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定理:コーシーの平均値定理  
 [吹田新保『理工系の…』p.51;和達『微分積分』p.62;小平『解析入門I』p.123;高木『解析概論』p. 48;]
  関数f(x), g(x)は閉区間[a,b]で連続、開区間(a,b)で微分可能、(a,b)で常に g' (x) ≠0ならば、
    
   を満たす
cが(a,b)に存在する。 
※活用例:テイラーの定理の導出 

 

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(コーシーの平均値定理の証明)

[高木『解析概論』p. 48. 小平『解析入門I』p.123. 吹田・新保『理工系の…』p.51. ] 

    仮定:f(x), g(x)は閉区間[a,b]で連続、開区間(a,b)で微分可能 …(1) 
       
(a,b)で常にg' (x) ≠0               …(2)  
    
(2)より、g(a)≠g(b)  …(3) 
    なぜなら、
      
平均値定理から、g(b)−g(a)=g' (ζ) をみたすζが(a,b)内に少なくとも一つ存在する。
      
(2)より、(a,b)内の全てのxに対しg' (x) ≠0なのだから、当然、g' (ζ) ≠0 
      よって、
g(b)−g(a)= g' (ζ) ≠0   
  
[関数φ(x)の設定]     
    以下のように、関数φ
(x)を、ロールの定理が適用可能となるように、
        すなわち、
閉区間[a,b]で連続、開区間(a,b)で微分可能、φ(a)=φ(b)となるように、
    つくる。     
    φ
(x)={ g(b)−g(a)}{ f(x)−f(a)}−{ f(b)−f(a)}{g (x)−g(a)}
  
[ロールの定理の適用]
    φ(a)={ g(b)−g(a)}・0−{ f(b)−f(a)}・0=0 
    φ
(b)={ g(b)−g(a)}{ f(b)−f(a)}−{ f(b)−f(a)}{g (b)−g(a)}=0 
    より、確かに、φ
(a)=φ(b)となる。
    
ロールの定理より、φ' (c)=0 を満たすcが(a,b)内に少なくとも一つ存在する。 …(4) 
  
[φ(x)の導関数] 
    ところで、
     φ
(x)={ g(b)−g(a)}{ f(x)−f(a)}−{ f(b)−f(a)}{g (x)−g(a)}
        ={
g(b)−g(a)} f(x)−{ g(b)−g(a)}f(a)−{ f(b)−f(a)} g (x)+g(a) { f(b)−f(a)}  
    の
導関数は、   
     
φ'(x)=[{ g(b)−g(a)} f(x)]’−[{ g(b)−g(a)}f(a) ]’−[{ f(b)−f(a)} g (x)]’+[g(a) { f(b)−f(a)}]’ 
                    ∵
和の微分      
       =
[{ g(b)−g(a)} f(x)]’−0−[{ f(b)−f(a)} g (x)]’+0 ∵定数の微分  
       ={
g(b)−g(a)} f ' (x)−{ f(b)−f(a)} g' (x)     ∵関数の定数倍の微分 
    
(4)より、   
       
φ'(c)={ g(b)−g(a)}f ' (c)−{ f(b)−f(a)}g' (c)=0   (※)
    を満たすcが(a,b)内に少なくとも一つ存在する。
    
(※)はすなわち、 
       {
g(b)−g(a)}f ' (c)={ f(b)−f(a)}g'(c) 
       {
g(b)−g(a)}f ' (c)/g' (c)={ f(b)−f(a)} ∵(2)よりg' (c) ≠0なので両辺をg' (c)で割る。  
       
f ' (c)/g' (c)={ f(b)−f(a)}/{ g(b)−g(a)} ∵(3)よりg(b)−g(a)≠0なので両辺をこれで割る。

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