stringtranslate.com

Теорема о промежуточном значении

Теорема о промежуточном значении: пусть — непрерывная функция, определенная на , и пусть — число с . Тогда существует нечто среднее и такое, что .

В математическом анализе теорема о промежуточном значении утверждает, что если это непрерывная функция, область определения которой содержит интервал [ a , b ] , то она принимает любое заданное значение между и в некоторой точке внутри интервала.

Это имеет два важных следствия :

  1. Если непрерывная функция внутри интервала имеет значения противоположного знака, то она имеет корень в этом интервале ( теорема Больцано ). [1] [2]
  2. Образ непрерывной функции на интервале сам по себе является интервалом.

Мотивация

Теорема о промежуточном значении

Это отражает интуитивное свойство непрерывных функций над действительными числами : если задано непрерывное значение с известными значениями и , то график должен проходить через горизонтальную линию при движении от к . Он представляет собой идею о том, что график непрерывной функции на отрезке можно нарисовать, не отрывая карандаша от бумаги.

Теорема

Теорема о промежуточном значении гласит следующее:

Рассмотрим интервал действительных чисел и непрерывную функцию . Затем

Примечание. Версия II утверждает, что набор значений функции не имеет пробелов. Для любых двух значений функции с , даже если они находятся за пределами интервала между и , все точки в интервале также являются значениями функции,

Версия I,Версии II

Отношение к полноте

Теорема зависит от полноты действительных чисел и эквивалентна ей . Теорема о промежуточном значении не применима к рациональным числам Q , поскольку между рациональными числами существуют промежутки; иррациональные числа заполняют эти пробелы. Например, функция удовлетворяет и . Однако не существует такого рационального числа, что , поскольку – иррациональное число.

Доказательство

Доказательство версии А

Теорема может быть доказана как следствие свойства полноты действительных чисел следующим образом: [3]

Мы докажем первый случай, . Второй случай аналогичен.

Позвольте быть набором всех таких, что . Тогда непусто, поскольку является элементом . Поскольку непусто и ограничено сверху по полноте, верхняя грань существует. То есть, это наименьшее число, которое больше или равно каждому члену .

Обратите внимание, что благодаря непрерывности at мы можем оставаться в пределах любого из , оставаясь достаточно близкими к . Поскольку это строгое неравенство, рассмотрим последствия, когда расстояние между и . Ни одно достаточно близкое к значение не может тогда быть больше или равно , что означает, что существуют значения, большие, чем в . Более подробное доказательство выглядит так:


Выбирать . Тогда такое, что ,

Аналогично, благодаря непрерывности at мы можем оставаться в пределах любого из , оставаясь достаточно близко к . Поскольку это строгое неравенство, рассмотрим аналогичный вывод, когда расстояние между и . Каждое достаточно близкое к должно тогда превышать , что означает, что существуют значения меньшие, чем это, являются верхними границами . Более подробное доказательство выглядит так:

Выбирать . Тогда такое, что ,

С и это должно быть так . Теперь мы утверждаем это .

Исправьте некоторые . Так как непрерывно в , такой, что , .

Поскольку и открыт, такой, что . Набор . Тогда у нас есть

Доказательство версии B

Мы докажем только случай , так как случай аналогичен. [4]

Определите , что эквивалентно и позволяет нам переписать как , и нам нужно доказать, что для некоторых это более интуитивно понятно. Далее определяем множество . Потому что мы знаем, что так, что не пусто. Более того, поскольку мы знаем, что оно ограничено и непусто, то по полноте супремум существует.


Есть 3 случая для значения , это и . От противного предположим, что . Тогда по определению непрерывности для существует такое , из которого следует, что , что эквивалентно . Если бы мы просто выбрали , где , то и так . Отсюда следует, что это верхняя граница для . Однако , что противоречит свойству верхней границы наименьшей верхней границы , поэтому . Предположим тогда, что . Мы аналогично выбрали и знаем, что существует такое, что подразумевает . Мы можем переписать это так , что подразумевается, что . Если бы мы сейчас выбрали , то и . Отсюда следует, что это верхняя граница для . Однако , что противоречит наименьшему свойству наименьшей верхней границы , а значит, это невозможно. Если мы объединим оба результата, мы получим это или это единственная оставшаяся возможность.



Примечание: Теорему о промежуточном значении можно доказать и с помощью методов нестандартного анализа , которые ставят «интуитивные» рассуждения, включающие бесконечно малые числа, на строгую [ необходимы пояснения ] основу. [5]

История

Форма теоремы была постулирована еще в V веке до нашей эры в работе Брайсона Гераклейского о квадратуре круга . Брайсон утверждал, что, поскольку существуют круги, большие и меньшие данного квадрата, должен существовать круг равной площади. [6] Впервые теорема была доказана Бернаром Больцано в 1817 году. Больцано использовал следующую формулировку теоремы: [7]

Позвольте быть непрерывными функциями на интервале между и такими, что и . Тогда есть нечто среднее и такое, что .

