אם f רציפה ב-[a,b] וגזירה ב-(a,b) אזי קיימת c∈(a,b) כך ש: f′(c)=b−af(b)−f(a).
משפט (מסקנות לגרנז')
f′≥0 ⇐ f עולה.
f′≤0 ⇐ f יורדת.
f′=0 ⇐ f קבועה.
תרגיל
נניח כי f גזירה ב-[0,1] וכי f′ רציפה ב-[0,1].
הוכיחו כי קיים c∈R עבורו g(x)=f(x)−cex מונוטונית יורדת ממש ב-[0,1].
הוכחה:
הפונקציה g גזירה ב-[0,1] כי היא הפרש גזירות ב-[0,1]. נגזור:
g′(x)=f′(x)−cex
הפונקציה f′ רציפה ב-[0,1] ולכן, ע"פ W מקבלת בקטע את ערכה המקסימלי - נסמנו M.
g′(x)=f′(x)−cex≤M−cex
הפונקציה ex מונוטונית עולה ממש ב-[0,1] ולכן 1≤ex≤e.
אם נקח c>0 (מותר לנו לדרוש כי אמרו כי קיים c) נקבל:
g′(x)=f′(x)−cex≤M−cex≤M−c
נבחר: c=∣M∣+1. ואז:
∣M∣+1≥M+1≥M
ולכן:
g′(x)≤M−c<0
ולכן, לפי מסקנות לגרנז' g יורדת ממש ב-[0,1]. ∎
תרגיל
הוכיחו כי המשוואה arctanx+lnx=1 יש פתרון יחיד ב-(0,∞).
הוכחה:
נגדיר f(x)=arctanx+lnx−1. תחילה נראה כי יש לפחות פתרון אחד.
f(1)=4π−1<0x→∞limf(x)=2π+∞−1↓לפי חשבון גבולות מורחב=∞
⇐ לפי הגדרת הגבול קיים x0>1 כך ש-f(x0)>0.
הפונקציה f רציפה ב-[1,x0] ומתקיים f(1)<0<f(x0) ולכן לפי עה"ב קיימת c∈(1,x0) כך ש-f(c)=0.
כעת נראה כי זהו הפתרון היחיד.
הפונקציה f גזירה כהפרש/סכום גזירות ב-(0,∞) ולכן:
f′=1+x21+x1>0
ב-(0,∞) ולכן לפי מסקנות לגרנז' f עולה ממש ולכן תחתוך את ציר ה-x לכל היותר פעם אחת.
מכאן ש-f חותך את ציר ה-x פעם אחת אז הפתרון יחיד. ∎
תרגיל
נתון כי f:R→R גזירה בכל נקודה וכי limx→∞f′(x)=1. הוכיחו כי הגבול
x→∞lim(f(x+2)−f(x−x1))
קיים ומצאו את ערכו.
הוכחה:
הפונקציה f גזירה לכל x ובפרט גזירה ב-[x−x1,x+2] ולכן, לפי משפט לגרנז' קיימת
ולכן, לפי פיצה cxx→∞⟶∞ ולכן, לפי הנתון limx→∞f′(cx)=1.
f′(cx)(2+x1)↓(∗)=f(x+2)−f(x−x1)x→∞limf′(c)(2+x1)=x→∞limf′(cx)n→∞lim(2+x1)↓לפי חשבון גבולות=1⋅2=2
ולכן, מיחידות הגבול והמשוואה נקבל:
x→∞limf(x+2)−f(x−x1)=2
∎
תרגיל
א. נניח f גזירה ב-[a,∞) וכי קיים M>0 כך שלכל x≥a מתקיים f′(x)≥M. הוכיחו כי limx→∞f(x)=∞.
ב. נניח כי f גזירה בכל נקודה וכי limx→∞f′(x) קיים וחיובי. הוכיחו כי limx→∞f(x)=∞.
הוכחה: (א')
הפונקציה f גזירה ב-[a,∞) ובפרט גזירה ב-[a,x] ולכן, לפי משפט לגרנז' קיימת cx∈(a,x) כך ש:
f′(cx)=x−af(x)−f(a)↓נתון≥Mf(x)−f(a)≥M(x−a)f(x)≥f(a)+M(x−a)x→∞↓חשבון גבולות מורחב⟶∞
ולכן לפי פיצה limx→∞f(x)=∞. ∎
הוכחה: (ב')
נסמן limx→∞f′(x)=L כאשר L>0 לפי הנתון.
לכן, לפי תכונת הסדר של גבולות:
x→∞limf′(x)=L>2L=x→∞lim2L
⇐ קיים x0 כך שלכל x>x0 מתקיים f′(x)≥2L>0 ולכן, לפי סעיף א':
x→∞limf(x)=∞
∎
תרגיל
תהא f פונקציה גזירה שלוש פעמים ב-R כך שמתקיים:
f(1)=f′(1)=f′(0)=1,f(0)=0
הוכיחו כי קיימת c∈(0,1) כך ש-f′′′(c)=0.
