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]→R を連続とする。そうするとある ξ∈[a,b] が存在して
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
が成り立つ。
同等に、[a,b] 上の f の平均値 b−a1∫abf(x)dx は、ある内部点で f によって達成される。
証明
f が閉有界区間 [a,b] で連続であるから、その最小値 m:=min[a,b]f と最大値 M:=max[a,b]f を達成する(極値定理)。積分の単調性により、f を定数関数 m と M と比較することで
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a).
b−a>0 で割ると:
m≤b−a1∫abf(x)dx≤M.
量 μ:=b−a1∫abf(x)dx は [a,b] 上の f の最小値と最大値の間にある。f が [a,b] で連続であるから、中間値定理はある ξ∈[a,b] の存在を保証して f(ξ)=μ である。両方を (b−a) で掛けると結果を得る。□
加重版
より一般的な形式は、長さ b−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]→R を連続とし、g:[a,b]→R を積分可能で、すべての x∈[a,b] で g(x)≥0 とする。そうするとある ξ∈[a,b] が存在して
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.
証明。 再び m=min[a,b]f と M=max[a,b]f とする。g≥0 と m≤f≤M から、単調性により
m∫abg(x)dx≤∫abf(x)g(x)dx≤M∫abg(x)dx.
ケース1: ∫abg=0。次に左積分も 0(0≤∫fg≤0 から)であるから、任意の ξ に対して方程式 ∫fg=f(ξ)⋅0 は成り立つ。ξ=a としよう。
ケース2: ∫abg>0。不等式を ∫abg で割ると
m≤∫abg(x)dx∫abf(x)g(x)dx≤M.
IVT(前と同じ議論)により、ある ξ∈[a,b] が存在して f(ξ) がその比に等しい。□
非加重定理は特別な場合 g≡1 である。
幾何学的解釈:平均値
[a,b] 上 f の平均値を定義する
⟨f⟩:=b−a1∫abf(x)dx.
幾何学的には、⟨f⟩ は底辺 [a,b] で面積が ∫abf 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。f が [a,b] で m と M の間に有界であると知っているなら、
m≤⟨f⟩≤M,
正確に計算することなく積分を制限する。
計算例
問題。 ∫01e−x2dx∈(e−1,1) であることを示す。
解答。 関数 f(x)=e−x2 は連続で [0,1] 上で厳密に減少し、f(0)=1 と f(1)=e−1 である。積分の単調性により、
e−1⋅1≤∫01e−x2dx≤1⋅1,
したがって積分は [e−1,1] に属する。f は厳密に減少し、定数ではないから、不等式は厳密である:
∫01e−x2dx∈(e−1,1).
平均値定理は、ある ξ∈(0,1) に対して e−ξ2=∫01e−x2dx 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 x 値がある。
数値チェック。 積分は約 0.7468 で、実際に (e−1,1)≈(0.368,1) に属する。
まとめ
- 積分に関する平均値定理:f が [a,b] で連続なら、∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a) がある ξ∈[a,b] に対して成り立つ。
- 証明:単調性からの限度 m(b−a)≤∫f≤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:g≥0 が積分可能なら、ある ξ∈[a,b] に対して ∫fg=f(ξ)∫g。
- 平均値:⟨f⟩=b−a1∫abf は同じ面積の矩形の高さ;定理は ξ 上で f(ξ)=⟨f⟩。
- 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。