中間値定理

中間値定理の図解

数学的解析学において中間値定理とは、区間[ a , b ] を定義する連続関数ありかつなる数であるとき、と の間に となるようなものが存在することを述べています。つまり、区間上の連続関数の像は、それ自体が を含む区間です。

例えば、 とすると、 がからに移動する、 のグラフは必ず水平線を通過します。 区間全体にわたって関数値の集合に隙間はなく、鉛筆を紙から離さずにグラフを描くことができます。

系である ボルツァーノの定理は、連続関数が区間内に反対符号の値を持つ場合、その区間に根を持つと述べている。 [1] [2]この定理は実数の完全性に依存し、それと同等であるが、ワイエルシュトラスの零点定理は実閉体上の多項式の中間値定理の一種である

中間値定理に類似した結果はボルスク・ウラム定理であり、これはぐらつくテーブルを回転させると必ず安定状態になる理由を裏付けています。ダルブーの定理は、ある区間における他の関数の微分から得られるすべての関数は、連続である必要はないものの、中間値の性質を持つことを述べています。

モチベーション

中間値定理

これは、実数上の連続関数の直感的な性質を捉えています。つまり、 と が既知の値でで連続している場合、 のグラフはがからに移動する間、必ず水平線を横切るということです。これは、閉区間上の連続関数のグラフは、紙から鉛筆を離すことなく描くことができるという考えを表しています。[要出典]

定理

中間値定理は次のように述べている。[要出典]

実数と連続関数の閉区間を考える。すると、

  • バージョン I.と の間の数値である場合つまり となるような が存在します
  • バージョンII。集合 も閉区間であり、 を含みます。つまり、関数値の集合にはギャップがありません。 を満たす任意の2つの関数値に対して、区間内のすべての点も関数値です。基本的に、内部ギャップのない実数のサブセットは区間です。

バージョン Iは当然バージョン IIに含まれます。

証拠

この定理は実数 の完全性に依存し、かつそれと同値である。中間値定理は有理数 Qには適用されない。なぜなら、有理数間には隙間が存在するからであり、無理数はそれらの隙間を埋めるからである。例えば、に対する関数 はとを満たす。しかし、 は無理数であるため、を満たす有理数は存在しない[要出典]

上記にもかかわらず、実閉体上の多項式に対する中間値定理のバージョンが存在する。ワイエルシュトラスの零点定理を参照のこと。[要出典]

証明バージョンA

この定理は、実数の完全性の性質の結果として次のように証明できる。 [3]

最初のケースを証明します。2番目のケースも同様です。

  1. となるすべてのものの集合をとします
  2. は の要素なので空はありません
  3. は空でなく、 によって上方に有界であるため、完全性により、上限が存在します。つまり、 はのすべての要素以上である最小の数値です。におけるの連続性により、に十分近い値を維持することで、 の任意の要素の範囲内にを保つことができることに注意してください。 は厳密な不等式であるため、が と の間の距離である場合の含意を考えますに十分近い が以上に等しくなることはできません。つまり、にはよりも大きい値が存在するということです

より詳細な証明は次のようになります。

  1. を選択してくださいすると
  2. 区間 を考えてみましょうおよび任意の が条件 を満たすことに注意してください
  3. したがって、あらゆる に対して が成り立ちます。したがって は成り立ちません
  4. 同様に、におけるの連続性によりに十分近い値を維持することで、 の任意の値の範囲内にを保つことができます。 は厳密な不等式であるため、が との間の距離である場合の同様の帰結を考えてみましょうに十分近い値はすべてより大きくなります。つまり、 より小さい値で の上限となる値が存在するということです

さらに詳しい証明は次のようになります。

  1. を選びます。するととなる区間を考えますそして、すべての が条件を満たすことに注意してください。したがって、すべての に対して が成り立ちます。したがって は成り立ちません
  2. および を用いる、 が成り立つはずです。ここで、 であると主張します
  3. いくつかの を固定します。 はで連続なのでとなります
  4. と はなので、が成り立つ。 と設定する。すると、すべての に対してが成り立つ
  5. 上限の性質により、に含まれるものが存在するので、
  6. を選ぶと、が の最大値であるため、であることがわかります。これは、の両方の不等式がすべての に対して有効であり、そこから、前述のように が唯一の可能な値であると推論できることを意味します。

