Методы решения физико-математических задач

Теорема Дарбу о промежуточных значениях производной

Теорема Дарбу о промежуточных значениях производной
Формулировка и доказательство теоремы Дарбу о промежуточных значениях производной.

Теорема

Пусть функция  f (x) дифференцируема на отрезке [a, b]‍.
Тогда ее производная принимает на интервале (a, b) все значения, заключенные между  f  ′(a) и  f  ′(b)‍:
∀u ∈ ( f  ′(a),  f  ′(b)) ∃ ξ ∈ (a, b) :  f  ′(ξ) = u‍, если  f  ′(a) <  f  ′(b)‍, и
∀u ∈ ( f  ′(b),  f  ′(a)) ∃ ξ ∈ (a, b) :  f  ′(ξ) = u‍, если  f  ′(b) <  f  ′(a)‍.

Прежде всего заметим, что, по условию теоремы, производная принимает значения из открытого интервала
(1)    f  ′(a) <  f  ′(x) <  f  ′(b)‍, или  f  ′(b) <  f  ′(x) <  f  ′(a)
где x принадлежит открытому интервалу a < x < b‍, хотя функция дифференцируема на замкнутом интервале a ≤ x ≤ b‍.

Если интервал (1) сделать замкнутым:
 f  ′(a) ≤  f  ′(x) ≤  f  ′(b)‍,
то теорема не верна. Пример: функция  f (x) = x 2 на отрезке [0, 1]‍. Ее производная  f  ′(x) = 2x‍. На концах отрезка:  f  ′(0) = 0,   f  ′(1) = 2‍. Но при 0 < x < 1 производная не принимает ни значение  f  ′(x) = 0‍, ни значение  f  ′(x) = 2‍.

Однако если все интервалы сделать замкнутыми, то теорема будет справедливой. Поэтому в ее формулировке, возможно заменить все интервалы на замкнутые.

Доказательство

Идея доказательства состоит в том, что функция g(x) =  f (x) – ux имеет локальный экстремум, в котором  f  ′(x) = u‍. Осталось соблюсти все формальности.

1. Рассмотрим случай  f  ′(a) < u <  f  ′(b)‍.

1.1. Введем функцию
g(x) =  f (x) – ux‍.
По условию теоремы,
(2)    f  ′(a) < u <  f  ′(b)‍.
Функция g дифференцируема на отрезке [a, b]‍, ее производная
(3)   g ′(x) =  f  ′(x) – u‍.
По теореме о непрерывности дифференцируемой функции, g(x) непрерывна на отрезке [a, b]‍. По теореме Вейерштрасса о максимуме и минимуме непрерывной функции, она имеет минимум на отрезке [a, b]‍. То есть существует такое ξ ∈ [a, b]‍, что
g(ξ) ≤ g(x) для всех x ∈ [a, b]‍.

1.2. Покажем, что минимум не может быть на границах отрезка, то есть в точках ξ = a и ξ = b‍.
1.2.1. Допустим противное. Пусть минимум в точке a:
(4)   g(a) ≤ g(x) для всех x ∈ [a, b]‍.
Из (2)   и   (3) следует, что производная в этой точке отрицательна:
 f  ′(a) – u < 0‍;
g ′(a) =  f  ′(a) – u < 0‍.
То есть функция g убывает в этой точке и поэтому в ней не может быть максимума. Но докажем это математически строгим образом.

По определению, производная это предел:
g ′(a) = limx → a g(x) – g(a)x – a‍.
Поскольку g ′(a) < 0‍, то по теореме об ограниченности снизу функции, имеющей ненулевой предел, существует такое положительное число c‍, и такая проколотая окрестность  ○U(a) точки a‍, что для всех x‍, принадлежащих этой окрестности,
g(x) – g(a)x – a < –c < 0   при   x ∈ ○ U(a)‍.
Поскольку x – a > 0‍, то
g(x) – g(a) < –c(x – a) < 0‍, или
g(x) < g(a)   при   x ∈ ○ U(a)   и   x > a‍,
что противоречит (4).

1.2.2. Тем же способом докажем, что минимум не может быть в точке b‍.
Действительно, из (2) и (3) имеем:
 f  ′(b) – u > 0‍;
g ′(b) =  f  ′(b) – u > 0‍.
Используем определение производной:
g ′(b) = limx → b g(x) – g(b)x – b > 0‍.
По теореме об ограниченности снизу функции, имеющей ненулевой предел, существует такое положительное число c‍, и такая проколотая окрестность  ○U(b) точки b‍, что для всех x‍, принадлежащих этой окрестности,
g(x) – g(b)x – b > c > 0   при   x ∈ ○ U(b)‍.
Поскольку x – b < 0‍, то
g(x) – g(b) < c(x – b) < 0‍, или
g(x) < g(b)   при   x ∈ ○ U(b)   и   x < b‍.
Это показывает, что g(b) не является минимумом функции g(x) на отрезке [a, b]‍.

1.3. Итак, мы показали, что g(x) имеет минимум в некоторой точке x = ξ ∈ (a, b)‍. Тогда по теореме Ферма о необходимом условии экстремума функции, производная в этой точке равна нулю:
g ′(ξ) = 0‍;
( f (x) – ux) ′ | x = ξ = 0‍;
 f  ′(ξ) = u‍.
Для  f  ′(a) <  f  ′(b) теорема доказана.

2. Осталось рассмотреть случай  f  ′(b) < u <  f  ′(a)‍. Все рассуждения такие же как в п. 1. Только в качестве вспомогательной функции возьмем
g(x) = ux –  f (x)‍.
Она дифференцируема на [a, b]‍, поэтому имеет минимум на этом отрезке. Поскольку g ′(a) = u –  f  ′(a) < 0   и   g ′(b) = u –  f  ′(b) > 0‍, то, как показано выше, минимум не может быть на концах отрезка. То есть он находится в некоторой точке x = ξ ∈ (a, b)‍. По теореме Ферма,
g ′(ξ) = 0‍,
откуда  f  ′(ξ) = u‍.

Теорема доказана.

Использованная литература:
Я.М. Дымарский. Лекции по математическому анализу. Часть 1. Функции одной переменной. Москва, МФТИ, 2020.
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню