羅爾定理(Rolle's Theorem)

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 均值定理

將球垂直拋起。無論它的起點和終點高度為何,只要它返回相同高度,在此過程的某個瞬間,速度必定為零。羅爾定理(Rolle’s theorem)就是這一觀察的數學表述。

定理陳述

羅爾定理。 設 f:[a,b]→Rf : [a, b] \to \mathbb{R}。若

  1. ff 在 [a,b][a, b] 上連續,
  2. ff 在開區間 (a,b)(a, b) 上可微,且
  3. f(a)=f(b)f(a) = f(b),

則存在 c∈(a,b)c \in (a, b) 使得 f′(c)=0f'(c) = 0。

證明

由極值定理,ff 在 [a,b][a, b] 上同時取到最大值 MM 與最小值 mm。

情形 1:M=mM = m。 函式在 [a,b][a, b] 上為常數,故對每個 x∈(a,b)x \in (a, b) 均有 f′(x)=0f'(x) = 0。任取 c∈(a,b)c \in (a, b) 即可。

情形 2:M>mM > m。 至少有一個極值與 f(a)=f(b)f(a) = f(b) 不同。不妨設 M>f(a)M > f(a)(m<f(a)m < f(a) 的情形對稱)。最大值 MM 在某個 xmax⁡∈[a,b]x_{\max} \in [a, b] 處取到。由於 f(xmax⁡)=M>f(a)=f(b)f(x_{\max}) = M > f(a) = f(b),xmax⁡x_{\max} 不可能是端點,故 xmax⁡∈(a,b)x_{\max} \in (a, b)——即一個內部局部極大。由費馬引理,f′(xmax⁡)=0f'(x_{\max}) = 0。令 c≔xmax⁡c \coloneqq x_{\max}。□\square

幾何意義

羅爾定理保證:在兩個等高點之間,某處存在水平切線。結論是存在性——不是唯一性。這樣的點可能有很多,也可能恰好只有一個。

例。 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x 在 [0,π][0, \pi] 上:f(0)=f(π)=0f(0) = f(\pi) = 0,且 f′(x)=cos⁡x=0f'(x) = \cos x = 0 在 c=π/2c = \pi/2 處成立。此情形下唯一。

例。 f(x)=x2(x−1)2f(x) = x^2(x-1)^2 在 [0,1][0, 1] 上:f(0)=f(1)=0f(0) = f(1) = 0。計算 f′(x)=2x(x−1)(2x−1)f'(x) = 2x(x-1)(2x-1),零點在 x=0x = 0、x=1/2x = 1/2 和 x=1x = 1 處。內部零點為 c=1/2c = 1/2。

計算根的個數

羅爾定理限制了根的累積速率。

推論。 在可微函式的任意兩個不同根之間,其導數至少有一個根。

證明。 若 f(a)=f(b)=0f(a) = f(b) = 0,a<ba < b,直接對 [a,b][a, b] 套用羅爾定理,得 c∈(a,b)c \in (a, b) 使得 f′(c)=0f'(c) = 0。□\square

應用:nn 次多項式至多有 nn 個實根。 nn 次多項式 pp 至多有 nn 個根。羅爾定理提供了一個獨立的驗證:p′p' 是 n−1n-1 次多項式,至多有 n−1n-1 個根,因此 pp 至多有 nn 個根(p′p' 能提供零點的區間比 pp 的根少一個)。

摘要

  • 羅爾定理:若 ff 在 [a,b][a, b] 上連續、在 (a,b)(a, b) 上可微,且 f(a)=f(b)f(a) = f(b),則對某個 c∈(a,b)c \in (a, b) 有 f′(c)=0f'(c) = 0。
  • 證明:極值定理提供內部極值(除非 ff 為常數);費馬引理使其導數為零。
  • 在 ff 的任意兩個根之間存在 f′f' 的一個根。
  • 定理斷言 cc 的存在性,但不保證唯一性。