ロルの定理

2019 10/06

2018.03.07 2019.10.06

平均値の定理を証明する上で必要なロルの定理についてです。
Ⅰ　ロルの定理とイメージ
 Ⅱ　ロルの定理の証明

Ⅰ　ロルの定理とイメージ

　ロルの定理は、フランスの数学者ミッシェル・ロル（Michel Rolle）が1690年に発表した導関数に関する定理です。

ロルの定理

　閉区間 $~[a,b]~$ で連続、開区間 $~(a,b)~$ で微分可能な関数 $~f~$ に関して、 $~f(a)=f(b)~$ ならば $~f'(c)=0~$ を満たす $~c \in (a,b)~$ が存在する。

この文章を読んだだけでは、なかなか理解しづらいと思います。そこで、いろいろな関数で成り立つかを考えてみました。

例１

$~f(x)=x^2(a=-2,b=2)~$ の場合

　閉区間 $~[-2,2]~$ で連続、開区間 $~(-2,2)~$ で微分可能、 $~f(-2)=f(2)=4~$ である。
　ロルの定理より、 $~-2~$ から $~2~$ の中で、微分係数が $~0~$ （すなわち、 $~x~$ 軸と平行）になるような点が存在する。

確かに $~f'(0)=0~$ となっている。

例２

$~f(x)=\sin{x}(a=0,b=2 \pi )~$ の場合

　閉区間 $~[0,2 \pi]~$ で連続、開区間 $~(0,2 \pi)~$ で微分可能、 $~f(0)=f(2 \pi)=0~$ である。
　ロルの定理より、 $~0~$ から $~2 \pi~$ の中で、微分係数が $~0~$ （すなわち、 $~x~$ 軸と平行）になるような点が存在する。

確かに $~\displaystyle f’\left(\frac{1}{2} \pi \right)=0,\displaystyle f’\left(\frac{3}{2} \pi \right)=0~$ となっている。

この例２のように、微分係数が $~0~$ になる点が複数になることもあります。

例３

$~f(x)=x^3-6x^2+9(f(a)=f(b)=2)~$ の場合

　閉区間 $~[a,b]~$ で連続、開区間 $~(a,b)~$ で微分可能、 $~f(a)=f(b)=2~$ である。
　ロルの定理より、 $~a~$ から $~b~$ の中で、微分係数が $~0~$ （すなわち、 $~x~$ 軸と平行）になるような点が存在する。

確かに $~f'(1)=0,f'(3)=0~$ となっている。

とにかく高さ $~y~$ が同じ点を２つ見つけると、その間には必ず微分係数が0になる点が存在するというのが、ロルの定理の主張です。

しかし、いくら同じ高さでも、次のような例ではロルの定理は成り立ちません。

反例１

$~f(x)=\tan{x}(a=0,b=\pi)~$ の場合

　ロルの定理は成り立たず、 $~f'(c)=0~$ となるような $~c \in (a,b)~$ は存在しません。

　反例１のように、適用範囲に不連続な点 $~\displaystyle \left( \frac{\pi}{2} \right) ~$ がある場合は、ロルの定理の前提条件に不適のため、ロルの定理は使えません。

反例２

$~f(x)=|x|(a=-2,b=2)~$ の場合

　ロルの定理は成り立たず、 $~f'(c)=0~$ となるような $~c \in (a,b)~$ は存在しません。

　反例２のように、適用範囲に微分不可能な点( $~0~$ )がある場合も、ロルの定理の前提条件に不適のため、ロルの定理は使えません。

Ⅱ　ロルの定理の証明

　Ⅰに挙げた多くの例で、ロルの定理のイメージが沸いたかと思われます。では、どんな時でも成り立つかを証明してみましょう。

証明

$~f(a)~$ との比較で場合分けをする。

（１）　 $~f(a)~$ よりも大きくなる点が存在とき

グラフの形は次のようになり、最大値の原理より、 $~x \in(a,b)~$ で最大値 $~f(c)(c \in (a,b) )~$ が存在する。

　 $~c~$ で微分可能であるため、 $~f'(c)~$ を考える。
　 $~b~$ 側からの接線の傾きは右下がり（0以下）なので
\begin{equation}
f'(c)=\displaystyle \lim_{h \to +0}\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \le 0
\end{equation}
また、 $~a~$ 側から接線の傾きは右上がり（0以上）なので
\begin{equation}
f'(c)=\displaystyle \lim_{h \to -0}\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \ge 0
\end{equation}
これらより、
\begin{equation}
f'(c)= 0
\end{equation}
が求まる。

（２）　 $~f(a)~$ よりも小さくなる点が存在とき

グラフの形は次のようになり、最小値の原理より、 $~x \in(a,b)~$ で最小値 $~f(c)(c \in (a,b) )~$ が存在する。

(1)と同様に考えて、 $~b~$ 側からの接線の傾きは右上がり（0以上）なので
\begin{equation}
f'(c)=\displaystyle \lim_{h \to +0}\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \ge 0
\end{equation}
また、 $~a~$ 側から接線の傾きは右下がり（0以下）なので
\begin{equation}
f'(c)=\displaystyle \lim_{h \to -0}\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \le 0
\end{equation}
これらより、
\begin{equation}
f'(c)= 0
\end{equation}
が求まる。

（３）　 $~f(x)=t（一定）~$ のとき

　 $~f(a)~$ よりも大きくなる点や小さくなる点が存在しないとき、グラフの形は次のようになる。

$~x\in(a,b)~$ で、 $~f'(x)=t’=0~$ となるため、
\begin{equation}
f'(c)= 0
\end{equation}
である。

（１）～（３）より、題意は示された。 $~\blacksquare $