4.4: Теорема про середнє значення
Цілі навчання
- Поясніть значення теореми Ролля.
- Опишіть значення теореми про середнє значення.
- Викладіть три важливі наслідки теореми про середнє значення.
Теорема про середнє значення є однією з найважливіших теорем у обчисленні. Ми розглянемо деякі його наслідки в кінці цього розділу. Спочатку почнемо з особливого випадку теореми про середнє значення, яка називається теоремою Ролла.
Теорема Ролла
Неофіційно теорема Ролла стверджує, що якщо виходи диференційовної функціїf рівні в кінцевих точках інтервалу, то там повинна бути внутрішня точка,c деf′(c)=0. Малюнок4.4.1 ілюструє цю теорему.

Теорема Ролла
fДозволяти безперервна функція над замкнутим інтервалом[a,b] і диференційована над відкритим інтервалом(a,b) таким чином, щоf(a)=f(b). Там тоді існує хоча б одинc∈(a,b) такий, щоf′(c)=0.
Доказ
k=f(a)=f(b).Розглянемо три випадки:
- f(x)=kдля всіхx∈(a,b).
- Існуєx∈(a,b) таке, щоf(x)>k.
- Існуєx∈(a,b) таке, щоf(x)<k.
Випадок 1: Якщоf(x)=k для всіхx∈(a,b), тоf′(x)=0 для всіхx∈(a,b).
Випадок 2: Оскількиf є безперервною функцією над замкнутим обмеженим інтервалом[a,b], за теоремою крайніх значень вона має абсолютний максимум. Також, оскільки єx∈(a,b) такий моментf(x)>k, що, абсолютний максимум більшеk. Тому абсолютний максимум не відбувається ні в одній кінцевій точці. В результаті абсолютний максимум повинен відбуватися у внутрішній точціc∈(a,b). Тому щоf має максимум у внутрішній точціc, іf диференційованийc, за теоремою Ферма,f′(c)=0.
Випадок 3: Випадок, коли існуєx∈(a,b) така точка, якаf(x)<k є аналогічною випадку 2, з максимальною заміною на мінімальну.
□
Важливим моментом теореми Ролла є те, що диференційовність функціїf є критичною. Якщоf не диференціюється, навіть в одній точці результат може не триматися. Наприклад, функціяf(x)=|x|−1 є безперервною над[−1,1] іf(−1)=0=f(1), алеf′(c)≠0 для будь-якої,c∈(−1,1) як показано на наступному малюнку.

Розглянемо тепер функції, що задовольняють умовам теореми Ролла, і обчислимо явно точки,c деf′(c)=0.
Приклад4.4.1: Using Rolle’s Theorem
Для кожної з наступних функцій переконайтеся, що функція задовольняє критеріям, зазначеним у теоремі Ролла, і знайти всі значенняc в заданому інтервалі, деf′(c)=0.
- f(x)=x2+2xнад[−2,0]
- f(x)=x3−4xнад[−2,2]
Рішення
а Оскількиf є многочленом, він є безперервним і диференційованим скрізь. Крім того,f(−2)=0=f(0). Таким чином,f задовольняє критеріям теореми Ролля. Робимо висновок, що існує хоча б одне значенняc∈(−2,0) таке, щоf′(c)=0. Оскількиf′(x)=2x+2=2(x+1), ми бачимо, що цеf′(c)=2(c+1)=0 означаєc=−1, як показано на наступному графіку.

b. як і в частині a.,f є поліномом і тому є безперервним і диференційованим скрізь. Крімf(−2)=0=f(2). того, Це сказав,f задовольняє критеріям теореми Ролла. Диференціюючи, ми знаходимо, щоf′(x)=3x2−4. Тому,f′(c)=0 колиx=±2√3. Обидві точки знаходяться в інтервалі[−2,2], і, отже, обидві точки задовольняють висновку теореми Ролла, як показано на наступному графіку.

