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数学 / mean-value-theorem

微分中值定理

微分中值定理指出,满足连续性与可微性条件的实函数在区间内某点的导数等于该区间上的平均变化率。

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微分中值定理是微积分中的一项基本定理,它将函数在一个区间上的平均变化率与瞬时变化率联系起来。对于在闭区间上连续、在区间内部可微的实值函数,该定理保证区间内部至少有一点,其导数等于两端点之间的割线斜率。许多关于可微函数性质的结论都以此为基础。(openstax.org)

定理陈述与解释

设 a<ba<b,且 f:[a,b]→Rf:[a,b]\to\mathbb R 满足:

  1. ff 在 [a,b][a,b] 上连续。
  2. ff 在 (a,b)(a,b) 上可微。

则至少存在一个 c∈(a,b)c\in(a,b),使得

f′(c)=f(b)−f(a)b−a.f'(c)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}.

等价地,

f(b)−f(a)=f′(c)(b−a).f(b)-f(a)=f'(c)(b-a).

从几何上看,函数图像在 cc 处的切线平行于连接 (a,f(a))(a,f(a)) 与 (b,f(b))(b,f(b)) 的割线。若 f(t)f(t) 表示物体沿直线运动时的位置,则在该时间区间内,某一时刻的瞬时速度等于整个区间上的平均速度。(math.mit.edu)

定理只保证这样的点存在,并不保证其唯一,也没有断言 cc 是区间中点。它既不要求函数在端点处有导数,也不要求 f′f' 连续。(openstax.org)

例如,取 f(x)=x2f(x)=x^2。直接计算可得

f(b)−f(a)b−a=a+b.\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=a+b.

由于 f′(x)=2xf'(x)=2x,所求的点为 c=(a+b)/2c=(a+b)/2。这一中点结论是本例的特性:对于 [0,1][0,1] 上的 f(x)=x3f(x)=x^3,方程 3c2=13c^2=1 给出的却是 c=1/3c=1/\sqrt3。

罗尔定理与证明

标准的数学证明使用罗尔定理:在相同的连续性与可微性假设下,若 f(a)=f(b)f(a)=f(b),则区间内部存在一点 cc,使 f′(c)=0f'(c)=0。

罗尔定理可由极值定理推出。一个非常值的连续函数,如果两端点的函数值相等,就必定在区间内部取得最大值或最小值;可微性则保证其在该点的导数为零。常值函数的导数处处为零。(metaphor.ethz.ch)

要得到微分中值定理,只需从 ff 中减去割线所对应的线性函数。定义

h(x)=f(x)−f(a)−f(b)−f(a)b−a(x−a).h(x)=f(x)-f(a) -\frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a).

于是 h(a)=h(b)=0h(a)=h(b)=0,且 hh 满足罗尔定理的条件。因此,存在某个 c∈(a,b)c\in(a,b),使得

0=h′(c)=f′(c)−f(b)−f(a)b−a,0=h'(c) =f'(c)-\frac{f(b)-f(a)}{b-a},

从而证明了所述等式。(metaphor.ethz.ch)

推论与应用

在各个子区间上应用该定理,可以得到几项基本推论:

  • **导数为零:**若 f′=0f'=0 在一个区间上处处成立,则 ff 在该区间上为常数。
  • **导数相等:**两个函数若具有相同的导数,则它们相差一个常数。这解释了原函数中的积分常数。
  • **单调性:**导数为正意味着函数严格递增;导数为负意味着函数严格递减。导数非负或非正,则分别意味着函数具有相应的非严格单调性。(openstax.org)

另一项直接推论是对函数变化量的估计。若在 xx 与 yy 之间有 ∣f′(t)∣≤M|f'(t)|\le M,则由定理可得

∣f(y)−f(x)∣≤M∣y−x∣.|f(y)-f(x)|\le M|y-x|.

因此,导数具有统一界限即可推出利普希茨连续性。即使精确的中值等式不成立,向量值函数也有类似的估计。(maths.tcd.ie)

例如,由于 ∣cos⁡t∣≤1|\cos t|\le1,对正弦函数应用该定理便得到

∣sin⁡x−sin⁡y∣≤∣x−y∣.|\sin x-\sin y|\le|x-y|.

