Основы математического анализа (стр. 2 из 4)
Аналогично доказывается существование точки x1∈[a;b] , такой что f(x1)=c.
СледствиеЕсли f непрерывна и непостоянна на [a;b], то образ этого отрезка [a;b] при отображении f будет так же отрезок, т.е. непрерывный непостоянный образ отрезка есть отрезок.Доказательство: В самом деле образом отрезка [a;b] при отображении f будет отрезок [с;d], где c=inf[a;b]f(x)=min[a;b]f(x), а d=sup[a;b]f(x)=max[a;b]f(x), что следует из второй теоремы Больцано-Коши и второй теоремы Вейерштрасса Ч.Т.Д.
3. Теорема Ферма и Ролля
Пусть функция f(x) имеет на множестве E точку экстремума x₀?E, причём множество E содержит некоторую β- окрестность, что E=(x- β;x+ β) точки x. Тогда либо f(x) имеет в точке x производную, равную 0, то есть f´(x)=0 , либо производная в точке x не существует. Теорема Ролля Если функция f(x) непрерывна на отрезке (a;b), дифференцируема во всех внутренних точках этого отрезка и на концах x=a и x=b обращается в нуль, [f(a)=f(b)=0], то внутри отрезка (a;b) существует п окрпйней мере одна тоска x=c, a<c<b, в которой производная f´(x) обращается в нуль, т.е. f´(c)=0
Метод математической индукции
Метод математической индукции является важным способом доказательства предложений (утверждений), зависящих от натурального аргумента.
Метод математической индукции состоит в следующем:
Предложение (утверждение) P(n), зависящее от натурального числа n, справедливо для любого натурального n если:
1. P(1) является истинным предложением (утверждением);
2. P(n) остается истинным предложением (утверждением), если n увеличить на единицу, то есть P(n + 1) - истинное предложение (утверждение).
Таким образом метод математической индукции предполагает два этапа:
1. Этап проверки: проверяется, истинно ли предложение (утверждение) P(1).
2. Этап доказательства: предполагается, что предложение P(n) истинно, и доказывается истинность предложения P(n + 1) (n увеличено на единицу).
Замечание 1. В некоторых случаях метод математической индукции используется в следующей форме:
Пусть m - натуральное число, m > 1 и P(n) - предложение, зависящее от n, n ≥ m.
Если
1. P(m) справедливо;
2. P(n) будучи истинным предложением, влечет истинность предложения P(n + 1) для любого натурального n, n ≥ m, тогда P(n) - истинное предложение для любого натурального n, n ≥ m.
В дальнейшем рассмотрим примеры применения метода математической индукции.
Пример 1. Доказать следующие равенства
g) формула бинома Ньютона:
где n Î N.
Решение. a) При n = 1 равенство примет вид
1=1, следовательно, P(1) истинно. Предположим, что данное равенство справедливо, то есть, имеет место 
.Следует проверить (доказать), что P(n + 1), то есть
истинно. Поскольку (используется предположение индукции)
получим
то есть, P(n + 1) - истинное утверждение.
Таким образом, согласно методу математической индукции, исходное равенство справедливо для любого натурального n.
Замечание 2. Этот пример можно было решить и иначе. Действительно, сумма 1 + 2 + 3 + ... + n есть сумма первых n членов арифметической прогрессии с первым членом a1 = 1 и разностью d = 1. В силу известной формулы
, получим 
b) При n = 1 равенство примет вид: 2·1 - 1 = 12 или 1=1, то есть, P(1) истинно. Допустим, что имеет место равенство
1 + 3 + 5 + ... + (2n - 1) = n2
и докажем, что имеет место P(n + 1):
1 + 3 + 5 + ... + (2n - 1) + (2(n + 1) - 1) = (n + 1)2
или
1 + 3 + 5 + ... + (2n - 1) + (2n + 1) = (n + 1)2.
Используя предположение индукции, получим
1 + 3 + 5 + ... + (2n - 1) + (2n + 1) = n2 + (2n + 1) = (n + 1)2.
Таким образом, P(n + 1) истинно и, следовательно, требуемое равенство доказано.
Замечание 3. Этот пример можно решить (аналогично предыдущему) без использования метода математической индукции.
c) При n = 1 равенство истинно:
1=1. Допустим, что истинно равенство 
и покажем, что
то есть истинность P(n) влечет истинность P(n + 1). Действительно,
и, так как 2n2 + 7n + 6 = (2n + 3)(n + 2), получим
и, следовательно, исходное равенство справедливо для любого натурального n.
d) При n = 1 равенство справедливо:
1=1. Допустим, что имеет место 
и докажем, что
Действительно,
e) Утверждение P(1) справедливо:
2=2. Допустим, что равенство 
справедливо, и докажем, что оно влечет равенство
Действительно,
Следовательно, исходное равенство имеет место для любого натурального n.
f) P(1) справедливо:
1/3 = 1/3. Пусть имеет место равенство P(n): 
.Покажем, что последнее равенство влечет следующее:
Действительно, учитывая, что P(n) имеет место, получим
Таким образом, равенство доказано.
g) При n = 1 имеем a + b = b + a и, следовательно, равенство справедливо.
Пусть формула бинома Ньютона справедлива при n = k, то есть,
Тогда
Используя равенство
получим 
Пример 2. Доказать неравенства
a) неравенство Бернулли: (1 + )n ≥ 1 + n, > -1, n N.
b) x1 + x2 + ... + xn ≥ n, если x1x2· ... ·xn = 1 и xi > 0,
.c) неравенство Коши относительно среднего арифемтического и среднего геометрического
где xi > 0, , n ≥ 2.d) sin2na + cos2na ≤ 1, n ÎN.
e)
f) 2n > n3, n Î N, n ≥ 10.
Решение. a) При n = 1 получаем истинное неравенство
1 + a ≥ 1 + a.
Предположим, что имеет место неравенство
(1 + a)n ≥ 1 + na (1)
и покажем, что тогда имеет место и
(1 + a)n + 1≥ 1 + (n + 1)a.
, a > -1 a + 1 > 0, (1) (a + 1),
(1 + a)n(1 + a) ≥ (1 + na)(1 + a)
(1 + a)n + 1≥ 1 + (n + 1)a + na2
na2≥ 0, ,
(1 + a)n + 1≥ 1 + (n + 1)a + na2≥ 1 + (n + 1)a.
Таким образом, если P(n) истинно, то и P(n + 1) истинно, следовательно, согласно принципу математической индукции, неравенство Бернулли справедливо.
b) При n = 1 получим x1 = 1 и, следовательно, x1 ≥ 1 то есть P(1) - справедливое утверждение. Предположим, что P(n) истинно, то есть, если adica, x1,x2,...,xn - n положительных чисел, произведение которых равно единице, x1x2·...·xn = 1, и x1 + x2 + ... + xn ≥ n.
Покажем, что это предложение влечет истинность следующего: если x1,x2,...,xn,xn+1 - (n + 1) положительных чисел, таких, что x1x2·...·xn·xn+1 = 1, тогда x1 + x2 + ... + xn + xn + 1 ≥ n + 1.