Вправа4.4.1
Переконайтеся, що функція,f(x)=2x2−8x+6 визначена за інтервалом,[1,3] задовольняє умовам теореми Ролла. Знайти всі точки,c гарантовані теоремою Ролла.
- Підказка
-
Знайти всі значенняc, деf′(c)=0.
- Відповідь
-
c=2
Теорема про середнє значення та її значення
Теорема Ролла є окремим випадком теореми про середнє значення. У теоремі Ролла розглядаються диференційовні функції,f які дорівнюють нулю в кінцевих точках. Теорема про середнє значення узагальнює теорему Ролла, розглядаючи функції, які не обов'язково є нульовими в кінцевих точках. Отже, ми можемо розглядати теорему про середнє значення як похилу версію теореми Ролла (рис.4.4.5). Теорема про середнє значення стверджує,f що якщо безперервна по замкнутому інтервалу[a,b] і диференційована по відкритому інтервалу(a,b), то існуєc∈(a,b) така точка, що дотична лінія до графікаf atc паралельна січної лінії, що з'єднує (a,f(a))і(b,f(b)).

Теорема про середнє значення
fДозволяти бути безперервним за замкнутим інтервалом[a,b] і диференційованим над відкритим інтервалом(a,b). Потім існує хоча б один моментc∈(a,b) такий, що
f′(c)=f(b)−f(a)b−a
Доказ
Доказ випливає з теореми Ролла шляхом введення відповідної функції, яка задовольняє критеріям теореми Ролла. Розглянемо лінію, що з'єднує(a,f(a)) і(b,f(b)). Оскільки нахил цієї лінії
f(b)−f(a)b−a
і лінія проходить через точку(a,f(a)), рівняння цієї лінії можна записати як
y=f(b)−f(a)b−a(x−a)+f(a).
g(x)Дозволяти позначити різницю по вертикалі між точкою(x,f(x)) і точкою(x,y) на цій лінії. Тому
g(x)=f(x)−[f(b)−f(a)b−a(x−a)+f(a)].

Оскільки графікf перетинає січну лінію, колиx=a іx=b, ми бачимо, щоg(a)=0=g(b). Оскількиf є диференційованою функцією над(a,b), такожg є диференційованою функцією над(a,b). Крім того,f оскільки безперервний над[a,b],g також безперервно закінчується[a,b]. Томуg задовольняє критеріям теореми Ролля. Отже, існуєc∈(a,b) такий момент, щоg′(c)=0. з
g′(x)=f′(x)−f(b)−f(a)b−a,
ми бачимо, що
g′(c)=f′(c)−f(b)−f(a)b−a.
Оскількиg′(c)=0, ми робимо висновок, що
f′(c)=f(b)−f(a)b−a.
□
У наступному прикладі ми покажемо, як теорема про середнє значення може бути застосована до функціїf(x)=√x через інтервал[0,9]. Метод однаковий і для інших функцій, хоча іноді і з більш цікавими наслідками.
Приклад4.4.2: Verifying that the Mean Value Theorem Applies
f(x)=√xЗа проміжком[0,9], показати, щоf задовольняє гіпотезу теореми про середнє значення, і тому існує принаймні одне значенняc∈(0,9) таке, щоf′(c) дорівнює нахилу лінії, що з'єднує(0,f(0)) і(9,f(9)). Знайдіть ці значення,c гарантовані теоремою про середнє значення.
Рішення
Ми знаємо, щоf(x)=√x є безперервним над[0,9] і диференційованим над(0,9). Отже,f задовольняє гіпотези теореми про середнє значення, і має існувати принаймні одне значенняc∈(0,9)f′(c) таке, яке дорівнює нахилу лінії, що з'єднує(0,f(0)) і(9,f(9)) (Малюнок4.4.7). Щоб визначити, яке значення (и)c гарантовано, спочатку обчислити похідну відf. Похіднеf′(x)=1(2√x). Ухил лінії, що(9,f(9)) з'єднує(0,f(0)) і задається
f(9)−f(0)9−0=√9−√09−0=39=13.
Ми хочемо знайтиc таке, щоf′(c)=13. Тобто ми хочемо знайтиc таке, що
12√c=13.
Вирішуючи це рівняння дляc, отримаємоc=94. У цьому місці нахил дотичної лінії дорівнює нахилу лінії, що з'єднує кінцеві точки.

