初めに
最大値・最小値の定理をスタートとしてそこからロルの定理、コーシーの平均値の定理、そしてロピタルの定理という流れで示します。また、この記事の中では一般にとします。
本題
では最初に最大値・最小値の定理を述べます。
最大値・最小値の定理
今回は次の定理を認めてこれからスタートします。
最大値・最小値の定理
実数値関数と有界閉区間について. が上で連続であるなら, あるが存在して任意の実数について
が成立する.
噛み砕いていえば「連続である関数は有界閉区間で最大値も最小値も存在する。」というものですね。さて、次はロルの定理です。
ロルの定理
ロルの定理は次のような定理です。
ロルの定理
有界閉区間上で連続でありしかもで微分可能な関数について.
が成立する.
とは「となるような、あるが存在する。」という意味です。
証明の前に次の補題を示します。
有界閉区間において, 実数値関数がで最大値, または最小値を取り, しかもこの点で微分可能であるときが成立する.
最大値を取る場合について示す.
仮定よりについてが成立する. また, において微分可能であるのでである. 従ってとなる正の実数が存在して
が成立するのでこれをとすることにより
が成立する. そしてとなるような正の実数について同様の議論により
が分かる. 以上よりが成立する. 最小値を取る場合も同様である.
ではロルの定理を示しましょう。
と置く.
最大値・最小値の定理よりあるが存在してはそこで最大値, または最小値を取る.
もしにおいて最大値, または最小値を取るときこの点では微分可能である. 従って補題よりが成立する.
さもなくばとにおいて最大値と最小値の両方を取るので任意のについて
が成立する. 即ちはなる定数関数であるのであるが存在してが成立する.
以上より示された.
これでロルの定理は示されました。次はコーシーの平均値の定理です。
コーシーの平均値の定理
平均値の定理といえば高校の数学lllで習う次のものをご存じの方も多いのではないでしょうか。
ラグランジュの平均値の定理
有界閉区間上で連続でありしかもで微分可能な関数について
が成立する.
定理の名前の欄で分かってしまいますが、実はラグランジュの平均値の定理という名前が本来のこの定理の名前です。今回示すコーシーの平均値の定理はこれより一般的な次の定理です。
コーシーの平均値の定理
有界閉区間上で連続でありしかもで微分可能な関数について
が成立する. 特にかつであるとき
が成立する.
コーシーの平均値の定理においてとした場合がラグランジュの平均値の定理であるのでコーシーの平均値の定理はその拡張であると言えます。では、証明していきましょう。
と定義する. 仮定よりは上で連続でありしかもで微分可能である. また, 簡単な計算によりであることも分かる. 従ってロルの定理より
が成立する. であるので
が成立する. また, かつであるとき
が成立する.
これでコーシーの平均値の定理が示されました。次で最後、ロピタルの定理を示していきます。
ロピタルの定理
ロピタルの定理といえば「大学入試の最終手段」だとか「入試の裏ワザ」みたいなことを言われてると思っているんですが、そもそも皆正しく使えていないので所詮そんなもんなんだろうなぁと思ってます。では定理の内容を書きます。
定理の中の「」の部分を全て「」や「」に置き換えても成立します。とした場合の証明もほぼ同様なので端折り、この二つの結果を合わせれば「」とした場合になります。さて、証明しましょう。
が存在し, が存在するのでをある正の実数として, ある開区間においてであり, は連続かつ微分可能である. さらにが存在するのでをある正の実数としてにおいてである. とするとにおいてかつであり,は連続かつ微分可能である. また, と定義する. そしてとなるようにを定める. するとは上で連続でありしかもにおいて微分可能かつ, に対してであるのでコーシーの平均値の定理から
が成立する. であるので
となる. さて, この関係を保ったままとすることによりとなるので
が成立する.
終わりに
ロピタルの定理は確かに強力で使いやすい定理に見えますがその実、仮定がめんどくさかったりそもそも示すのがめんどくさかったりするのでとりあえず一回は示してみたらいいと思います。