証明バージョンB

の場合も同様なので、 の場合についてのみ証明する[4]

  1. と等価なを定義し、 と書き直しましょう ある に対して であることを証明する必要があります。さらに集合 を定義します
  2. なぜなら、それが空虚ではないことを私たちは知っているからです
  3. さらに、は有界かつ空でないことがわかっているので、完全性により上限が存在します。
  4. 値には と の 3 つのケースがありますの矛盾を回避するために、 と仮定しましょう
  5. 連続性の定義により、 に対して、 が存在するので、 が成り立ち、これは と同等である
    1. (ただし )を選択した場合、 として、 が得られ、そこから および得られるので、 となります。したがって はの上限となります
    2. しかし、 は最小上限の上限特性と矛盾するため、 となります
  6. 次に、 と仮定します。同様に、 を選択し、 が存在することが分かっています。つまり、 が成り立ちます。これを と書き直すと、が成り立ちます
    1. ここで を選択すると、 およびとなります
    2. したがって、 はの上限となります
    3. しかし、これは最小上限の最小の性質 と矛盾しており、つまり は不可能である。
  7. 両方の結果を組み合わせると、またはが唯一残る可能性であることがわかります。

注:中間値定理は非標準解析法を用いて証明することもできます。非標準解析法は、無限小値を含む「直感的な」議論を厳密な[説明が必要] 基盤の上に置きます。[5]

歴史

この定理の一形態は、紀元前5世紀にはすでにヘラクレアのブライソンの円の平方に関する著作の中で提唱されていました。ブライソンは、与えられた正方形より大きい円と小さい円の両方が存在するので、等しい面積の円が存在するはずだと主張しました。[6]この定理は1817年にベルナルド・ボルツァーノによって初めて証明されました。ボルツァーノは定理を次のように定式化しました。[7]

間の区間上の連続関数で かつ となるものを考えるすると と の間に が存在しなる

この定式化と現代の定式化の等価性は、 を適切な定数関数に設定することによって示せますオーギュスタン=ルイ・コーシーは1821 年にこの現代的な定式化と証明を提供しました。 [8]両者とも関数解析の形式化の目標とジョゼフ=ルイ・ラグランジュの研究に触発されました。連続関数が中間値特性を持つという考え方は、より古い起源を持っています。シモン・ステヴィンは、解の小数展開を構成するアルゴリズムを提供することにより、多項式の中間値定理を証明しました(例として3 次を使用)。このアルゴリズムは、区間を反復的に 10 の部分に分割し、反復の各ステップで追加の小数桁を生成します。 [9]連続性の正式な定義が与えられる前は、中間値特性は連続関数の定義の一部として与えられていました。提唱者の 1 つであるLouis Arbogast は、関数にはジャンプがなく、中間値特性を満たし、増分の大きさが変数の増分の大きさに対応すると仮定しました。[10]

初期の研究者たちは、この結果は直感的に明らかであり、証明を必要としないと考えていました。ボルツァーノとコーシーの洞察は、連続性の一般的な概念(コーシーの場合は無限小を用いて、ボルツァーノの場合は実不等式を用いて)を定義し、その定義に基づく証明を提示したことでした。

ダルブー関数

ダルブー関数とは、「中間値特性」を持つ実数値関数f のことである。つまり、中間値定理の結論を満たす関数である。すなわち、fの定義域における任意の2つの値ab、およびf ( a )f ( b )の間にある任意のyに対して、 abの間にf ( c ) = yを満たすcが存在する。中間値定理によれば、すべての連続関数はダルブー関数となる。しかし、すべてのダルブー関数が連続であるとは限らない。つまり、中間値定理の逆は成り立たない。

例として、関数f  : [0, ∞) → [−1, 1]を考えてみましょう。この関数は、x > 0かつf (0) = 0のときf ( x ) = sin(1/ x )で定義されます。この関数はx = 0において連続ではありません。なぜなら、 xが 0 に近づくにつれてf ( x )極限は存在しないからです。しかし、この関数は中間値の性質を持ちます。より複雑な例として、コンウェイの 13 を底とする関数が挙げられます