Одна програма, яка допомагає проілюструвати теорему про середнє значення, включає швидкість. Наприклад, припустимо, що ми їдемо на машині протягом 1 години по прямій дорозі із середньою швидкістю 45 км/год. Нехайs(t) іv(t) позначимо положення і швидкість автомобіля, відповідно, для0≤t≤1 h. припускаючи,s(t) що функція положення диференційовна, можна застосувати теорему про середнє значення, щоб зробити висновокc∈(0,1), що в якийсь час швидкість автомобіля була точно
v(c)=s′(c)=s(1)−s(0)1−0=45mph.
Приклад4.4.3: Mean Value Theorem and Velocity
Якщо скеля скидається з висоти 100 футів, її положенняt секунд після того, як вона скидається, поки вона не вдариться про землю, задається функцієюs(t)=−16t2+100.
- Визначте, скільки часу потрібно, перш ніж скеля потрапить на землю.
- Знайдіть середню швидкістьvavg породи для того, коли скеля звільняється і скеля потрапляє на землю.
- Знайти час,t гарантований теоремою про середнє значення, коли миттєва швидкість породи дорівнюєvavg.
Рішення
а Коли скеля потрапляє на землю, її положення єs(t)=0. Вирішуючи рівняння−16t2+100=0 дляt, знаходимо, щоt=±52sec. Оскільки ми тільки розглядаємоt≥0, м'яч потрапить у землю52 сек після того, як він буде скинутий.
б Середня швидкість задається
vavg=s(5/2)−s(0)5/2−0=0−1005/2=−40ft/sec.
c Миттєва швидкість задається похідною функції положення. Тому нам потрібно знайтиt такий час, щоv(t)=s′(t)=vavg=−40 ft/sec. Оскількиs(t) є безперервним за інтервалом[0,5/2] і диференційованим за інтервалом(0,5/2), за теоремою середнього значення, гарантовано будеc∈(0,5/2) така точка, що
s′(c)=s(5/2)−s(0)5/2−0=−40.
Беручи похідну функції положенняs(t), ми знаходимо, щоs′(t)=−32t. Отже, рівняння зводиться доs′(c)=−32c=−40. Розв'язування цього рівняння дляc, ми маємоc=54. Отже,54 сек після скидання породи миттєва швидкість дорівнює середній швидкості породи при її вільному падінні:−40 ft/sec.

