中間值定理 (Intermediate-value theorem for derivative)

  • 令函數f:[a,b]→Rf:[a,b] \rightarrow \mathbb{R},且對於x∈(a,b) x \in (a,b)均可微分(有限值或無限大)。令f+′(a)<∞, f−′(b)<∞f_{+}^{'}(a) < \infty,\ f_{-}^{'}(b) < \infty 且 f+′(a)≠ f−′(b)f_{+}^{'}(a) \neq\ f_{-}^{'}(b),若f+′(a)≤c≤f−′(b) f_{+}^{'}(a) \leq c \leq f_{-}^{'}(b) 或 f−′(b)≤c≤f+′(a) f_{-}^{'}(b) \leq c \leq f_{+}^{'}(a),則 ∃x∈(a,b)∋f′(x)=c \exists x \in (a,b) \ni f^{'}(x) = c .
  • 中間值定理。
    • Proof:
    • Let g(x)=f(x)−f(a)x−a, if x≠a, else g(a)=f+′(a)g(x) = \frac{f(x) - f(a)}{x - a}, \text{ if } x \neq a, \text{ else } g(a) = f^{'}_{+}(a).
    • then g∈C[a,b]g \in \mathbf{C}[a,b].
    • 根據連續函數的中間值定理,可知∀y∈(g(a),g(b))∃c∈(a,b)∋f(c)=y\forall y \in (g(a), g(b)) \exists c \in (a,b) \ni f(c) = y均有定理.
    • 根據MVT,可得g(x)=f′(k)g(x) = f^{'}(k) for some k∈(a,x), x∈(a,b)k \in (a,x),\ x \in (a,b),
    • 所以f′f^{'}在(a,b)(a,b)中均有定義。
    • TODO
  • 此定理在f+′(a)=±∞f_{+}^{'}(a) = \pm \infty 或 f−′(b)=±∞f_{-}^{'}(b) = \pm \infty 時仍然成立。

  • 此定義說明了函數的微分值在區間中變號(正值變負值或是負值變正值),則必定存在某一點的微分值為0,且該點為區域極值。

  • Corollary: 令函數 ff 在開區間 (a,b)(a,b) 中每一點均可微(有限值或無限大),且 ff在端點aa 與 bb 連續。若 ∀x∈(a,b)\forall x \in (a,b), f′(x)≠0f^{'}(x) \neq 0,則函數ff嚴格單調 (嚴格遞增或嚴格遞減)。

    • 假設函數為嚴格單調遞增,其微分函數之值必定大於0。
  • Corollary: 若函數f′f^{'} 存在且在開區間(a,b)(a,b)單調,則f′f^{'} 在開區間(a,b)(a,b)連續。

    • Proof:(反證法)
    • 假設函數f′f^{'}在點c∈(a,b)c \in (a,b)有跳躍(jump)。
    • 令點cc包含於子區間[a1,b1][a_1, b_1]中。
    • 由IVT可知在點cc應存在微分值,與假設矛盾(QED)。

L'Hospital rule

    • 函數f,gf,g在開區間(a,b)(a,b)可微分,但在c∈(a,b)c \in (a,b)不必可微分,若
    • limx→cf(x)=limx→cg(x)=0 or ±∞\lim_{x \rightarrow c}f(x) = \lim_{x \rightarrow c}g(x) = 0 \text{ or } \pm \infty (同時為0、正無窮大或負無窮大)。
    • g′(x)≠0,∀x∈(a,b) with x≠cg^{'}(x) \neq 0, \forall x \in (a,b) \text{ with } x \neq c , and limx→cf′(x)g′(x)<∞ \lim_{x \rightarrow c}\frac{f^{'}(x)}{g^{'}(x)} < \infty .
    • then limx→cf(x)g(x)=limx→cf′(x)g′(x)\lim_{x \rightarrow c} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \rightarrow c} \frac{f^{'}(x)}{g^{'}(x)} .
  • 此法則可解釋為ff相對於gg的增長速度(斜率),經過微分後的比例仍然相等。即位移之值無法比較時,比較速度,若也無法比較時,比較加速度,以此類推。

Taylor's formula

  • 若函數ff在點cc可微分,則f′(x)=limx→cf(x)−f(c)x−cf^{'}(x) = \lim_{x \rightarrow c} \frac{f(x) - f(c)}{x- c},即可用線性函數近ff如下:

    • f(x)=f(c)+f′(c)(x−c)f(x) = f(c) + f^{'}(c) (x - c).
  • 若函教f(n)<∞f^{(n)} < \infty 在開區間(a,b) n(a,b) \ n階可微分,且假設f(n−1)f^{(n-1)}在閉區間[a,b][a,b]連續。假設點c∈[a,b]c \in [a,b],則

    • ∀x∈[a,b], x≠c ∃x1∋f(x)=f(c)+∑k=1n−1f(k)(c)k!(x−c)k+f(n)(x1)n!(x−c)n \forall x \in [a,b], \ x \neq c \ \exists x_1 \ni f(x) = f(c) + \sum_{k=1}^{n-1} \frac{f^{(k)}(c) }{k!} (x-c)^k + \frac{f^{(n)}(x_1)}{n!} (x-c)^n.

Lipschitz condition

  • 定義:函數ff滿足Lipschitz condition of rate α\alpha 若 ∃M>0 \exists M > 0 (may depend on cc) 且 x∈Nr(c), x≠c x \in N_r(c),\ x \neq c ∋∣f(x)−f(c)<M∣x−c∣α\ni |f(x) - f(c) < M | x - c|^{\alpha}.
  • 若函數ff滿足此條件,表示函數在開球Nr(c)N_r(c)中均為有限變化量,即不會在點cc突然變化,所以在點cc連續(α>0\alpha > 0),若α>1\alpha > 1,則在點cc可微分。

Lipchitz continuity.
  • Uniform Lipchitz condition
    • ∃M>0 \exists M > 0 (not depend on cc) 且 x∈Nr(c), x≠c x \in N_r(c),\ x \neq c ∋∣f(x)−f(c)<M∣x−c∣α\ni |f(x) - f(c) < M | x - c|^{\alpha}.
    • Uniform與Non-uniform的差別在於MM是否與cc的位置有關。
    • α>1 \alpha > 1時,ff在區間[a,b][a,b]為常數。
    • α=1 \alpha = 1時,ff在區間[a,b][a,b]為有界變分。

Leibnitz's formula

  • h=f⋅gh = f \cdot g.
  • h(n)(x)=∑k=0n∣nk∣f(k)(x)g(n−k)(x)h^{(n)}(x) = \sum_{k=0}^n \begin{vmatrix} n \\ k \end{vmatrix}f^{(k)}(x) g^{(n-k)}(x).

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