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符号が変われば途中に解がある - 中間値の定理の応用

の解を式で書くと、カルダノの公式から入れ子の立方根が出てきます。ところが「 と のあいだにある」ことだけなら、 回の代入で分かる。

、 で符号が変わっています。連続な関数が負から正へ移るなら、途中で を通る[1]。

中間値の定理が言うのはこれだけです。解の位置も個数も教えてくれませんが、存在だけは代入 回で決まります。

主張と、効いている仮定

が閉区間 で連続とし、 が と のあいだにあるとします[1]。

このとき となる が開区間 に存在します。 とした形が、符号の変化から解を出す使い方です。

効いているのは実数の完備性です。有理数の範囲では成り立ちません。 は 、 ですが、 となる有理数はない[1]。

が有理数でないので、そこに穴が空いています。実数では穴が埋まっているため、通り抜けられません。

問題 1:解の存在

が に解を持つことを示せ。

解答 1

は多項式なので、実数全体で連続です。

、 で符号が変わります。

中間値の定理より、 となる が に存在します。実際の値は あたりです。

が で正なので、この区間では狭義単調増加。解はただ つになります。

問題 2:解の個数を数える

の実数解の個数を調べよ。

解答 2

と置きます。 なので は解です。

が になるのは で、そこが最小点になります。

で負です。

最小値が負で、両側で なので、解はちょうど つ。 と、 にあるもう つです。後者は あたりになります。

存在は中間値の定理、個数は単調性。この つを組み合わせる形が定石です。

問題 3:不動点の存在

が連続なら、 となる が存在することを示せ。

解答 3

差を関数にします。 と置くと、 も連続です。

の値域が なので、、 になります。

等号が成り立つ場合は端点がそのまま不動点です。どちらも真の不等号なら、中間値の定理から となる が内部にとれます。

次元のブラウワーの不動点定理にあたる主張です[1]。高い次元では位相の道具が要りますが、 次元では中間値の定理で足ります。

問題 4:二分法で近似する

の解を二分法で 回追い、小数第 位まで求めよ。

解答 4

で、、 です。解は にあります。

中点で符号を見て、解を含む側へ区間を狭めていきます。

回数中点f(中点) の符号
11.500正
21.250負
31.375正
41.312正
51.281正
61.266正

回で区間の幅が になりました。 で、小数第 位まで合っています。

問題 5:二分法の誤差

区間 から始めて、誤差を 未満にするには何回必要か。

解答 5

回のあとの区間の幅は です。中点を答えとすれば、誤差はその半分になります。

なので、 で足ります。 回で 桁ぶん進む計算です。

回でおよそ 桁。遅い方法ですが、符号さえ見られれば必ず収束します。

問題 6:超越方程式の唯一解

が にただ つの解を持つことを示せ。

解答 6

と置きます。、 です。

中間値の定理から解が存在します。値は あたり。

は で負なので、 は狭義単調減少です。したがって解はただ つになります。

存在と一意性を別々の道具で示す形です。前者が中間値の定理、後者が単調性になります。

問題 7:連続関数の像

が連続なら、像が閉区間になることを示せ。

解答 7

最大値・最小値の定理から、 は最大値 と最小値 をとります。、 となる点が存在する。

像は に含まれます。逆向きを示します。

を と のあいだの任意の値とすると、 と を端とする区間で中間値の定理が使えます。 となる が存在する。

よって像はちょうど です。連続な像が閉区間になる、という主張の証明にはこの つの定理が要ります。

問題 8:n 乗根の存在

と正の整数 に対して、 となる正の が存在することを示せ。

解答 8

は で連続です。 になります。

と置くと です。 となる点が具体的にとれました。

中間値の定理から となる が に存在します。 は狭義単調増加なので、そのような はただ つです。

平方根や立方根の存在は、こうして実数の完備性から出ます。定義してから性質を調べるのではなく、存在を示すところから始まる。

問題 9:奇数次の多項式

奇数次の実係数多項式は、少なくとも つ実根を持つことを示せ。

解答 9

で は奇数、 とします。

が大きいところでは、最高次の項が符号を決めます。 なら で 、 で です。

が奇数なので、両端の符号が逆になります。十分大きい をとれば となる。

中間値の定理から に根が存在します。偶数次では両端の符号が同じになるので、この議論は通りません。

問題 10:ダルブーの定理

が で微分可能なら、 が中間値の性質を持つことを示せ。

解答 10

とします。 と置くと、、 です。

は連続で は閉区間なので、最小値をとる点 があります。

なので の右側で は減り、最小点は ではありません。 なので の左側で は増えており、最小点は でもない。

よって は内部にあり、そこで 、つまり です。

は連続とはかぎりません。それでも中間値の性質は持つ。これがこの定理の内容です。

問題 11:逆は成り立たない

中間値の性質を持つのに連続でない関数の例を挙げよ。

解答 11

()、 とします[1]。

