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平均値の定理の応用問題|不等式・単調性・リプシッツ条件・反例

平均値の定理は、区間の両端を結ぶ弦と同じ傾きを持つ接線が内部に必ずある、という主張である。

で連続、 で微分可能なら、ある が存在して次が成り立つ。

の存在だけが言えて、位置は分からない。この形のまま を上下から押さえるのが、不等式の証明の基本の型である。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 240" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<line x1="60" y1="210" x2="400" y2="210" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="80" y1="190" x2="380" y2="80" stroke="#9a9a9a" stroke-width="1" stroke-dasharray="5 3"></line>
	<line x1="160" y1="150" x2="350" y2="81" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></line>
	<polyline points="80,190 120,178 160,160 200,140 240,122 280,108 320,96 380,80" fill="none" stroke="#1f1f1f" stroke-width="2"></polyline>
	<line x1="245" y1="119" x2="245" y2="210" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
	<circle cx="80" cy="190" r="3" fill="#1f1f1f"></circle>
	<circle cx="380" cy="80" r="3" fill="#1f1f1f"></circle>
	<circle cx="245" cy="119" r="3" fill="#d0562a"></circle>
	<text x="55" y="30" font-size="11" fill="#1f1f1f">弦と平行な接線が、区間の内部に必ずある</text>
	<text x="76" y="228" font-size="11" fill="#9a9a9a">a</text>
	<text x="241" y="228" font-size="11" fill="#d0562a">c</text>
	<text x="376" y="228" font-size="11" fill="#9a9a9a">b</text>
	<text x="288" y="62" font-size="11" fill="#9a9a9a"></text>
	<text x="356" y="98" font-size="11" fill="#d0562a">接線</text>
</svg>

