假設你開車兩小時行駛了 120 公里,那麼平均速度是 60 公里/小時。在某個瞬間,你的速度恰好等於這個平均值。積分版本的這個事實說的是:連續函數的平均值必然在區間上的某點被取到。這就是積分均值定理(mean value theorem for integrals),也是證明變上限積分函數可微的關鍵步驟。
定理陳述
定理(積分均值定理)。 設 f:[a,b]→R 為連續函數。則存在 ξ∈[a,b] 使得
∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a).
等價地,f 在 [a,b] 上的平均值,定義為 b−a1∫abf(x)dx,由 f 在某個內點取到。
證明
由於 f 在閉有界區間 [a,b] 上連續,它取到最小值 m:=min[a,b]f 和最大值 M:=max[a,b]f(由極值定理)。由積分單調性,將 f 與常數函數 m 和 M 比較,得
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a).
除以 b−a>0:
m≤b−a1∫abf(x)dx≤M.
量 μ:=b−a1∫abf(x)dx 介於 f 在 [a,b] 上的最小值和最大值之間。由於 f 在 [a,b] 上連續,中間值定理保證存在 ξ∈[a,b] 使得 f(ξ)=μ。兩邊乘以 (b−a) 即得結論。□
帶權版本
更一般的形式以非負權函數取代區間長度 b−a。
定理(帶權積分均值定理)。 設 f:[a,b]→R 連續,g:[a,b]→R 可積且對所有 x∈[a,b] 均有 g(x)≥0。則存在 ξ∈[a,b] 使得
∫abf(x)g(x)dx=f(ξ)∫abg(x)dx.
證明。 同樣令 m=min[a,b]f,M=max[a,b]f。由 g≥0 且 m≤f≤M,單調性給出
m∫abg(x)dx≤∫abf(x)g(x)dx≤M∫abg(x)dx.
情形一: ∫abg=0。則左側積分也為 0(因為 0≤∫fg≤0),故等式 ∫fg=f(ξ)⋅0 對任意 ξ 均成立。取 ξ=a。
情形二: ∫abg>0。將不等式除以 ∫abg,得
m≤∫abg(x)dx∫abf(x)g(x)dx≤M.
由中間值定理(論證同前)存在 ξ∈[a,b] 使得 f(ξ) 等於該比值。□
不帶權的定理是 g≡1 的特殊情形。
幾何解釋:平均值
定義 f 在 [a,b] 上的平均值為
⟨f⟩:=b−a1∫abf(x)dx.
幾何上,⟨f⟩ 是以 [a,b] 為底邊、面積等於 ∫abf 的矩形的高。積分均值定理說這個矩形與曲線下方區域面積相等:曲線在 ξ 處的高度等於矩形的高度。換言之,連續函數必然通過自身的平均值。
這個解釋對估計很有用:若已知 f 在 [a,b] 上有界 m≤f≤M,則
m≤⟨f⟩≤M,
無需精確計算即可對積分給出界。
例題
問題。 證明 ∫01e−x2dx∈(e−1,1)。
解。 函數 f(x)=e−x2 在 [0,1] 上連續且嚴格遞減,f(0)=1,f(1)=e−1。由積分單調性,
e−1⋅1≤∫01e−x2dx≤1⋅1,
故積分落在 [e−1,1] 中。由於 f 嚴格遞減且非常數,不等式嚴格成立:
∫01e−x2dx∈(e−1,1).
積分均值定理保證存在某個 ξ∈(0,1) 使得 e−ξ2=∫01e−x2dx——雖然無法用閉合形式求出這個 x 值,但它確實存在。
數值驗算。 積分約為 0.7468,確實落在 (e−1,1)≈(0.368,1) 之中。
摘要
- 積分均值定理:若 f 在 [a,b] 上連續,則對某個 ξ∈[a,b] 有 ∫abf(x)dx=f(ξ)(b−a)。
- 證明:由單調性得界 m(b−a)≤∫f≤M(b−a),再結合連續函數的中間值定理,保證平均值被取到。
- 帶權版本:若 g≥0 可積,則對某個 ξ∈[a,b] 有 ∫fg=f(ξ)∫g。
- 平均值:⟨f⟩=b−a1∫abf 是等面積矩形的高;定理指出 f(ξ)=⟨f⟩ 在某個 ξ 處成立。
- 此定理直接用於牛頓-萊布尼茨公式的證明,用來對變上限函數的差商進行估計。