実際、ダルブーの定理は、ある区間で他の関数を微分して得られるすべての関数は中間値特性を持つ(連続である必要はないが)と述べています。

歴史的に、この中間値特性は実数値関数の連続性の定義として提案されてきたが、[11]この定義は採用されなかった。

一般化

多次元空間

ポアンカレ-ミランダの定理は、中間値定理を (1 次元) 区間から (2 次元) 長方形、より一般的にはn次元の立方体に一般化したものです。

Vrahatis [12]は、三角形、あるいはより一般的にはn次元単体に対する同様の一般化を提示している。D nを、 v 0 ,..., v nで表されるn +1個の頂点を持つn次元単体とする。F = ( f 1 ,..., f n ) をD nからR nへの連続関数とし、 D nの境界上で0とならないものとする。F以下の条件を満たすとする。

  • 1,..., nのすべてのiについて、 f i ( v i )の符号は、v iの反対面上のすべての点xについてf i ( x )の符号と反対になります
  • v 0上のf 1、...、f nの符号ベクトルは、v 0 の反対面上のすべての点上のf 1、...、f nの符号ベクトルと等しくありません

すると、 D n内部zが存在し、その点ではF ( z )=(0,...,0) が成立します。

すべてのiに対してf i ( v i )>0となるようにf iを正規化することができます。その場合、条件はより単純になります。

  • 1,..., nのすべてのiについて、f i ( v i )>0 であり、v iの反対面上のすべての点xについてf i ( x )<0 である。特に、f i ( v 0 )<0 である。
  • v 0 の反対側の面上のすべての点xについて、1,..., n内の少なくとも 1 つのiに対してf i ( x )>0 が成り立ちます。

この定理はクナスター・クラトフスキー・マズルキエヴィチの補題に基づいて証明できる。この補題は不動点と零点の近似に使用できる。[13]

一般計量空間と位相空間

中間値定理は位相的な連結性の概念と密接に関連しており、特に 距離空間内の連結集合とRの連結部分集合の基本的な性質から導かれます。

  • 距離空間が連続写像、 が連結な部分集合である場合、は連結です。( * )
  • 部分集合が連結であるとは、次の性質を満たす場合のみである。( ** )

実際、連結性は位相的な性質であり、(*)は位相空間に一般化されますと が位相空間、が連続写像、 が連結空間である場合は連結です。 連続写像における連結性の保存は、実変数 の連続実数値関数の性質である中間値定理を、一般空間の連続関数に一般化したものと考えることができます。

前に述べた中間値定理の最初のバージョンを思い出してください。

中間値定理 バージョンI実数 の閉区間と連続関数を考える。すると、が となる実数であるとき、となる が存在する

中間値定理は、連結性のこれらの2つの性質から直接導かれるものである。[14]

証拠

(**)によりは連結集合となる。(*)から、像も連結であることが分かる。便宜上、 と仮定しよう。そしてもう一度(**)を用いると、、あるいは何らかの に対してが成立する実際に成立するはずなので、望ましい結論が導かれる。 の場合にも同じ議論が当てはまるので、これで終わりだ。QED

中間値定理は自然な形で一般化される。X連結位相空間であり、( Y , <)が順序位相を備えた全順序集合であるとしf ​​ : XYを連続写像とする。ab がXの2点でありu がY内の点であり、 <に関してf ( a )f ( b )の間にあるとすると、 Xにはf ( c ) = uとなるc が存在する。Rが連結であり、その自然な位相が順序位相 である ことに注目することで元の定理が復元される。

ブラウワーの不動点定理は、1 次元で中間値定理の特殊なケースを与える関連定理です。

構成的数学において

構成的数学においては、中間値定理は成り立ちません。代わりに、その値は任意の小さな範囲でのみ見つかる可能性があるという、弱められた結論を導き出さなければなりません。

  • 実数、を閉区間から実数直線への点毎連続関数とし、およびする。すると、任意の正の数に対して、単位区間内に となる点が存在する[15]

実用的な応用

同様の結果はボルスク・ウラム定理であり、これは、 -球面からユークリッド -空間への連続写像は常に、いくつかの反対称点のペアを同じ場所に写像するというものである。

