法证明不等式是最常用的一种方法，而辅助函数就是在作差之后构造的式子，是非常简洁方便的，并且构造出来的辅助函数也很明了.我们先来看一个简单的例子.例3当，证明分析 构造辅助函数证明不等式用作差法是最常用的，主要就是将不等号右端的式子移到左边，形成一个减法式，右边为零，试证不等号左边式子的单调性，就可以证明了； 证明 我们做辅助函数显然，当时，有 因此，在时是增函数，而在处连续，并且所以 这样，原不等式证毕.上个证明是比较简单的，证明其单调性就能快速得出答案.而下面这个例子，我们需要研究一下它的左右两边的性质，这有利于我们思考如何构造辅助函数.例4 证明不等式.分析 因为此式左边相乘的项数多，直接移项作差证明会非常困难，而不等式左右两边的式子都是幂级数形式，并且右边为，故我们可以先把两边取对数形式，化简后作差，构造辅助函数更简单一些.证明 把不等式的两边取对数得 我们先来研究不等式的左边左边 构造辅助函数对求导得从而得知，当时，为严格递增. 而故得出 则原不等式成立，证毕.其实，在证明不等式的方法中，还有很多，如比较法，分析法，综合法等，但是有时，这些方法比较麻烦，运算过程多.这时，若是针对题目构造一个适当的辅助函数，把题转化为对这个题的性质的研究，就像对定义域、值域、单调性、连续性、最值等的研究.这样，运算就比较简单了.(三) 构造辅助函数讨论方程的根关于方程的根的讨论主要是根的存在性个个数问题，构造辅助函数来解这方面的一些题，如同证明不等式，构造辅助函数的方法类似，会比一般的方法更为简单.例5方程证明方程至少有一个正根且不超过.分析 此题我们可以构造辅助函数在上连续，若能得出异号，则存在，使得那么就是方程的根且不超过，即运用介值定理.证明 设在上连续，则显然 现在我们讨论，若时，即 则方程有一个正根为另一种情况，若即则符合介值定理条件，则存在一点，使得那么就是方程的根，综上所述，方程至少有一个正根且不超过，证毕.例6方程证明方程有且只有一个正根.分析 我们可以构造辅助函数先证明此方程有根，然后再证有且只有一个正根.证明 做辅助函数显然在上连续， 由零点定理可知，存在一点使得，则点为方程的根，接下来，我们用反证法证明有且只有一个根.设存在一点且得，由于在上可导，对于任意有那么根据微分中值定理可知，存在使得 但矛盾，故原方程有且只有一个正根，证毕.在上题可知，在解这类关于方程的根的问题，我们需要结合在闭区间上连续函数的零点定理来思考.(四) 构造辅助函数证明中值问题讨论这样的问题，是我们经常遇到的一类问题，一般我们是把问题适当变形，然后观察变形后的式子，构造相应的辅助函数，使之符合中值定理，介值定理，零点定理之类的条件，就可以轻松证明了.例7 设在上连续，在内可导，且求证存在使得证明 构造辅助函数显然 又因为在上连续，在内可导，故根据罗尔定理可知，存在一点使得即 即，则证毕.例8设在上连续，在内可导在内至少存在一点，使 证明 做辅助函数 则依题设有在上连续，在内可导，且 由罗尔定理，在内至少有一地点，使从而即有 证毕.中值问题很明显，是关于微分中值定理（其中包括罗尔定理、拉格朗日中值定理、柯西中值定理）的问题.做一个这个题的辅助函数，它必需满足其中一个中值定理的条件，则根据中值定理的性质即可得出.(五) 构造辅助函数求极限一些求极限的题目，我们也可以用做辅助函数来解决，求极限的方法有很多，简单的方法也不少，只是一些特殊的题目可能用我们学过的方法很不好解开，而构造辅助函数后就非常容易了.例9 求解 作辅助函数则所以 故.例10求的极限.解 变形 构造辅助函数，这个积分函数将变成了积分函数，求这个函数的积分，就是的极限. 所以，的极限是.解这方面的题时，需要我们将题中的离散变量转化为连续变量.像例1中，还需考虑趋近的过程，还运用了洛必达法则，主要是求辅助函数的极限，则原函数的极限也求出.例2中的条件刚好满足定积分的定义，将其转化为定积分，求这个定积分的值，就求出了这个极限.四、 总结在这篇论文中，列举了大量的例子来说明辅助函数在数学中的应用，并且如何构造辅助函数，本文也有所涉及，下面我列举了几种方法.常数k值法构造辅助函数是将所得的结论进行变形，然后把常数部分分离出来，并使常数部分得k，将这个式子进行恒等变形，使式子变成一端成为和的表达式，另一端成为和的表达式，再将和的值换为，这样得出的式子就为所做得辅助函，详见例1.微分方程法构造辅助函数是关于解存在，使这类的问题，构造辅助函数的方法是先将变为，解出其通解形式为，此时辅助函数为，详见例2.作差法构造辅助函数是将题适当变形后，将等号（或不等号）右边的式子移到左边做差，得到的式子即为辅助函数，即若解不等式，可以将这个式子的差作为辅助函数，那么，则只需证明在其定义域内大于零即可.详见例3、例4、例6；原函数法构造辅助函数是将题中的式子进行适当变形，使之成为一个易于积分，能够消除导数的形式，然后求出原函数，可将它的积分常数取为零，然后移项，使之成为等式一端为零，一端则为辅助函数.这类题形详见例7.还有很多构造辅助函数的方法这里不再一一叙述.在数学中构造辅助函数的方法基本是无处不在的.学会构造辅助函数的方法也是至关重要的，如我们上文所举的例子中，应用了常数k值法，微分方程法，作差法和原函数法，关于定理的证明我们需要观察式子的特性，应用相关的方法以便构造辅助函数.而关于解题方面的证明，同样需要仔细观察，在各种题型的应用中，我们需要灵活运用构造辅助函数的方法，使之成为我们更好的学习工具.如此，我们可以看出，辅助函数在数学中的应用是广泛并且非重要的.在高等数学中，证明和解题是主要的，在这过程中，构造辅助函数的方法是我们必须所掌握的，这有利于增强我们的解题思维.并且能够快速的理通思路，方便我们理解题意，找到解决的办法.辅助函数在数学中的应用非常广泛，也非常实用，在我们解题遇到困难时，有时它就是用来解除障碍的有力工具.它所涉及的领域很多，关于构造辅助函数的方面我还要更好的学习.参考文献1. 廖凡达，辅助函数法在不等式问题中的应用，高中数学教与学2009年04期.2. 殷堰工，辅助函数在数学中的应用，昭通师专学报（自然科学版），一九八六年第一期.3. 林远华，浅谈辅助函数在数学分析中的作用，河池师范高等专科学校学报（自然科学版）第20卷第4期，2000年12月.4. 李兆强，蒋善利“辅助函数法”在数学分析中的应用漯河职业技术学院学报2009年9月，第8卷第5期.5. 程惠东，再谈作辅助函数解题，高等数学研究，2005年9月，第8卷第5期.6. 陈华，微分中值定理中应用辅助函数的构造方法，西昌学院院报，自然科学版，2009年12月，第23卷第4期.7. 左元斌，谈谈辅助函数的设置及应用，盐城工学院学报，1998年3月，第11卷第1期.后记最后，非常感谢我的导师.在写论文的过程中，导师帮我每一次都帮我仔细修改，并指导我的论文思路，给我搜集了大量的论文材料参考.导师每次都看的很仔细，指导的很认真，我也能尽量达到导师的指导目标.在这里，再次郑重的感谢导师！谢谢您！13