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介值定理

介值定理(intermediate value theorem)说的是:若 f 在闭区间 [a,b] 连续,任何位于 f(a) 与 f(b) 之间的数 u,都至少是某个 c∈[a,b] 的函数值。若 u 严格夹在两个不同的端点值之间,则 c 可取在开区间 (a,b)。它保证存在,不保证只有一个。

从异号到一个根

考虑 f(x)=x3−x−1。计算得 f(1)=−1、f(2)=5。多项式连续,故在 1 与 2 之间必有 f(c)=0。若把中点 1.5 代入,得 f(1.5)=0.875>0,根缩进 (1,1.5);再取 1.25,得 f(1.25)=−0.296875,根缩进 (1.25,1.5)。每一步只用符号变化和连续性,正是二分法能够一直保留根的理由。

连续三次函数在一处函数值为负另一处为正,两端之间与零水平线相交
曲线穿过零水平线的位置是介值定理保证的根;二分法通过保留异号端点逐步定位它。

存在性的构造

设 f(a)<u<f(b),并令 S={x∈[a,b]:f(x)<u}。集合非空且有上界,由上确界原理取 c=sup⁡S。如果 f(c)<u,连续性使 c 右边足够近的点仍有函数值小于 u,这与 c 为上界矛盾。如果 f(c)>u,连续性使 c 左边足够近的点都大于 u,又与有 S 中的点任意接近其上确界矛盾。所以 f(c)=u。论证真正用到两件事:实数有上确界,以及连续性把点上的严格不等式延伸到邻域。

图像跨过水平线并不能代替这两个条件。阶跃函数 h(x)=0(x<0)、h(x)=1(x≥0)的端点值可以分别为 0 与 1,却永远不取 1/2。反过来,即使函数连续,端点同号也不能据此断定内部没有零点,例如 x2−1 在 [−2,2] 两端均为正,内部有两个根。存在性与唯一性是不同问题;上面的三次函数还需分析导数才能确认根的个数。

参考资料