コーシーの平均値定理

コーシーの平均値定理

2つの関数 f x , g x が閉区間 a , b で連続,開区間 a , b で微分可能であり, g x が開区間 a , b で g ′ x ≠ 0 かつ g a ≠ g b であるならば,

f b − f a g b − g a = f ′ c g ′ c a < c < b

を満たす c が少なくとも1つ存在する.

■証明

X = g x , Y = f x とおく.

媒介変数 x で表される曲線 C

X = g x Y = f x   a ≦ x ≦ b

を考える.

g x が開区間 a , b で g ′ x ≠ 0 かつ g a ≠ g b であることより,開区間 a , b で X = g x は単調増加,あるいは,単調減少する.よって, X を Y に対応させる関数 Y = F X が存在する.すなわち,曲線 C の式は Y = F X と表すこともできる.

点 P の座標を g x , f x ,点 Q の座標を g x + Δ x , f x + Δ x とする.

Δ x → 0 のとき,点 P と点 Q を通る直線は点 P を通る曲線 C の接線に限りなく近づく.

Δ X = g x + Δ x − g x Δ Y = f x + Δ x − f x

とすると,点 P と点 Q を通る直線の傾き m は

m = F ′ X = lim Δ X → 0 Δ Y Δ X

= lim Δ x → 0 f x + Δ x − f x g x + Δ x − g x

= lim Δ x → 0   f x + Δ x − f x Δ x   g x + Δ x − g x Δ x

=   lim Δ x → 0 f x + Δ x − f x Δ x   lim Δ x → 0 g x + Δ x − g x Δ x

関数 f x , g x が閉区間 a , b で連続,開区間 a , b で微分可能であることと, g x が開区間 a , b で g ′ x ≠ 0 より

= f ′ x g ′ x

となる.すなわち

F ′ X = f ′ x g ′ x   X = g x ・・・・・(1)

となる.

α = g a , β = g b とおくと, f a = F α , f b = F β となり

f b − f a g b − g a = F β − F α β − α ・・・・・(2)

と書き換えることができる.

平均値の定理より

F β − F α β − α = F ′ γ となる γ   α < γ < β が少なくとも1つ存在する.・・・・・(3)

X = g x より

γ = g c   a < c < b ・・・・・(4)

と表すことができる.

(1)と(4)より

F ′ γ = f ′ c g ′ c ・・・・・(5)

となる.(2),(3),(5)より

f b − f a g b − g a = f ′ c g ′ c a < c < b

を満たす c が少なくとも1つ存在する.

【参考図書】
微分積分キャンパスゼミ 著者:高杉豊,馬場敬之 出版社:マセマ出版社
Calculus 7E 著者:James Stewart 出版社:Brooks/Cole Pub Co

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最終更新日: 2026年7月5日