問題 1:対数の上からの評価

のとき を示せ。

解答 1

に区間 で平均値の定理を適用する。 である。

より なので である。両辺に を掛けて を得る。

の位置は分からないが、 という一言だけで評価が済んでいる。

問題 2:対数の両側からの評価

のとき を示せ。

解答 2

上からの評価は問題 1 で済んでいる。下からの評価も同じ式から出る。

より なので である。

上からの評価

を使う。 の値を区間の左端の値で押さえる。

下からの評価

を使う。 の値を区間の右端の値で押さえる。

同じ に対して 2 つの不等式を当てるだけで、両側の評価が同時に手に入る。 が単調なときはいつでもこの型が使える。

問題 3:正弦関数の評価

のとき を示せ。

解答 3

に区間 で平均値の定理を適用する。

のときは なので であり、 が従う。

のときは なので、平均値の定理を使うまでもない。

場合分けが要るのは、 を保証するために の範囲を押さえる必要があるからである。 の位置が分からない以上、区間全体で が 1 未満になる範囲に限るしかない。

問題 4:指数関数の評価

のとき を示せ。

解答 4

に区間 で平均値の定理を適用する。

より なので、 が従う。

のときも同じ不等式が成り立つ。 から となり、 で割るときに不等号が逆転して同じ向きに戻る。

問題 5:逆正接関数の両側評価

のとき を示せ。

解答 5

に区間 で平均値の定理を適用する。

より である。逆数を取ると不等号が反転する。

各辺に を掛ければ結論が出る。 とすれば で、実際に成り立っている。

問題 6:平方根の差の評価

のとき を示せ。

解答 6

に区間 で平均値の定理を適用する。 である。

は増加するので となり、逆数を取って各辺に を掛ければよい。

とすると が得られる。真の値は で、上下からよく挟まれている。

平方根の近似値を手で求めるときの標準的な道具である。

問題 7: 乗根の差の評価

のとき を示せ。

解答 7

に区間 で平均値の定理を適用する。

では なので、 は狭義単調減少である。 から次が従う。

を除いてあるのは、そこで等号になるからである。 となって が成り立ち、実際に左辺も右辺も 1 になる。

指数が負であることが評価の要になっている。仮定の範囲を書くときは、こうした境目を確かめる。

問題 8:双曲線正接の評価

のとき を示せ。

解答 8

に区間 で平均値の定理を適用する。 であり、導関数は である。

では なので である。したがって が成り立つ。

と同じ形の議論である。 で値も傾きも一致し、そこから先で傾きが 1 を下回る関数は、すべて同じ型で押さえられる。

問題 9:リプシッツ条件

が区間で微分可能で を満たすとき、 を示せ。

解答 9

とし、小さいほうを左端にして平均値の定理を適用する。ある が両者のあいだにあって次が成り立つ。

絶対値を取れば となる。 のときは両辺が 0 で成り立つ。

これがリプシッツ連続性である。導関数が有界という局所的な条件から、任意の 2 点の関係が出るところに定理の働きがある。

問題 10:導関数が 0 なら定数

区間 ならば 上で定数であることを示せ。

解答 10

の任意の 2 点 を取る。平均値の定理からある で次が成り立つ。

したがって であり、 は定数である。

定義域が区間であることが要る。 のように離れた 2 つの区間では、それぞれ別の定数を取る関数が反例になる。

平均値の定理は 2 点を区間で結べるときにしか使えない。この仮定は落とせない。

問題 11:導関数が一致すれば差は定数

区間 ならば、 は定数であることを示せ。

解答 11

と置くと である。前問により は定数である。

導関数が 0 なら定数

導関数が一致すれば差は定数

原始関数は定数の差を除いて一つに決まる

不定積分に積分定数が付く理由がこれである。同じ導関数を持つ関数がほかにないことは、平均値の定理から出ている。

問題 12:単調性の判定

区間 ならば 上で狭義単調増加であることを示せ。

解答 12

の点とする。平均値の定理からある である。

から が従う。

逆は成り立たない。 は狭義単調増加だが である。 は十分条件であって必要条件ではない。

問題 13:コーシーの平均値の定理

で連続、 で微分可能とする。ある が成り立つことを示し、 のとき となる があることを導け。

解答 13

次の関数を用意する。

を計算すると、どちらも になって一致する。ロルの定理からある となり、これが主張の式である。

を取る。 である。

より なので、両辺を で割って整理すると を得る。

では となり、たしかに区間の内部にある。

問題 14:指数関数の平均の不等式

のとき を示せ。

解答 14

と置く。 である。

で割れるので、示すべきは である。

と置くと で、導関数は次のようになる。

では なので である。問題 12 により は狭義単調増加なので、 が従う。

平均値の定理から となる が取れるので、この不等式は と読める。

ただし の位置が分からない以上、 を端点の値の平均と直接比べることはできない。凸関数だからという理由づけも通らない。実際 に近く取れば を超える。

が特定の値であることを使わずに、両辺を直接比べる形へ書き換えるのがこの問題の要点である。

問題 15: を具体的に求める

について、区間 で平均値の定理を満たす を求めよ。 ではどうか。

解答 15

であり、 なので である。区間の中点になる。

では より である。中点ではない。

中点になるのは 2 次以下の多項式に限られる。中点を当てにした議論はここで破綻する。

問題 16: の位置の極限

について、区間 の式で表し、 での の極限を求めよ。

解答 16

より である。

なので、 を使う。

したがって である。 で数値を出すと となり、これと合う。

区間を縮めれば は中点に近づく。ただしこれは極限の話であって、有限の区間では中点からずれている。

問題 17:仮定を落とすと成り立たない

を区間 で考え、平均値の定理の結論が成り立たないことを確かめよ。

解答 17

なので、弦の傾きは 0 である。結論が成り立つなら となる があるはずである。

ところが )、)で、 では微分できない。傾きが 0 になる点はどこにもない。

HTML
CSS
JavaScript
<svg viewBox="0 0 460 220" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
	<line x1="100" y1="170" x2="360" y2="170" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="230" y1="60" x2="230" y2="190" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
	<line x1="130" y1="90" x2="330" y2="90" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5" stroke-dasharray="5 3"></line>
	<polyline points="130,90 230,170 330,90" fill="none" stroke="#1f1f1f" stroke-width="2"></polyline>
	<circle cx="130" cy="90" r="3" fill="#1f1f1f"></circle>
	<circle cx="330" cy="90" r="3" fill="#1f1f1f"></circle>
	<text x="55" y="30" font-size="11" fill="#1f1f1f">弦は水平なのに、傾き 0 の接線はどこにもない</text>
	<text x="336" y="86" font-size="11" fill="#d0562a"></text>
	<text x="55" y="204" font-size="11" fill="#9a9a9a">原点で微分できず、定理の仮定を満たしていない</text>
</svg>

原因は で微分可能でないことにある。開区間の内部 1 点でも微分可能性が欠けると、結論は保証されない。

端点での連続性も落とせない。 と定めると、 では なのに弦の傾きは 0 になる。

問題 18:ベクトル値関数では成り立たない

で考え、平均値の定理が成り立たないことを確かめよ。

解答 18

である。結論が成り立つなら、ある でなければならない。

ところが の長さは常に 1 で、0 になることはない。

各成分に別々の を取れば等式は作れるが、同じ で両成分をそろえることができない。等式としての平均値の定理は、実数値関数に限った主張である。

代わりに使えるのは不等式の形である。 なら が成り立ち、こちらはベクトル値でも正しい。

つまずきやすいところ

誤りの多くは、 に何かを期待するところから起きる。

の位置を使って議論する

存在するとしか言えない。中点だと思って進めると、2 次以下の多項式以外では誤る。

凸性から を端点の平均と比べる

区間内の値が端点の平均より小さいとは限らない。凸関数でも成り立たない。

仮定の範囲の境目を確かめない

乗根の評価は で等号になる。狭義の不等式を主張するなら境目を除く。

微分可能性を区間の端でも要求する

要るのは開区間での微分可能性と閉区間での連続性である。端点では微分できなくてよい。

いずれも定理の主張に戻れば防げる。 について言えるのは「区間の内部にある」ことだけである。

で連続、 で微分可能とする。平均値の定理の について正しいものはどれか。

  • は区間の中点である
  • はただ 1 つに定まる
  • は開区間 の点であることしか言えない
  • が凸なら は区間の左半分にある
__RESULT__

では中点になるが、 では で中点ではない。 が複数ある関数もある。

参考文献

Mean value theorem
Rolle's theorem
Lipschitz continuity
The Mean Value Theorem
Mittelwertsatz der Differentialrechnung
Satz von Rolle
Mathe für Nicht-Freaks: Mittelwertsatz
Théorème des accroissements finis
Théorème de Rolle
Inégalité des accroissements finis
中值定理
不等式の証明は、平均値の定理で f'(c) に直してから c の範囲だけで押さえるのが基本の型である。対数・三角・指数・べき根の評価を順に解き、定理の帰結と反例まで扱う。