兩小時行駛 120 公里,平均速度為 60 公里/小時。在行程的某個瞬間,速度表的讀數必定恰好是 60 公里/小時。拉格朗日有限增量定理(Lagrange’s finite-increment theorem)就是這一事實對任意可微函式的數學表述。
定理陳述
定理(均值定理 / 拉格朗日有限增量定理)。 設 f:[a,b]→R。若
- f 在 [a,b] 上連續,且
- f 在 (a,b) 上可微,
則存在 c∈(a,b) 使得
f(b)−f(a)=f′(c)(b−a).(1)
證明
核心思想是:從 f 中減去過 (a,f(a)) 和 (b,f(b)) 的割線所對應的線性函式,將問題化為可套用羅爾定理的形式。
定義輔助函式
g(x):=f(x)−f(a)−b−af(b)−f(a)(x−a).
則:
- g 在 [a,b] 上連續,在 (a,b) 上可微(由 f 的性質繼承)。
- g(a)=0,g(b)=f(b)−f(a)−(f(b)−f(a))=0。
由羅爾定理,存在 c∈(a,b) 使得 g′(c)=0。計算:
g′(x)=f′(x)−b−af(b)−f(a),
因此 g′(c)=0 給出 f′(c)=b−af(b)−f(a),即 (1)。□
幾何意義
(1) 右端是過 (a,f(a)) 和 (b,f(b)) 的割線斜率。定理指出,在某個內部點,切線平行於該割線。換句話說,瞬時變化率在某點等於平均變化率。
推論
常數函式
推論。 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)=0,則 f 在 [a,b] 上為常數。
證明。 對任意 x∈[a,b],在 [a,x] 上套用均值定理:f(x)−f(a)=f′(c)(x−a)=0,故 f(x)=f(a)。□
單調函式
推論。 若對所有 x∈(a,b) 均有 f′(x)>0,則 f 在 [a,b] 上嚴格遞增。
證明。 對 a≤x1<x2≤b,在 [x1,x2] 上套用均值定理:f(x2)−f(x1)=f′(c)(x2−x1)>0。□
f′<0 的情形類似,得出嚴格遞減;f′≥0(或 ≤0)則得出非嚴格的單調性。
Lipschitz 界
推論。 若對所有 x∈(a,b) 均有 ∣f′(x)∣≤M,則對所有 x1,x2∈[a,b],∣f(x2)−f(x1)∣≤M∣x2−x1∣。
這就是常數為 M 的 Lipschitz 條件,廣泛用於控制近似誤差。
摘要
- 均值定理:若 f 在 [a,b] 上連續、在 (a,b) 上可微,則 f(b)−f(a)=f′(c)(b−a) 對某個 c∈(a,b) 成立。
- 證明:對 g(x)=f(x)−(割線) 套用羅爾定理。
- 推論:導數為零 → 常數;正導數 → 嚴格遞增;有界導數 → Lipschitz。
- 定理將全域變化量 f(b)−f(a) 與局部量 f′(c) 相聯繫,是證明可微函式性質的核心工具。