Эквивалентность этой формулировки современной можно показать, установив соответствующую постоянную функцию. Огюстен-Луи Коши предоставил современную формулировку и доказательство в 1821 году. [8] Оба были вдохновлены целью формализовать анализ функций и работой Жозефа-Луи Лагранжа . Идея о том, что непрерывные функции обладают свойством промежуточного значения, имеет более раннее происхождение. Саймон Стевин доказал теорему о промежуточном значении для многочленов ( на примере кубики ), предоставив алгоритм построения десятичного разложения решения. Алгоритм итеративно делит интервал на 10 частей, создавая дополнительную десятичную цифру на каждом шаге итерации. [9] До того, как было дано формальное определение непрерывности, свойство промежуточного значения было дано как часть определения непрерывной функции. Среди сторонников - Луи Арбогаст , который предполагал, что функции не имеют переходов, удовлетворяют свойству промежуточного значения и имеют приращения, размеры которых соответствуют размерам приращений переменной. [10] Ранее авторы считали этот результат интуитивно очевидным и не требующим доказательства. Идея Больцано и Коши заключалась в том, чтобы определить общее понятие непрерывности (в терминах бесконечно малых в случае Коши и использования действительных неравенств в случае Больцано) и предоставить доказательство, основанное на таких определениях.

Обратное неверно

Функция Дарбу — это функция f с действительным знаком , которая обладает «свойством промежуточного значения», т. е. удовлетворяет заключению теоремы о промежуточном значении: для любых двух значений a и b в области f и любого y между f ( a ) и f ( b ) , между a и b существует некоторый c , причем f ( c ) = y . Теорема о промежуточном значении гласит, что каждая непрерывная функция является функцией Дарбу. Однако не каждая функция Дарбу непрерывна; т. е. обращение теоремы о промежуточном значении неверно.

В качестве примера возьмем функцию f  : [0, ∞) → [−1, 1] , определенную формулой f ( x ) = sin(1/ x ) для x > 0 и f (0) = 0 . Эта функция не является непрерывной при x = 0 , поскольку предел f ( x ) при стремлении x к 0 не существует; однако функция имеет свойство промежуточного значения. Другой, более сложный пример даёт функция Конвея по основанию 13 .

Фактически, теорема Дарбу утверждает, что все функции, возникающие в результате дифференцирования какой-либо другой функции на некотором интервале, обладают свойством промежуточного значения (хотя они не обязательно должны быть непрерывными).

Исторически это свойство промежуточного значения предлагалось как определение непрерывности вещественных функций; [11] это определение не было принято.

Обобщения

Многомерные пространства

Теорема Пуанкаре-Миранды является обобщением теоремы о промежуточном значении от (одномерного) интервала до (двумерного) прямоугольника или, в более общем смысле, до n -мерного куба .

Врахатис [12] представляет аналогичное обобщение для треугольников или, в более общем смысле, n -мерных симплексов . Пусть D nn -мерный симплекс с n +1 вершиной, обозначаемый v 0 ,..., v n . Пусть F =( f 1 ,..., f n ) — непрерывная функция от D n до R n , которая никогда не равна 0 на границе D n . Предположим, F удовлетворяет следующим условиям:

Тогда внутри D n существует точка z , на которой F ( z ) =(0,...,0).

Можно нормализовать fi так, чтобы fi ( vi ) > 0 для всех i ; тогда условия упрощаются:

Теорему можно доказать на основе леммы Кнастера–Куратовского–Мазуркевича . In можно использовать для аппроксимации неподвижных точек и нулей. [13]

Общие метрические и топологические пространства

Теорема о промежуточном значении тесно связана с топологическим понятием связности и следует из основных свойств связных множеств в метрических пространствах и, в частности, связных подмножеств R :

Фактически, связность является топологическим свойством и (*) обобщается на топологические пространства : если и являются топологическими пространствами, являются непрерывным отображением и являются связным пространством , то связно. Сохранение связности при непрерывных отображениях можно рассматривать как обобщение теоремы о промежуточном значении - свойства вещественнозначных функций действительной переменной - на непрерывные функции в общих пространствах.

Напомним первую версию теоремы о промежуточном значении, сформулированную ранее:

Теорема о промежуточном значении  ( Версия I )  —  Рассмотрим замкнутый интервал действительных чисел и непрерывную функцию . Тогда, если действительное число такое, что , существует такое, что .