原点では左右から値が と のあいだを何度も往復するので、極限がありません。連続ではない。

それでも中間値の性質は持ちます。原点を含むどんな区間でも、 は から までのすべての値を無限回とるからです。

こうした関数をダルブー関数といいます。中間値の性質は連続性より弱い条件です。

問題 12:散歩の問題

正午に を出て へ歩き、翌日の正午に を出て同じ道を へ歩く。ある時刻に、両日で同じ場所にいることを示せ。

解答 12

日目の位置を 、 日目の位置を とします。 は正午からの経過時間で、位置は を 、 を とする座標です。

歩く時間が両日で違ってもかまいません。到着後はその場に留まると決めれば、共通の区間 で両方が連続になります。

差を と置きます。、 です。

中間値の定理から となる があります。その時刻に 日の位置が一致する。

人が同時に歩いていると考えると分かりやすくなります。反対向きに同じ道を通れば、必ずすれ違う。

問題 13:赤道上の対蹠点

赤道上で、気温が等しい対蹠点の組が存在することを示せ。気温は連続に分布しているとする。

解答 13

赤道上の点を角度 で表し、気温を とします。 は連続で、周期 を持つ。

差を と置きます。 も連続です。

と は符号が逆です。 ならそこで終わり。そうでなければ中間値の定理から、あいだに となる点があります。

で、対蹠点の気温が等しくなりました。ボルツァーノ・ウラムの定理の 次元版にあたる議論です。

問題 14:面積を 2 等分する

平面上の有界な図形が与えられたとき、それを面積で 等分する垂直な直線が存在することを示せ。

解答 14

直線 の左にある部分の面積を とします。図形は有界なので、十分小さい で 、十分大きい で です。 は全体の面積になります。

は について連続です。 を少し動かしたときの面積の変化が、細い帯の面積で押さえられるからです。

中間値の定理から となる があります。 がその直線です。

同じ議論は向きを変えても通ります。 つの図形を同時に 等分する直線があるか、まで進むとハムサンドイッチの定理になり、道具が変わります。

問題 15:仮定を外すとどうなるか

は 、 だが となる がない。矛盾しないのはなぜか。

解答 15

は で定義されていません。 の全体で連続ではないので、定理の仮定を満たしていない。

区間から を除くと、区間ではなくなります。連続であることと、定義域が切れ目のない区間であることの両方が要ります。

閉区間である必要もあります。開区間 で を考えると、値の範囲は で端の値そのものはとりません。

仮定は つ。定義域が区間であること、閉じていること、そこで連続であること。どれを外しても結論が壊れます。

使いどころ

定理が答えるのは存在だけです。何を足すかで、分かることが変わります。

中間値の定理だけ

解が存在することが分かる。位置も個数も分からない

単調性を足す

解がただ つに決まる。導関数の符号を調べて示す

近似したいなら二分法へ進みます。符号を見るだけで区間が半分ずつ狭まり、 回でおよそ 桁の精度が得られます。

が で連続、、 のとき、確実に言えることはどれですか。

  • は単調減少である
  • となる が に存在する
  • の最大値は である
__RESULT__

は と のあいだにあるので、中間値の定理からそのような が存在します。途中で より大きくなったり増減を繰り返したりしてもかまいません。

よくある誤り

解の個数まで分かると思う。存在だけで、位置も個数も出ません。
定義域に切れ目があるまま使う。 を で扱うと結論が壊れます。
開区間で端の値を使う。閉区間であることが仮定に入っています。
逆が成り立つと思う。中間値の性質を持つ不連続な関数があります。
有理数の範囲で使う。完備性が要るので、実数でしか成り立ちません。
単調性の確認を飛ばして一意性を主張する。存在と一意性は別の道具で示します。
二分法の誤差を区間の幅と混同する。中点を答えにすれば誤差は幅の半分です。

代入 回で符号の変化を見る。そこから先が要るときだけ、単調性や二分法を足していきます。

参考文献

[1] が定理の主張・完備性が要る理由・ダルブー関数・二分法と不動点定理との関係・歴史、[2] がドイツ語での定式化、[3] が二分法の手順と誤差、[4] がダルブーの定理、[5] がフランス語での記述です。

Intermediate value theorem - Wikipedia
Zwischenwertsatz - Wikipedia
Bisection method - Wikipedia
Darboux's theorem (analysis) - Wikipedia)
Théorème des valeurs intermédiaires - Wikipédia
$x^3-x-1=0$ の解は式に書くと入れ子の立方根ですが、$1$ と $2$ のあいだにあることは代入 $2$ 回で決まります。定理が答えるのは存在だけで、位置も個数も出ない。$15$ 問で、解の個数を単調性と組み合わせて数える、不動点をつくる、二分法で追って誤差を見積もる、$n$ 乗根や奇数次多項式の根の存在を出す、といった使い方を並べました。散歩の問題、赤道上で気温が等しい対蹠点、図形を面積で $2$ 等分する直線まで。有理数では成り立たない理由と、逆が成り立たない例も扱います。