中間値の定理

中間値の定理

関数 f が閉区間 [ a,b ] で連続,かつ f( a )≠f( b ) ならば, f( a ) と f( b ) の中間の値 k に対して

f( c )=k  ( a<c<b )

を満たすような c が存在する.

■証明

● f( a )<f( b ) の場合

関数 f x の x=a での連続性の定義は,「任意の正の実数 ε に対して,適当な正の数 δ があって, x−a <δ のすべての x について f x −f a <ε となる」と表わされる.ここで, x≧a , d>a , ε=k−f a , δ=d−a として定義を適用すると ,ある区間 [a,d) の任意の x 注1) において,常に f x <k  注2) となる d が存在し,その集合を D とする. k<f b (ただし, b∉D )より,Dには上限がある.その上限の値を e とすると, a< e ≦b となる.

注1) x≧a , δ=d−a より, x−a <δ , x−a<d−a , x<d よって, a≦x<d

注2) f x −f a >0 の場合: f x −f a <k−f a , f x −f a <k−f a ,よって, f x <k

f x −f a <0 の場合: f x <f a , f a <k より, f x <k

f e <k とすると,十分小さい ε ′ に対して, f e + ε ′ <k となってしまい, e が上限であることに矛盾する.また, f e >k とすると,十分小さい ε ′ に対して, f e− ε ′ >k となってしまい, e が上限であることに矛盾する.したがって, f e =k となる e が集合 D の上限の値で, k<f b より , a< e <b となる.以上より, e は c の1つである.

f a >f b の場合も同様である.

 

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最終更新日: 2024年5月28日