拉格朗日均值定理

Basis
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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)。f:[a,b]Rf : [a, b] \to \mathbb{R}。若

  1. ff[a,b][a, b] 上連續,且
  2. ff(a,b)(a, b) 上可微,

則存在 c(a,b)c \in (a, b) 使得

f(b)f(a)  =  f(c)(ba).(1)f(b) - f(a) \;=\; f'(c)\,(b - a). \tag{1}

證明

核心思想是:從 ff 中減去過 (a,f(a))(a, f(a))(b,f(b))(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)f(b)f(a)ba(xa).g(x) \;\coloneqq\; f(x) - f(a) - \frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x - a).

則:

  • gg[a,b][a, b] 上連續,在 (a,b)(a, b) 上可微(由 ff 的性質繼承)。
  • g(a)=0g(a) = 0g(b)=f(b)f(a)(f(b)f(a))=0g(b) = f(b) - f(a) - (f(b)-f(a)) = 0

羅爾定理,存在 c(a,b)c \in (a, b) 使得 g(c)=0g'(c) = 0。計算:

g(x)  =  f(x)f(b)f(a)ba,g'(x) \;=\; f'(x) - \frac{f(b)-f(a)}{b-a},

因此 g(c)=0g'(c) = 0 給出 f(c)=f(b)f(a)baf'(c) = \dfrac{f(b)-f(a)}{b-a},即 (1)(1)\square

幾何意義

(1)(1) 右端是過 (a,f(a))(a, f(a))(b,f(b))(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)x \in (a, b) 均有 f(x)=0f'(x) = 0,則 ff[a,b][a, b] 上為常數。

證明。 對任意 x[a,b]x \in [a, b],在 [a,x][a, x] 上套用均值定理:f(x)f(a)=f(c)(xa)=0f(x) - f(a) = f'(c)(x - a) = 0,故 f(x)=f(a)f(x) = f(a)\square

單調函式

推論。 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)>0f'(x) > 0,則 ff[a,b][a, b] 上嚴格遞增。

證明。ax1<x2ba \leq x_1 < x_2 \leq b,在 [x1,x2][x_1, x_2] 上套用均值定理:f(x2)f(x1)=f(c)(x2x1)>0f(x_2) - f(x_1) = f'(c)(x_2 - x_1) > 0\square

f<0f' < 0 的情形類似,得出嚴格遞減;f0f' \geq 0(或 0\leq 0)則得出非嚴格的單調性。

Lipschitz 界

推論。 若對所有 x(a,b)x \in (a, b) 均有 f(x)M|f'(x)| \leq M,則對所有 x1,x2[a,b]x_1, x_2 \in [a, b]f(x2)f(x1)Mx2x1|f(x_2) - f(x_1)| \leq M|x_2 - x_1|

這就是常數為 MMLipschitz 條件,廣泛用於控制近似誤差。

摘要

  • 均值定理:若 ff[a,b][a,b] 上連續、在 (a,b)(a,b) 上可微,則 f(b)f(a)=f(c)(ba)f(b) - f(a) = f'(c)(b-a) 對某個 c(a,b)c \in (a,b) 成立。
  • 證明:對 g(x)=f(x)(割線)g(x) = f(x) - \text{(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)f(b)-f(a) 與局部量 f(c)f'(c) 相聯繫,是證明可微函式性質的核心工具。