フェルマーの補題

Basis
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なめらかな丘に頂上があれば、そこでの傾きはゼロでなければならない。フェルマーの補題はこの直観を厳密にする:内部局所極値において接線は水平だ。これはあらゆる平均値定理の中核をなす。

命題

フェルマーの補題。 ff を x0x_0 を含む開区間上で定義された関数とする。x0x_0 が ff の局所極値であり、ff が x0x_0 で微分可能ならば、

f′(x0)=0.f'(x_0) = 0.

証明

x0x_0 が局所最大値の場合を示す(最小値の場合は対称的だ)。局所最大値の定義より、δ>0\delta > 0 が存在して

f(x)≤f(x0)for all x∈(x0−δ, x0+δ)f(x) \leq f(x_0) \quad \text{for all } x \in (x_0 - \delta,\, x_0 + \delta)

が成り立つ。小さい h≠0h \neq 0 に対する差分商 f(x0+h)−f(x0)h\dfrac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h} を考える。

  • h∈(0,δ)h \in (0, \delta) のとき:f(x0+h)−f(x0)≤0f(x_0 + h) - f(x_0) \leq 0 かつ h>0h > 0 なので商は ≤0\leq 0 だ。h→0+h \to 0^+ の極限をとると f′(x0)≤0f'(x_0) \leq 0。
  • h∈(−δ,0)h \in (-\delta, 0) のとき:f(x0+h)−f(x0)≤0f(x_0 + h) - f(x_0) \leq 0 かつ h<0h < 0 なので商は ≥0\geq 0 だ。h→0−h \to 0^- の極限をとると f′(x0)≥0f'(x_0) \geq 0。

f′(x0)f'(x_0) が存在するので、両片側極限はそれに等しい。よって f′(x0)≤0f'(x_0) \leq 0 かつ f′(x0)≥0f'(x_0) \geq 0 であり、f′(x0)=0f'(x_0) = 0 が強制される。□\square

逆が成り立たない理由

f′(x0)=0f'(x_0) = 0 という条件は局所極値を保証しない。f′(x0)=0f'(x_0) = 0 となる点は停留点(stationary point)(または臨界点(critical point))と呼ばれるが、最大値でも最小値でもない場合がある。

例。 f(x)=x3f(x) = x^3 に対して f′(0)=0f'(0) = 0 だが、x0=0x_0 = 0 は局所極値ではない:x<0x < 0 で f(x)<0f(x) < 0、x>0x > 0 で f(x)>0f(x) > 0 であり、関数は 00 を通じて狭義単調増加している。

極値が内部にある必要性

フェルマーの補題は x0x_0 が定義域の内部にあることを必要とする。境界点では関数は片側の値としか比較されないため、片側差分商がゼロになる必要はない。

例。 [0,1][0, 1] 上の f(x)=xf(x) = x は 00 で局所最小値、11 で局所最大値をもつ。しかし f′(0)=f′(1)=1≠0f'(0) = f'(1) = 1 \neq 0 だ。

まとめ

  • フェルマーの補題:ff が内部局所極値 x0x_0 で微分可能ならば f′(x0)=0f'(x_0) = 0 だ。
  • 証明の要点:差分商は右からは非正、左からは非負になるため、両片側極限——したがって f′(x0)f'(x_0)——はゼロに等しい。
  • 逆は成り立たない:f′(x0)=0f'(x_0) = 0 は局所極値の必要条件だが十分条件ではない。
  • 結果は x0x_0 が内部にあることを必要とする:境界極値では微分係数が非ゼロになりうる。