该定理还给出了精确的一阶增量公式:

f(x+h)=f(x)+hf′(x+θh),0<θ<1,f(x+h)=f(x)+hf'(x+\theta h), \qquad 0<\theta<1,

前提是 xx 与 x+hx+h 之间满足定理的条件。泰勒定理中有相应的高阶形式,用于控制多项式近似的误差。(ocw.mit.edu)

定理条件为何重要

端点处的连续性不能随意省略。考虑如下直接构造的例子:

f(x)={0,0≤x<1,1,x=1.f(x)= \begin{cases} 0,&0\le x<1,\\ 1,&x=1. \end{cases}

它在 (0,1)(0,1) 内的导数处处为零,但两端点之间的割线斜率为 11,因此不存在符合定理结论的点。

区间内部的可微性同样不可缺少。对于 [−1,1][-1,1] 上的 f(x)=∣x∣f(x)=|x|,两端点之间的割线斜率为零。然而,在导数存在的各点,导数不是 −1-1 就是 11,而在零点处导数不存在。因此,中值定理的结论不成立。这些例子说明了定理为何同时要求这两个条件。(openstax.org)

这些假设是充分条件,并非某个具体函数恰好满足该等式的必要条件。定理也不意味着可以用同一个固定的 cc 来满足所有子区间上的中值等式。

柯西广义中值定理

柯西中值定理涉及两个函数 ff 和 gg,二者都在 [a,b][a,b] 上连续、在 (a,b)(a,b) 上可微。它保证存在某个 c∈(a,b)c\in(a,b),使得

[f(b)−f(a)]g′(c)=[g(b)−g(a)]f′(c).[f(b)-f(a)]g'(c) =[g(b)-g(a)]f'(c).

若 g′g' 在区间内部处处不为零,则由罗尔定理可知 g(b)≠g(a)g(b)\ne g(a),因而相除可得

f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(c)g′(c).\frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} =\frac{f'(c)}{g'(c)}.

取 g(x)=xg(x)=x,便得到普通的微分中值定理。这一广义结果用于证明洛必达法则,以求某些商式的极限。交叉相乘的等式是更一般的形式,因为它不需要除以可能为零的量。(ocw.mit.edu)

积分形式与多变量形式

积分中值定理指出,[a,b][a,b] 上的连续实值函数会取到其积分平均值:存在某个 c∈[a,b]c\in[a,b],使得

∫abf(x) dx=f(c)(b−a).\int_a^b f(x)\,dx=f(c)(b-a).

与微分中值定理不同,这一结论涉及函数值而非导数,也不要求函数可微。当 f′f' 连续时,微积分基本定理通过下式将两者联系起来:

f(b)−f(a)=∫abf′(x) dx.f(b)-f(a)=\int_a^b f'(x)\,dx.

这种积分论证所用的假设比普通微分中值定理更强。(openstax.org)

对于多个实变量的可微标量函数,沿线段应用一维中值定理可得

f(y)−f(x)=∇f(c)⋅(y−x),f(y)-f(x)=\nabla f(c)\cdot(y-x),

其中 c=x+θ(y−x)c=x+\theta(y-x),0<θ<10<\theta<1,前提是该线段位于函数的开定义域内。这里的 ∇f\nabla f 是梯度。(maths.tcd.ie)

对于向量值函数,用单个中间点处的导数表示变化量的精确等式通常不成立。例如,对于

F(t)=(cos⁡t,sin⁡t),0≤t≤2π,F(t)=(\cos t,\sin t),\qquad 0\le t\le2\pi,

两端点的函数值相同,但 F′(t)=(−sin⁡t,cos⁡t)F'(t)=(-\sin t,\cos t) 从不为零。此时,范数不等式取代了标量情形的等式;对于取值于巴拿赫空间的连续可微函数,有

∥F(b)−F(a)∥≤(b−a)sup⁡a≤t≤b∥F′(t)∥.\|F(b)-F(a)\| \le(b-a)\sup_{a\le t\le b}\|F'(t)\|.

(maths.tcd.ie)

历史发展

米歇尔·罗尔于1691年建立了罗尔定理针对多项式的早期形式。微分中值定理的发展与拉格朗日及奥古斯丁-路易·柯西的工作密切相关;柯西在1823年的无穷小微积分讲义中发表了该定理的精确表述与证明。它的现代形式是在十九世纪数学分析走向严格化的过程中形成的。(math.camden.rutgers.edu)

参考来源

  1. 4 The Mean Value Theorem - Calculus Volume 1openstax.org
  2. 1 Statement and Geometric Interpretationmath.mit.edu
  3. THE MEAN VALUE THEOREMmetaphor.ethz.ch
  4. 100B S25 Lecture 16: Rolle’s Theorem; Mean Theorem; L’Hôpital’s Rule; Taylor Expansionocw.mit.edu
  5. 3 The Fundamental Theorem of Calculus - Calculus Volume 1openstax.org
  6. The Mean Value Theorem for Vector Valued Functions: A Simple Proofmaths.tcd.ie
  7. Vector-valued integralsmath.ucdavis.edu
  8. Real Analysis: Mean Value Theorems for Derivativesmath.camden.rutgers.edu