積分均值定理

Basis
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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)。f:[a,b]Rf : [a, b] \to \mathbb{R}連續函數。則存在 ξ[a,b]\xi \in [a, b] 使得

abf(x)dx  =  f(ξ)(ba).\int_a^b f(x)\,dx \;=\; f(\xi)\,(b - a).

等價地,ff[a,b][a, b] 上的平均值,定義為 1baabf(x)dx\dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx,由 ff 在某個內點取到。

證明

由於 ff 在閉有界區間 [a,b][a, b] 上連續,它取到最小值 mmin[a,b]fm \coloneqq \min_{[a,b]} f 和最大值 Mmax[a,b]fM \coloneqq \max_{[a,b]} f(由極值定理)。由積分單調性,將 ff 與常數函數 mmMM 比較,得

m(ba)    abf(x)dx    M(ba).m(b - a) \;\leq\; \int_a^b f(x)\,dx \;\leq\; M(b - a).

除以 ba>0b - a > 0

m    1baabf(x)dx    M.m \;\leq\; \frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)\,dx \;\leq\; M.

μ1baabf(x)dx\mu \coloneqq \dfrac{1}{b-a}\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx 介於 ff[a,b][a, b] 上的最小值和最大值之間。由於 ff[a,b][a, b] 上連續,中間值定理保證存在 ξ[a,b]\xi \in [a, b] 使得 f(ξ)=μf(\xi) = \mu。兩邊乘以 (ba)(b - a) 即得結論。\square

帶權版本

更一般的形式以非負權函數取代區間長度 bab - a

定理(帶權積分均值定理)。f:[a,b]Rf : [a, b] \to \mathbb{R} 連續,g:[a,b]Rg : [a, b] \to \mathbb{R} 可積且對所有 x[a,b]x \in [a, b] 均有 g(x)0g(x) \geq 0。則存在 ξ[a,b]\xi \in [a, b] 使得

abf(x)g(x)dx  =  f(ξ)abg(x)dx.\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;=\; f(\xi)\int_a^b g(x)\,dx.

證明。 同樣令 m=min[a,b]fm = \min_{[a,b]} fM=max[a,b]fM = \max_{[a,b]} f。由 g0g \geq 0mfMm \leq f \leq M,單調性給出

mabg(x)dx    abf(x)g(x)dx    Mabg(x)dx.m \int_a^b g(x)\,dx \;\leq\; \int_a^b f(x)\,g(x)\,dx \;\leq\; M \int_a^b g(x)\,dx.

情形一: abg=0\int_a^b g = 0。則左側積分也為 00(因為 0fg00 \leq \int fg \leq 0),故等式 fg=f(ξ)0\int fg = f(\xi) \cdot 0 對任意 ξ\xi 均成立。取 ξ=a\xi = a

情形二: abg>0\int_a^b g > 0。將不等式除以 abg\int_a^b g,得

m    abf(x)g(x)dxabg(x)dx    M.m \;\leq\; \frac{\displaystyle\int_a^b f(x)\,g(x)\,dx}{\displaystyle\int_a^b g(x)\,dx} \;\leq\; M.

由中間值定理(論證同前)存在 ξ[a,b]\xi \in [a, b] 使得 f(ξ)f(\xi) 等於該比值。\square

不帶權的定理是 g1g \equiv 1 的特殊情形。

幾何解釋:平均值

定義 ff[a,b][a, b] 上的平均值

f    1baabf(x)dx.\langle f \rangle \;\coloneqq\; \frac{1}{b - a}\int_a^b f(x)\,dx.

幾何上,f\langle f \rangle 是以 [a,b][a, b] 為底邊、面積等於 abf\int_a^b f 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\xi 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 ff[a,b][a, b] 上有界 mfMm \le f \le M,則

m    f    M,m \;\leq\; \langle f \rangle \;\leq\; M,

無需精確計算即可對積分給出界。

例題

問題。 證明 01ex2dx(e1,1)\displaystyle\int_0^1 e^{-x^2}\,dx \in \bigl(e^{-1},\, 1\bigr)

解。 函數 f(x)=ex2f(x) = e^{-x^2}[0,1][0,1] 上連續且嚴格遞減,f(0)=1f(0) = 1f(1)=e1f(1) = e^{-1}。由積分單調性,

e11    01ex2dx    11,e^{-1} \cdot 1 \;\leq\; \int_0^1 e^{-x^2}\,dx \;\leq\; 1 \cdot 1,

故積分落在 [e1,1][e^{-1}, 1] 中。由於 ff 嚴格遞減且非常數,不等式嚴格成立:

01ex2dx    (e1,1).\int_0^1 e^{-x^2}\,dx \;\in\; \bigl(e^{-1},\, 1\bigr).

積分均值定理保證存在某個 ξ(0,1)\xi \in (0, 1) 使得 eξ2=01ex2dxe^{-\xi^2} = \int_0^1 e^{-x^2}\,dx——雖然無法用閉合形式求出這個 xx 值,但它確實存在。

數值驗算。 積分約為 0.74680.7468,確實落在 (e1,1)(0.368,1)(e^{-1}, 1) \approx (0.368, 1) 之中。

摘要

  • 積分均值定理:若 ff[a,b][a, b] 上連續,則對某個 ξ[a,b]\xi \in [a, b]abf(x)dx=f(ξ)(ba)\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx = f(\xi)(b-a)
  • 證明:由單調性得界 m(ba)fM(ba)m(b-a) \leq \int f \leq 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 g0g \geq 0 可積,則對某個 ξ[a,b]\xi \in [a, b]fg=f(ξ)g\int fg = f(\xi)\int g
  • 平均值f=1baabf\langle f \rangle = \frac{1}{b-a}\int_a^b f 是等面積矩形的高;定理指出 f(ξ)=ff(\xi) = \langle f \rangle 在某個 ξ\xi 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。