在數學分析中,中值定理(英語:mean value theorem)大致是講,給定平面上固定兩端點的可微曲線,則這曲線在這兩端點間至少有一點,在這點該曲線的切線的斜率等於兩端點連結起來的直線的斜率。[註 1]
更仔細點講,假設函數 在閉區間 連續且在開區間 可微,則存在一點,使得
中值定理包括微分中值定理和積分中值定理。
微分中值定理
微分中值定理分為羅爾中值定理、拉格朗日中值定理和柯西中值定理,內容粗略的說是指平面上一段固定端點的可微曲線,兩端點之中必然有一點,它的斜率與連接兩端點的直線斜率相同(嚴格的數學表達參見下文)。
當提到中值定理時在沒有特別說明下一般指拉格朗日中值定理。
如果函數滿足
那麼在內至少有一點,使得
這個定理稱為羅爾定理。
令為閉區間上的一個連續函數,且在開區間內可導,其中。那麼在上存在某個使得
此定理稱為拉格朗日中值定理,也簡稱中值定理,是羅爾中值定理的更一般的形式,同時也是柯西中值定理的特殊情形。
這個定理在可以稍微推廣一點。只需假設 在 連續,且在開區間 內對任意一點 ,極限
存在,為一個有限數字或者等於+∞或−∞.如果有限,則極限等於。這版本定理應用的一個例子是函數 ,實值三次方根函數,其導數在原點趨於無窮。
注意若一個可微函數的值域是複數而不是實數,則上面這定理就未必正確。例如,對實數 定義。那麼
因 時, 為開區間 中任意一點。
柯西中值定理,也叫拓展中值定理,是中值定理的一般形式,其敘述為:如果函數 和 都在閉區間 上連續,且在開區間 上可導,那麼存在某個,使得
當然,如果 且 ,則可表示成:
在幾何上,這表示曲線 上存在一點其切線平行於由兩點()和()所連接的直線。但柯西定理不能表明在任何情況下這種切線都存在,因為可能存在一些值使,所以在這些點曲線根本沒有切線。下面是這種情形的一個例子
在區間上,曲線由到,卻並無一個水平切線,但在處有一個駐點(實際上是一個尖點)。
柯西中值定理可以用來證明洛必達法則。拉格朗日中值定理是柯西中值定理當時的特殊情況。
積分中值定理
積分中值定理分為積分第一中值定理和積分第二中值定理,它們各包含兩個公式。其退化狀態均指在ξ的變化過程中存在一個時刻使兩個圖形的面積相等(嚴格表述在下面)。
設為一連續函數,要求是可積函數且在積分區間不變號,那麼存在一點使得
。
在不失去一般性的條件下,設對所有,有; 因為是閉區間上的連續函數,取得最大值和最小值。於是
對不等式求積分,我們有 。 若,則。可取上任一點。
若不等於零那麼, 因為是連續函數,根據中間值定理,則必存在一點,使得
的情況按同樣方法證明。
在上式中令,則可得出:
設為一連續函數,則∃,使
它也可以由拉格朗日中值定理推出:
設在上可導,,則∃,使
積分第二中值定理與積分第一中值定理相互獨立,卻又是更精細的積分中值定理。它可以用來證明Dirichlet-Abel反常Riemann積分判別法。
若在上黎曼可積且在上單調,則存在上的點ξ使
令,則原公式可化為: 進而導出:
此時易得其幾何意義為: 能找到ξ∈[a,b],使得S[紅]+S[藍]=S[陰影],即S[I]=S[II]
關於積分中值定理的一個重要應用是可以去除掉積分號,或者使複雜的被積函數化為相對簡單的被積函數,從而使問題簡化。
註釋
參見
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.