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拉格朗日中值定理

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年9月26日 (六) 18:51的版本 (补充微积分二十篇概念与定理:条件、证明、算例及图解)
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拉格朗日中值定理(mean value theorem)把整段的平均变化率同某处的瞬时变化率联系起来。若 f 在 [a,b] 连续、在 (a,b) 可导,a<b,则存在 c∈(a,b) 使 f′(c)=f(b)−f(a)b−a. 结论只保证至少一处斜率相等;并不声称中点一定适用。

先去掉端点连线

过曲线端点的直线为 ℓ(x)=f(a)+[f(b)−f(a)](x−a)/(b−a)。令 g=f−ℓ,便有 g(a)=g(b)=0。连续、可导条件随减去直线保留,由罗尔定理有某个 c 使 g′(c)=0;而 g′=f′−[f(b)−f(a)]/(b−a),整理即得所需斜率等式。证明中的辅助直线不是装饰:它把任意端点高度差转成“等高端点”。

对 f(x)=x2、[1,3],端点割线斜率为 (9−1)/(3−1)=4;f′(c)=2c,所以 c=2。若令 f(x)=x3 在 [−1,1],割线斜率为 1,而 3c2=1 有两个内部解 c=±1/3。定理并不保证唯一。

平方函数在一与三之间的端点割线,以及二处与割线平行的切线,两线斜率均为四
图中割线的两端是固定数据;切点要由导数等于平均斜率求出。

从斜率等式到误差界

若某区间上处处有 |f′(x)|≤M,任取区间内 x,y,对两点间应用中值定理得到 |f(x)−f(y)|≤M|x−y|。例如 |(sin⁡x)′|=|cos⁡x|≤1,于是 |sin⁡x−sin⁡y|≤|x−y|。这比“函数变化不快”的口头印象多了精确上界。若导数在整个区间为零,同一公式还推出函数为常数;微积分基本定理用此事实比较两个原函数。

参考资料