Teoremas de Rolle, Lagrange y Cauchy Demostraciones
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Teoremas de Rolle y de Lagrange
Teorema de Rolle
Michael Rolle (1652-1719)
Si una función es continua en un intervalo cerrado [a,b], derivable en el
intervalo abierto (a,b) y f(a)=f(b), entonces existe al menos un punto c entre
a y b para el cual f'(c)=0.
H) f es continua en [a,b]
f es derivable en (a,b)
f(a)=f(b)
T) Existe c perteneciente a (a,b) / f'(c)=0
Interpretado geométricamente, significa que si una curva alcanza el mismo
valor en dos puntos, entonces debe poseer una tangente horizontal en
algún punto intermedio.
Demostración:
f es continua en [a,b] => por teo. de Weierstrass f tiene máximo absoluto M
y mínimo absoluto m en [a,b].
Para todo x perteneciente a [a,b] m <= f(x) <= M.
Existe x1 perteneciente a [a,b] / f(x1)=M.
Existe x2 perteneciente a [a,b] / f(x2)=m.
Si m = M => para todo x perteneciente a [a,b] f(x) = M => f'(x) = 0
Sino, m < M => por lo menos uno de los puntos, x1 o x2, corresponde al
interior del intervalo, a (a,b), por ejemplo x2.
=> (a,b) se comporta como un entorno de x2.
Se cumple que para todo x perteneciente a (a,b) f(x2) <= f(x)
=> Por def. de mínimo relativo f presenta un mínimo relativo en x2. (1)
f es derivable por hipótesis. (2)
De 1) y 2), por Condición necesaria para la existencia de extremos relativos
f'(x2)=0
Teorema de Lagrange o del valor medio
Joseph Louis Lagrange (1736 - 1813)
Si f(x) es continua en el intervalo cerrado [a,b] y derivable en todo punto del
intervalo abierto (a,b), entonces existe al menos un punto c donde f'(c) =
(f(b) - f(a))/(b - a).
H) f(x) es continua en [a,b]
f(x) es derivable en (a,b)
T) Existe c perteneciente a (a,b) / f'(c)=(f(b) - f(a))/(b - a)
Geométricamente, (f(b) - f(a))/(b - a) es la tangente del ángulo que forma la
secante que pasa por los puntos A(a,f(a)) y B(b,f(b)) de la curva, con el eje
ox.
f'(c) es la tangente del ángulo que forma la recta tangente a la curva en el
punto c, con el eje ox.
Entonces, el teorema expresa que existe al menos un punto en el intervalo
(a,b) donde la tangente a la curva es paralela a la recta que pasa por A y B.
Demostración:
Definamos una función auxiliar g(x) = f(x) + hx, h perteneciente a R.
g es continua en [a,b] por ser suma de funciones continuas.
g es derivable en (a,b) por ser suma de funciones derivables.
Queremos que g(a) sea igual a g(b) para aplicar el teorema de Rolle
=> f(a) + ha = f(b) + hb => f(a) - f(b) = hb - ha = h(b - a)
f(a) - f(b)
=> h = -----------
b - a
=> por teo. de Rolle, existe c perteneciente a (a,b) / g'(c) = 0
g'(x) = f'(x) + h
f(b) - f(a)
g'(c) = f'(c) + h = 0 => f'(c) = -----------
b - a
Considérese por ejemplo, el caso donde x es el tiempo y f(x) la distancia de
un automóvil desde su punto de partida a lo largo de cierto camino.
Entonces (f(b) - f(a))/(b - a) es la velocidad promedio del automóvil en el
período b - a. (Recordar que velocidad = distancia/tiempo)
Por lo tanto f'(a)=limx->a (f(x) - f(a))/(x - a) es la velocidad del auto en el
tiempo a.
Si por ejemplo el auto ha recorrido 200km. en 2 hs., la velocidad promedio
fue de 100km. por hora.
Por el teorema de Lagrange podemos decir que, al menos en un momento
durante esas dos horas, el auto tuvo una velocidad de exactamente
100km/h.
Teoremas de Cauchy
Teorema de Cauchy
Augustin Cauchy (1789-1857)
H) f(x) y g(x) continuas en [a,b]
f(x) y g(x) derivables en (a,b)
f'2(x) + g'2(x) distinto de 0 para todo x perteneciente a (a,b)
(Las derivadas no se anulan en el mismo punto del intervalo.)
g(a) distinto de g(b)
T) Existe c perteneciente a (a,b) / (f(b) - f(a))/(g(b) - g(a)) = f'(c)/g'(c)
Demostración:
Sea h(x) = f(x) + kg(x)
1. h es continua en [a,b] por ser suma de funciones continuas en [a,b].
2. h es derivable en (a,b) por ser suma de funciones derivables en (a,b).
3. Queremos que h(a)=h(b) para aplicar el teorema de Rolle.
=> f(a) + kg(a) = f(b) + kg(b)
k(g(a) - g(b)) = f(b) - f(a)
k = (f(b) - f(a))/(g(a) - g(b))
De 1),2) y 3) por el teorema de Rolle existe c perteneciente a (a,b) / h'(c) =
0.
h'(x) = f'(x) + kg'(x)
h'(c) = f'(c) + kg'(c) = 0
f'(c)/g'(c) = -k
f'(c)/g'(c) = (f(b) - f(a))/(g(b) - g(a))