• 零值定理


    (【定理内容】若f(x)在[a,b]连续,f(a)f(b)<0,则存在一点xi,有f(xi)=0)
    (中科大的证明,经今日头条“数学数学救火队长马丁”老师提示,用的是数列极限的保不等式性,我这里加了一个反证法的证明。)
    (设f(x)在[a,b]上连续,且f(a)f(b)<0,则一定存在xiin[a,b],有f(xi)=0)
    (证明)
    (不妨设f(a)<0,f(b)>0)
    (若f(frac{a+b}{2})=0,则frac{a+b}{2}为所求的点)
    (否则,该点函数值必与f在两端点a,b的取值异号,记这个异号的区间为[a1,b1])
    (保证右侧端点f取值为正)
    (对[a1,b1]重复上述步骤,得到闭区间序列)
    满足如下条件
    ([a,b]supset[a_{1},b_{1}]supset[a_{2},b_{2}]...[a_{n},b_{n}])
    (0<b_{n}-a_{n}=frac{b-a}{2^n})
    (lim_{n oinfty}b_{n}-a_{n}=0)
    (f(a_{n})<0<f(b_{n})quadquad(1))
    (由闭区间套定理可知,存在唯一一点xiin[a_{n},b_{n}],n=1,2,...)
    (且lim_{n oinfty}a_{n}=lim_{n oinfty}b_{n}=xi)
    (因f为连续函数,故lim_{n oinfty}f(a_{n})=lim_{n oinfty}f(b_{n})=f(xi))
    (根据数列极限的保不等式性,由f(a_{n})<0,f(b_{n})>0,可知:)
    (lim_{n oinfty}f(a_{n})leqslant0)
    (lim_{n oinfty}f(b_{n})geqslant0)
    (即f(xi)leqslant 0,且f(xi)geqslant 0)
    (可知,f(xi)=0)
    (证毕。)

    (下面用反证法证明f(xi)=0)
    (反证法,假设f(xi) eq 0,不妨设f(xi)<0)
    (由lim_{n oinfty}f(b_{n})=f(xi),可知)
    (forall epsilon>0,exists N,当n>N时,有f(b_{n})-f(xi)<epsilon)
    (取epsilon=|frac{f(xi))}{2}|)
    (因为f(xi)<0,故epsilon=-frac{f(xi))}{2})
    (故存在N,当n>N时,有|f(b_{n})-f(xi)|<epsilon)
    (即quad f(xi)-epsilon<f(b_{n})<f(xi)+epsilon)
    (即quad frac{3f(xi)}{2}<f(b_{n})<frac{f(xi)}{2}<0)
    (而根据上面的(1)式,forall n ,均有f(b_{n})>0,矛盾)
    (同理,如果f(xi)>0,将导致f(a_{n})>0),矛盾)
    (故,f(xi)只能为0)
    (证毕)
    (即使用了数列极限的保号性,中科大的证明里没有)

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