Теорема о промежуточном значении является непосредственным следствием этих двух свойств связности: [14]

Доказательство

По (**) является связным множеством. Из (*) следует , что образ , также связен. Для удобства предположим, что . Затем еще раз вызов (**) подразумевает, что или для некоторого . Так как , действительно должно выполняться, отсюда следует желаемый вывод. Тот же аргумент применим, если , и мы закончили. КЭД

Теорема о промежуточном значении обобщается естественным образом: предположим, что X — связное топологическое пространство, а ( Y , <)полностью упорядоченное множество, снабженное порядковой топологией , и пусть f  : XY — непрерывное отображение. Если a и b — две точки в X, а u — точка в Y , лежащая между f ( a ) и f ( b ) относительно < , то существует c в X такой, что f ( c ) = u . Исходная теорема восстанавливается, если отметить, что R связен и что его естественная топология является топологией порядка.

Теорема Брауэра о неподвижной точке — это родственная теорема, которая в одном измерении дает частный случай теоремы о промежуточном значении.

В конструктивной математике

В конструктивной математике теорема о промежуточном значении неверна. Вместо этого следует ослабить вывод:

Практическое применение

Аналогичным результатом является теорема Борсука-Улама , которая гласит, что непрерывное отображение -сферы в евклидово -пространство всегда будет отображать некоторую пару противоположных точек в одно и то же место.

Доказательство для одномерного случая

Возьмем любую непрерывную функцию на окружности. Проведите линию через центр круга, пересекая ее в двух противоположных точках и . Определитесь , чтобы быть . Если линия повернута на 180 градусов, вместо этого будет получено значение d . По теореме о промежуточном значении должен существовать некоторый промежуточный угол поворота, для которого d = 0 и, как следствие, f ( A ) = f ( B ) под этим углом.

Вообще, для любой непрерывной функции, областью определения которой является некоторая замкнутая выпуклая -мерная форма и любая точка внутри формы (не обязательно ее центр), существуют две противоположные точки относительно данной точки, функциональное значение которых одинаково.

Теорема также лежит в основе объяснения того, почему вращение шаткого стола приводит к его устойчивости (с учетом определенных легко выполнимых ограничений). [16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Теорема Больцано». Математический мир .
  2. ^ Кейтс, Деннис М. (2019). Исчисление бесконечно малых Коши . п. 249. дои : 10.1007/978-3-030-11036-9. ISBN 978-3-030-11035-2. S2CID  132587955.
  3. ^ По сути следует Кларку, Дугласу А. (1971). Основы анализа . Эпплтон-Сентьюри-Крофтс. п. 284.
  4. ^ Слегка измененная версия Эббота Стивена (2015). Понимание анализа . Спрингер. п. 123.
  5. ^ Сандерс, Сэм (2017). «Нестандартный анализ и конструктивизм!». arXiv : 1704.00281 [math.LO].
  6. ^ Бос, Хенк Дж. М. (2001). «Легитимация геометрических процедур до 1590 года». Переосмысление геометрической точности: трансформация Декартом ранней современной концепции строительства . Источники и исследования по истории математики и физических наук. Нью-Йорк: Спрингер. стр. 23–36. дои : 10.1007/978-1-4613-0087-8_2. МР  1800805.
  7. ^ Расс, С.Б. (1980). «Перевод статьи Больцано о теореме о промежуточном значении». История Математики . 7 (2): 156–185. дои : 10.1016/0315-0860(80)90036-1 .
  8. ^ Грабинер, Джудит В. (март 1983 г.). «Кто дал вам эпсилон? Коши и истоки строгого исчисления» (PDF) . Американский математический ежемесячник . 90 (3): 185–194. дои : 10.2307/2975545. JSTOR  2975545.
  9. ^ Карин Усади Кац и Михаил Г. Кац (2011) Бюрджессианская критика номиналистических тенденций в современной математике и ее историографии. Основы науки . doi :10.1007/s10699-011-9223-1 См. ссылку
  10. ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Теорема о промежуточном значении», Архив истории математики MacTutor , Университет Сент-Эндрюс
  11. ^ Сморинский, Крейг (7 апреля 2017 г.). MVT: самая ценная теорема. Спрингер. ISBN 9783319529561.
  12. ^ Врахатис, Майкл Н. (1 апреля 2016 г.). «Обобщение теоремы Больцано для симплексов». Топология и ее приложения . 202 : 40–46. doi :10.1016/j.topol.2015.12.066. ISSN  0166-8641.
  13. ^ Врахатис, Майкл Н. (15 апреля 2020 г.). «Теорема о промежуточном значении для симплексов для симплициальной аппроксимации неподвижных точек и нулей». Топология и ее приложения . 275 : 107036. doi :10.1016/j.topol.2019.107036. ISSN  0166-8641.
  14. ^ Рудин, Уолтер (1976). Принципы математического анализа. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 42, 93. ISBN. 978-0-07-054235-8.
  15. Мэтью Франк (14 июля 2020 г.). «Интерполяция между вариантами для теоремы о приближенном промежуточном значении». Логические методы в информатике . 16 (3). arXiv : 1701.02227 . дои : 10.23638/LMCS-16(3:5)2020.
  16. ^ Кейт Девлин (2007) Как стабилизировать шаткий стол

Внешние ссылки