Computer370048 views
いろは3025218 views
MathPython501700 views
高校化学2933198 views
中学英語813624 views
高校生物553211 views
中学社会670081 views
中学数学625176 views
数学講師2913151 views
ヒストリア294981 views
Help
Tools

English

「どこかで平均と一致する」平均値の定理とロルの定理

区間の両端を結ぶ直線と、同じ傾きの接線が、途中に必ずあります。これが平均値の定理です[1]。

が で連続、 で微分できるとき、次を満たす が少なくとも つ存在します。

右辺は区間全体の平均変化率です。どこかの 点で、瞬間の変化率がその平均に一致する[2]。

接点を左から右へ動かすと、傾きが灰色の直線と一致する瞬間が来ます。この曲線では 回そろう。

定理が言うのは「少なくとも つある」ということだけです。 つでも つでも、主張と矛盾しません。

ロルの定理

両端の値が等しい場合が、ロルの定理です[1]。 なら平均変化率が になります。

行って戻ってくるなら、途中で必ず折り返す。折り返す点では接線が水平になります。

平均値の定理は、この主張を傾いた場合まで広げたものです。ロルの定理のほうが先にあり、そこから一般の形が導かれます。

仮定を外すと成り立たない

を で考えます[1]。 なので、両端の値は等しい。

ところが となる はありません。傾きは か のどちらかで、 になる場所がない。

原点で微分できないことが原因です。仮定の「区間の内部で微分できる」が効いていることが、この例から見えます。

角のある点では、左からの傾きと右からの傾きが違います。微分できる関数だけを相手にする、という仮定はここで効いています。

例:平方根で を求める

を で考えます[1]。両端を結ぶ直線の傾きは 。

をこれと等しくおきます。

は区間の内部にあります。定理が保証したとおり、条件を満たす点が見つかりました。

証明は補助関数で

平均値の定理は、ロルの定理に持ち込んで示します[2]。曲線から両端を結ぶ直線を引いた差を考える。

こうすると になります。両端の値がそろうので、ロルの定理が使える。

青い曲線が差を表します。両端が同じ高さになり、ロルの定理の形に持ち込めました。

を書き直すと、そのまま平均値の定理の式になります。証明はここで終わり。

3 つの系

平均値の定理から、次の つがすぐ出ます[1]。どれも当たり前に見えて、証明には定理が要ります。

区間で なら、 はその区間で定数です。
区間で なら、 の形になります。
区間で なら は増加、 なら減少します[3]。

番目は増減表の根拠です。導関数の符号から関数の増減を言えるのは、平均値の定理があるため。

番目は積分で効きます。原始関数が定数の差しかない、という事実がここから出ます。

例:不等式を証明する

で を示します。 に で平均値の定理を当てます。

です。 なので となり、 を掛ければ 。

同じやり方で も示せます。 として とし、 を使います。

に で平均値の定理を当てたとき、 の値はどれか。

__RESULT__

両端を結ぶ直線の傾きは です。 を とおくと になり、区間の内部に入っています。

つまずきやすいところ

の値を求めよ、という問題では、まず平均変化率を計算します。
は区間の内部にあるものだけを答えます。端の値は含めません。
が つ以上出ることもあります。すべて答えるのがふつうです。
連続と微分可能の両方が要ります。片方でも崩れると結論は保証されません。
となる点があっても、逆に両端の値が等しいとは限りません。

平均値の定理は、単独の計算問題として出ることもあれば、増減や不等式の証明を支える土台として使われることもあります。名前を出さずに使っている場面のほうが、実際には多い。

参考文献

The Mean Value Theorem - Calculus Volume 1, OpenStax
Mittelwertsatz der Differentialrechnung - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
区間の両端を結ぶ直線と同じ傾きの接線が、途中に必ずあります。接点を動かして一致する瞬間を目で確かめ、$\sqrt{x}$ で $c = 9/4$ を実際に計算します。$|x|-1$ には水平な接線がなく、微分可能という仮定が効いていることも分かる。証明は両端の高さをそろえる補助関数でロルの定理へ持ち込むだけ。増減表の根拠になる 3 つの系と、$\sin x < x$ の証明も扱います。