数学基础系列(三)----第一中值定理、微积分基本定理、牛莱公式、泰勒公式

一、第一中值定理

如果函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则在积分区间[a,b]上至少存在一个点$\xi $,使得$\int_{a}^{b}f(x)dx=f(\xi )(b-a).(a\leqslant \xi \leqslant b)$

  

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二、微积分基本定理

积分上限函数:函数f(x)在区间[a,b]上连续,对于定积分$\int_{a}^{x}f(x)dx$每一个取值的x都有一个对应的定积分值。记作:$\Phi (x)=\int_{a}^{x}f(t)dt$

定理1:

  

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定理2(原函数存在定理):

  

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三、牛顿—莱布尼兹

牛顿-莱布尼兹式(Newton-Leibniz formula),通常也被称为微积分基本公式,它揭示了定积分与被积函数的原函数或者不定积分之间的联系。

如果F(x)是连续函数f(x)在区间[a,b]上的一个原函数,则:$\int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a)$

解释:一个连续函数在区间[a,b]上的定积分等于它的任意一个原函数在区间[a,b]上的增量

几何解释:

  

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可得:$f(b)-f(a)=\sum dy$,由于$dy={f}'(x)dx$,所以 $f(b)-f(a)=\sum f'(x)dx=\int_{a}^{b}f'(x)dx$

例题:求解$\int_{0}^{\frac{\pi }{2}}(2\cos x+\sin x-1)dx$

  

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定理3(微积分基本公式)

  

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有$f(x)\in C[a,b]$,且$F'(x)=f(x)$

  

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例题:计算由曲线y2=2x和直线y=x-4所围成的图形的面积

  

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四、泰勒公式

简单来讲就是用一个多项式函数去无限逼近一个给定的函数(即尽量使多项式函数图像拟合给定的函数图像,如sin x,cos x等函数值的近似计算),注意,逼近的时候一定是从函数图像上的某个点展开。如果一个非常复杂函数,想求其某点的值,直接求无法实现,这时候可以使用泰勒公式去近似的求该值,这是泰勒公式的应用之一。泰勒公式在机器学习中主要应用于梯度迭代。

首先回忆微分 

若$f'(x_{0})$存在,在$x_{0}$附近有$f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})\approx f'(x_{0})\Delta x$。

由于$\Delta x=x-x_{0}$,可以得到$f(x)=f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})+o(x-x_{0})$,

近似可得$f(x)\approx f(x_{0})+f'(x_{0})(x-x_{0})$。

接着再来引出泰勒公式,如果说我们想要以直线来近似的代替一个曲线,如下图所示

  

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只用一阶导数看起来有点不准呀,如上图所示,能不能在利用一些呢?答案肯定是可以的,一阶导数只帮我们定位了下一个点是上升还是下降,然后对之后的趋势就很难把控了。

  

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那如何定位的更准确一些呢?如果我们再把二阶导数利用上呢?

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