1次元の場合の証明

を円上の任意の連続関数とする。円の中心を通り、2点と交わる線を引くを と定義する。この線を180度回転させると、代わりに値dが得られる。中間値定理により、d = 0となる中間の回転角度が存在するはずであり、その結果、この角度ではf ( A ) = f ( B )となる。

一般に、ある閉じた凸次元形状とその形状内の任意の点(必ずしも中心とは限らない)を定義域とする任意の連続関数に対して与えられた点に関して関数値が同じである 2 つの反対称点が存在します。

この定理は、ぐらついたテーブルを回転させると安定する理由(いくつかの簡単に満たされる制約に従う)を説明する基礎にもなっている。[16]

参照

参考文献

  1. ^ Weisstein, Eric W.「ボルツァーノの定理」。MathWorld
  2. ^ ケイツ、デニス M. (2019).コーシーの無限微分計算。 p. 249.土井:10.1007/978-3-030-11036-9。ISBN 978-3-030-11035-2. S2CID  132587955。
  3. ^ 基本的にはクラーク、ダグラス・A.(1971)『分析の基礎』アップルトン・センチュリー・クロフツ社、284頁に準拠している。
  4. ^ Abbot, Stephen (2015). Understanding Analysis . Springer. p. 123 を若干改変。
  5. ^ サンダース、サム (2017). 「非標準解析と構成主義!」arXiv : 1704.00281 [math.LO].
  6. ^ Bos, Henk JM (2001). 「1590年以前の幾何学的手続きの正当性」.幾何学的正確性の再定義:デカルトによる初期近代における構成概念の変容. 数学・物理科学史資料集成. ニューヨーク: Springer. pp.  23– 36. doi :10.1007/978-1-4613-0087-8_2. ISBN 978-1-4612-6521-4. MR  1800805。
  7. ^ Russ, SB (1980). 「ボルツァーノの中間値定理に関する論文の翻訳」. Historia Mathematica . 7 (2): 156– 185. doi : 10.1016/0315-0860(80)90036-1 .
  8. ^ グラビナー、ジュディス・V. (1983年3月). 「誰があなたにイプシロンを与えたのか?コーシーと厳密な微積分の起源」(PDF) .アメリカ数学月刊. 90 (3): 185– 194. doi :10.2307/2975545. JSTOR  2975545.
  9. ^ Karin Usadi KatzとMikhail G. Katz (2011)「現代数学における名目主義的傾向とその歴史学に対するバージェス派の批判」科学の基礎』doi :10.1007/s10699-011-9223-1 リンクを参照
  10. ^ オコナー、ジョン・J.;ロバートソン、エドマンド・F.、「ルイ・フランソワ・アントワーヌ・アルボガスト」、マクチューター数学史アーカイブセントアンドリュース大学
  11. ^ スモリンスキー、クレイグ (2017-04-07). MVT: 最も価値のある定理. シュプリンガー. ISBN 9783319529561
  12. ^ Vrahatis, Michael N. (2016-04-01). 「単体に対するボルツァーノ定理の一般化」 .位相幾何学とその応用. 202 : 40–46 . doi :10.1016/j.topol.2015.12.066. ISSN  0166-8641.
  13. ^ Vrahatis, Michael N. (2020-04-15). 「不動点と零点の単体近似における単体の中間値定理」.トポロジーとその応用. 275 107036. doi : 10.1016/j.topol.2019.107036 . ISSN  0166-8641.
  14. ^ ルディン、ウォルター(1976年)『数学解析の原理』ニューヨーク:マグロウヒル、pp.42, 93. ISBN 978-0-07-054235-8
  15. ^ マシュー・フランク (2020年7月14日). 「近似中間値定理における選択肢間の補間」.論理的手法 コンピュータサイエンス. 16 (3) 2638. arXiv : 1701.02227 . doi :10.23638/LMCS-16(3:5)2020.
  16. ^ Keith Devlin (2007) ぐらついたテーブルを安定させる方法

さらに読む

  • https://mathoverflow.net/questions/253059/近似中間値定理-純粋構築数学
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