Вправа4.4.2
Припустимо, м'яч скидається з висоти 200 футів. Його положення в часіt -s(t)=−16t2+200. Знайти час,t коли миттєва швидкість кулі дорівнює його середній швидкості.
- Підказка
-
Для початку визначте, скільки часу потрібно, щоб м'яч потрапив у землю. Потім знайдіть середню швидкість кулі з моменту його падіння, поки він не потрапить на землю.
- Відповідь
-
52√2сек
Наслідки теореми про середнє значення
Давайте тепер розглянемо три наслідки теореми про середнє значення. Ці результати мають важливі наслідки, які ми використовуємо в наступних розділах.
У цей момент ми знаємо, що похідна будь-якої постійної функції дорівнює нулю. Теорема про середнє значення дозволяє зробити висновок, що зворотне також вірно. Зокрема, якщоf′(x)=0 для всіхx в якомусь інтерваліI, тоf(x) є постійним протягом цього інтервалу. Цей результат може здатися інтуїтивно очевидним, але він має важливі наслідки, які не є очевидними, і ми обговорюємо їх незабаром.
Наслідок 1: Функції з похідною від нуля
fДозволяти диференціюватися протягом інтервалуI. Якщоf′(x)=0 для всіхx∈I, тоf(x)= постійний для всіхx∈I.
Доказ
Оскількиf диференціюється надI,f повинен бути безперервним надI. Припустимоf(x), не є постійним для всіхx вI. Тоді існуютьa,b∈I, деa≠b іf(a)≠f(b). Виберіть позначення так, щобa<b. Тому,
f(b)−f(a)b−a≠0.
Оскількиf є диференційовною функцією, за теоремою про середнє значення існуєc∈(a,b) таке, що
f′(c)=f(b)−f(a)b−a.
Тому існуєc∈I такеf′(c)≠0, що суперечить припущенню, щоf′(x)=0 для всіхx∈I.
□
З «Слідство 1: Функції з похідною нуля» випливає, що якщо дві функції мають однакову похідну, вони відрізняються, максимум, константою.
Наслідок 2: Теорема постійної різниці
Якщоf іg диференційовані по проміжкуI іf′(x)=g′(x) для всіхx∈I, тоf(x)=g(x)+C для якоїсь постійноїC.
Доказ
Нехайh(x)=f(x)−g(x). тоді,h′(x)=f′(x)−g′(x)=0 для всіхx∈I. За наслідком 1, є постійнаC така, щоh(x)=C для всіхx∈I. Томуf(x)=g(x)+C для всіхx∈I.
□
Третій наслідок теореми про середнє значення обговорює, коли функція збільшується і коли вона зменшується. Нагадаємо, що функціяf збільшується більше,I якщоf(x1)<f(x2) щоразуx1<x2, тоді якf зменшується надI якщоf(x1)>f(x2) коли завгодноx1<x2. Використовуючи теорему про середнє значення, ми можемо показати, що якщо похідна функції позитивна, то функція збільшується; якщо похідна від'ємна, то функція зменшується (рис.4.4.9). Ми використовуємо цей факт у наступному розділі, де ми покажемо, як використовувати похідну функції, щоб знайти локальні максимальні та мінімальні значення функції та як визначити форму графіка.
Цей факт важливий, оскільки це означає, що для даної функціїf, якщо існуєF така функція, щоF′(x)=f(x); тоді, єдині інші функції, які мають похідну рівну,f єF(x)+C для деякої константиC. Про цей результат ми докладніше обговоримо далі в розділі.
Наслідок 3: Збільшення та зменшення функцій
fДозволяти бути безперервним за замкнутим інтервалом[a,b] і диференційованим над відкритим інтервалом(a,b).
- Якщоf′(x)>0 для всіхx∈(a,b), тоf це зростаюча функція над[a,b].
- Якщоf′(x)<0 для всіхx∈(a,b), тоf є спадною функцією над[a,b].
Доказ
Доведемо i.; доказ iii. аналогічний. Припустимоf, це не зростаюча функція наI. Тоді існуютьa іb вI такомуa<b, що, алеf(a)≥f(b). Оскількиf є диференційовною функцією надI, за теоремою про середнє значення існуєc∈(a,b) таке, що
f′(c)=f(b)−f(a)b−a.
Так якf(a)≥f(b), ми це знаємоf(b)−f(a)≤0. Крім того,a<b говорить нам, щоb−a>0. Ми робимо висновок, що
f′(c)=f(b)−f(a)b−a≤0.
Втім,f′(x)>0 для всіхx∈I. Це протиріччя, і томуf має бути зростаючою функцією надI.
□
Ключові концепції
- Якщоf є безперервним над[a,b] і диференційованим над(a,b) іf(a)=f(b), то існуєc∈(a,b) такий момент, щоf′(c)=0. Це теорема Ролла.
- Якщоf є безперервним над[a,b] і(a,b) диференційованим над, то існуєc∈(a,b) така точка, щоf′(c)=f(b)−f(a)b−a. Це Теорема про середнє значення.
- Якщоf′(x)=0 над інтерваломI,f то постійний надI.
- Якщо дві диференційовні функціїf іg задовольняютьf′(x)=g′(x) більшеI, тоf(x)=g(x)+C для якоїсь постійноїC.
- Якщоf′(x)>0 над інтерваломI,f то збільшується більшеI. Якщоf′(x)<0 закінчивсяI,f то зменшуєтьсяI.
Глосарій
- теорема про середнє значення
-
якщоf безперервний над[a,b] і диференційований над(a,b), то існуєc∈(a,b) таке, щоf′(c)=f(b)−f(a)b−a
- теорема Ролла
- якщоf безперервний над[a,b] і диференційований над(a,b), а якщоf(a)=f(b), то існуєc∈(a,b) таке, щоf′(c)=0