הוכחה:
הפונקציה f רציפה ב-[0,1] וגזירה ב-(0,1) לפי נתון. לכן, לפי משפט לגרנז' קיימת c∈(0,1) כך ש:
f′(c)=1−0f(1)−f(0)=1
כלומר, 0<c<1 ו-f′(c)=f′(1)=f′(0)=1.
הפונקציה f′ גזירה ב-[0,c] ומתקיים f′(0)=f′(c)=1 ולכן, לפי רול, קיים x0∈(0,c) כך ש-f′′(x0)=0.
הפונקציה f′ גזירה ב-[c,1] ומתקיים f′(c)=f′(1)=1 ולכן, לפי רול, קיים x1∈(c,1) כך ש-f′′(x1)=0.
הפונקציה f′′ גזירה ב-[x0,x1] ומתקיים f′′(x0)=f′′(x1)=0 ולכן, לפי רול קיים x3∈(x0,x1) כך ש-f′′′(x3)=0. ∎
משפט (קושי)
אם g,f רציפות ב-[a,b] וגזירות ב-(a,b) כך ש-g′(x)=0 לכל a<x<b אז קיימת c∈(a,b) כך ש-g(b)−g(a)f(b)−f(a)=g′(c)f′(c).
תרגיל
הוכיחו כי לכל (α,β)⊆(0,2π) מתקיים ∣sinα−sinβ∣≤∣tanα−tanβ∣.
הוכחה:
נגדיר f(x)=sinx ו-g(x)=tanx.
הן רציפות ב-[α,β] וגזירות ב-(α,β) ולכן לפי משפט קושי קיימת c∈(α,β) כך ש:
אם f גזירה ב-[a,b] (גזירה ב-(a,b), גזירה מימין ב-a וגזירה משמאל ב-b)
נסמן F′=f כך ש-F+′(a)=f(a) ו-F−′(b)=f(b) אז לכל f(a)<y<f(b) (או להפך) קיים t∈R כך ש-F(t)=y.
א. תהי f:(a,b)→R פונקציה גזירה המקיימת f′(x)=0 לכל x∈(a,b). הוכיחו כי f מונוטונית ב-(a,b).
ב. תהי g:R→R פונקציה גזירה המקיימת 0≤g′(x)≤1 לכל x∈R. הוכיחו שקיימת 0≤c≤1 שבה g′(c)=3c2.
הוכחה: (א')
לפי מסקנות לגרנז' אם f′>0 ⇐ f עולה ממש ואם f′<0 ⇐ f יורדת ממש.
⇐ צריך להוכיח כי ל-f יש סימן קבוע ב-(a,b).
נניח בשלילה כי קיימים x,y∈(a,b) כך ש-f′(x)>0 ו-f′(y)<0.
נניח בה"כ x<y ⇐ לפי דרבו קיימת x<c<y כך ש-f′(c)=0 ⇐ סתירה לנתון. ∎
הוכחה: (ב')
נגדיר h(x)=g(x)−x3 גזירה כי היא הפרש גזירות. ⇐ h′(x)=g′(x)−3x2.
h′(0)=g′(0)−02≥0h′(1)=g′(1)−3≤−2<0
אם h′(0)=0 סיימנו.
אחרת, h′(0)>0 ו-h′(1)<0 ולכן לפי דרבו, קיימת c∈(0,1) כך ש-h′(c)=0 כנדרש. ∎
תרגיל
תהא f:R→R גזירה כך ש-0≤f′(x)≤1 לכל x∈[0,2π].
הוכיחו שקיים x∈[0,2π] כך ש-f′(x)=sinx.
הוכחה:
נגדיר h(x)=f(x)+cosx גזירה כי היא הפרש גזירות ומתקיים: h′(x)=f′(x)−sinx.
h′(0)=f′(0)−sinx=f′(0)≥0h′(2π)=f′(2π)−1≤0
אם h′(0)=0 או h′(2π)=0 אז סיימנו.
אחרת, h′(0)>0 ו-h′(2π)<0 ולכן, לפי דרבו, קיימת c∈(0,2π) כך ש-h′(c)=0 כלומרL
f′(c)=sinc
∎
ליפשיץ
הגדרה 1 (ליפשיץ)
תהי f:I→R. f נקראת רציפה ליפשיץ אם קיים k≥0 כך שלכל x,y∈I מתקיים ∣f(x)−f(y)∣≤k∣x−y∣.
משפט
נגזרות חסומות ⟸ ליפשיץ ⟸ רציפות במ"ש ⟸ רציפות.
משפט (רציפות במ"ש ונגזרות)
אם f רציפה בקטע ומתקיים ∣f′(x)∣≤M לכל x בקטע אז f רציפה במ"ש בקטע.
תרגיל
האם f(x)=x רציפה ליפשיץ ב-[0,1].
הערה
נשים לב כי הנגזרת אינה חסומה, אבל זה לא אומר כלום כי המשפטים האחרונים הם לא ⟺ לאף אחד מהשלבים.
∣f(x)−f(y)∣=∣x−y∣=x+yx−y=x+y1∣x−y∣
נדרש להוכיח את הסתירה: לכל k≥0 קיימים x,y∈I שלהם מתקיים ∣f(x)−f(y)∣>k∣x−y∣.
נקח: