積分に関する平均値定理

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2時間運転して120 kmをカバーした場合、平均速度は60 km/hであった。その瞬間のある瞬間に正確にその平均を移動していたはずだ。この事実の積分版は次の通りである。連続関数の平均値は、実は区間のどこかの点で達成される。これが積分に関する平均値定理で、変数上限関数が微分可能であることを証明する重要な成分である。

陳述

定理(積分に関する平均値定理)。 f:[a,b]Rf : [a, b] \to \mathbb{R}連続とする。そうするとある ξ[a,b]\xi \in [a, b] が存在して

abf(x)dx  =  f(ξ)(ba).\int_a^b f(x)\,dx \;=\; f(\xi)\,(b - a).

が成り立つ。

同等に、[a,b][a, b] 上の ff平均値 1baabf(x)dx\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx は、ある内部点で ff によって達成される。

証明

ff が閉有界区間 [a,b][a, b] で連続であるから、その最小値 mmin[a,b]fm \coloneqq \min_{[a,b]} f と最大値 Mmax[a,b]fM \coloneqq \max_{[a,b]} f を達成する(極値定理)。積分の単調性により、ff を定数関数 mmMM と比較することで

m(ba)    abf(x)dx    M(ba).m(b - a) \;\leq\; \int_a^b f(x)\,dx \;\leq\; M(b - a).

ba>0b - a > 0 で割ると:

m    1baabf(x)dx    M.m \;\leq\; \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx \;\leq\; M.

μ1baabf(x)dx\mu \coloneqq \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx[a,b][a, b] 上の ff の最小値と最大値の間にある。ff[a,b][a, b] で連続であるから、中間値定理はある ξ[a,b]\xi \in [a, b] の存在を保証して f(ξ)=μf(\xi) = \mu である。両方を (ba)(b - a) で掛けると結果を得る。\square

加重版

より一般的な形式は、長さ bab - a を非負の加重関数に置き換える。

定理(加重積分に関する平均値定理)。 f:[a,b]Rf : [a, b] \to \mathbb{R} を連続とし、g:[a,b]Rg : [a, b] \to \mathbb{R} を積分可能で、すべての x[a,b]x \in [a, b]g(x)0g(x) \geq 0 とする。そうするとある ξ[a,b]\xi \in [a, b] が存在して

abf(x)g(x)dx  =  f(ξ)abg(x)dx.\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;=\; f(\xi)\int_a^b g(x)\,dx.

証明。 再び m=min[a,b]fm = \min_{[a,b]} fM=max[a,b]fM = \max_{[a,b]} f とする。g0g \geq 0mfMm \leq f \leq M から、単調性により

mabg(x)dx    abf(x)g(x)dx    Mabg(x)dx.m \int_a^b g(x)\,dx \;\leq\; \int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;\leq\; M \int_a^b g(x)\,dx.

ケース1: abg=0\int_a^b g = 0。次に左積分も 0(0fg00 \leq \int fg \leq 0 から)であるから、任意の ξ\xi に対して方程式 fg=f(ξ)0\int fg = f(\xi) \cdot 0 は成り立つ。ξ=a\xi = a としよう。

ケース2: abg>0\int_a^b g > 0。不等式を abg\int_a^b g で割ると

m    abf(x)g(x)dxabg(x)dx    M.m \;\leq\; \frac{\displaystyle\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx}{\displaystyle\int_a^b g(x)\,dx} \;\leq\; M.

IVT(前と同じ議論)により、ある ξ[a,b]\xi \in [a, b] が存在して f(ξ)f(\xi) がその比に等しい。\square

非加重定理は特別な場合 g1g \equiv 1 である。

幾何学的解釈:平均値

[a,b][a, b]ff平均値を定義する

f    1baabf(x)dx.\langle f \rangle \;\coloneqq\; \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx.

幾何学的には、f\langle f \rangle は底辺 [a,b][a, b] で面積が abf\int_a^b f に等しい矩形の高さである。平均値定理は、この矩形が曲線下の領域と同じ面積を持つと述べる。異なる方法で述べると、連続関数はその平均を通す必要がある。

この解釈は推定に有用である。ff[a,b][a, b]mmMM の間に有界であると知っているなら、

m    f    M,m \;\leq\; \langle f \rangle \;\leq\; M,

正確に計算することなく積分を制限する。

計算例

問題。 01ex2dx(e1,1)\displaystyle\int_0^1 e^{-x^2}\,dx \in \bigl(e^{-1},\, 1\bigr) であることを示す。

解答。 関数 f(x)=ex2f(x) = e^{-x^2} は連続で [0,1][0,1] 上で厳密に減少し、f(0)=1f(0) = 1f(1)=e1f(1) = e^{-1} である。積分の単調性により、

e11    01ex2dx    11,e^{-1} \cdot 1 \;\leq\; \int_0^1 e^{-x^2}\,dx \;\leq\; 1 \cdot 1,

したがって積分は [e1,1][e^{-1}, 1] に属する。ff は厳密に減少し、定数ではないから、不等式は厳密である:

01ex2dx    (e1,1).\int_0^1 e^{-x^2}\,dx \;\in\; \bigl(e^{-1},\, 1\bigr).

平均値定理は、ある ξ(0,1)\xi \in (0, 1) に対して eξ2=01ex2dxe^{-\xi^2} = \int_0^1 e^{-x^2}\,dx であることを保証する — 閉じた形で見つけることはできなくても、その性質を満たす特定の xx 値がある。

数値チェック。 積分は約 0.7468 で、実際に (e1,1)(0.368,1)(e^{-1}, 1) \approx (0.368, 1) に属する。

まとめ

  • 積分に関する平均値定理ff[a,b][a, b] で連続なら、abf(x)dx=f(ξ)(ba)\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = f(\xi)(b-a) がある ξ[a,b]\xi \in [a, b] に対して成り立つ。
  • 証明:単調性からの限度 m(ba)fM(ba)m(b-a) \leq \int f \leq M(b-a)、連続関数の IVT と組み合わせ、平均値が達成されることを保証する。
  • 加重版g0g \geq 0 が積分可能なら、ある ξ[a,b]\xi \in [a, b] に対して fg=f(ξ)g\int fg = f(\xi)\int g
  • 平均値f=1baabf\langle f \rangle = \frac{1}{b-a}\int_a^b f は同じ面積の矩形の高さ;定理は ξ\xi 上で f(ξ)=ff(\xi) = \langle f \rangle
  • 定理は、変数上限関数の差分商を制限するために、ニュートン—ライプニッツの公式の証明で直接使われる。