費馬引理

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 均值定理

平滑山丘的頂峰處斜率必為零——費馬引理(Fermat’s lemma)將這一直覺嚴格化:在內部局部極值點處,切線是水平的。這是每一個均值定理的核心成分。

定理陳述

費馬引理。 設 ff 在包含 x0x_0 的某開區間上有定義。若 x0x_0 是 ff 的局部極值點,且 ff 在 x0x_0 處可微,則

f′(x0)=0.f'(x_0) = 0.

證明

設 x0x_0 是局部最大值點(最小值的情形對稱)。由局部最大值的定義,存在 δ>0\delta > 0 使得

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

考慮差商 f(x0+h)−f(x0)h\dfrac{f(x_0 + h) - f(x_0)}{h},h≠0h \neq 0 且 hh 足夠小。

  • 對 h∈(0,δ)h \in (0, \delta):f(x0+h)−f(x0)≤0f(x_0 + h) - f(x_0) \leq 0 且 h>0h > 0,故差商 ≤0\leq 0。取極限 h→0+h \to 0^+ 得 f′(x0)≤0f'(x_0) \leq 0。
  • 對 h∈(−δ,0)h \in (-\delta, 0):f(x0+h)−f(x0)≤0f(x_0 + h) - f(x_0) \leq 0 且 h<0h < 0,故差商 ≥0\geq 0。取極限 h→0−h \to 0^- 得 f′(x0)≥0f'(x_0) \geq 0。

由於 f′(x0)f'(x_0) 存在,兩個單側極限均等於它。因此 f′(x0)≤0f'(x_0) \leq 0 且 f′(x0)≥0f'(x_0) \geq 0,迫使 f′(x0)=0f'(x_0) = 0。□\square

逆命題為何不成立

條件 f′(x0)=0f'(x_0) = 0 不保證局部極值的存在。使 f′(x0)=0f'(x_0) = 0 的點稱為駐點(stationary point)(或臨界點(critical point)),但它可能既不是最大值也不是最小值。

例。 對 f(x)=x3f(x) = x^3,有 f′(0)=0f'(0) = 0,但 x0=0x_0 = 0 不是局部極值點:x<0x < 0 時 f(x)<0f(x) < 0,x>0x > 0 時 f(x)>0f(x) > 0,函式在 00 處嚴格遞增。

極值點必須在內部的原因

費馬引理要求 x0x_0 在定義域的內部。在邊界點處,函式只與一側的值比較,單側差商不必為零。

例。 f(x)=xf(x) = x 在 [0,1][0, 1] 上,00 處有局部最小值,11 處有局部最大值,但 f′(0)=f′(1)=1≠0f'(0) = f'(1) = 1 \neq 0。

摘要

  • 費馬引理:若 ff 在內部局部極值點 x0x_0 處可微,則 f′(x0)=0f'(x_0) = 0。
  • 證明思路:差商從右側非正、從左側非負,故兩個單側極限——即 f′(x0)f'(x_0)——均等於零。
  • 逆命題不成立:f′(x0)=0f'(x_0) = 0 是局部極值的必要條件,但非充分條件。
  • 此結論需要 x0x_0 在內部:邊界處的極值點導數可以不為零。