落花随流水
2024-06-11 11:49:17
达布定理是微积分中的一个重要定理,它描述了连续函数在闭区间上的平均值与全局平均值之间的关系。该定理可以用积分的方法来证明。
假设$f(x)$是一个在闭区间$[a,b]$上的连续函数,我们可以将该区间分成$n$个小区间,每个小区间的长度为$\Delta x=\frac{b-a}{n}$。在每个小区间内取一个任意点$x_i$,则该点的函数值为$f(x_i)$。我们可以将$f(x_i)$的平均值定义为:
$$\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n f(x_i)$$
而$f(x)$在闭区间$[a,b]$上的平均值为:
$$\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)dx$$
根据积分的中值定理,存在一个$\xi\in[a,b]$,使得:
$$\int_a^b f(x)dx=f(\xi)(b-a)$$
因此,$f(x)$在闭区间$[a,b]$上的平均值可以表示为:
$$\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)dx=\frac{1}{b-a}f(\xi)(b-a)=f(\xi)$$
根据拉格朗日中值定理,对于任意的$i\in\{1,2,\cdots,n\}$,都存在一个$\eta_i\in[x_{i-1},x_i]$,使得:
$$f(x_i)-f(x_{i-1})=f'(\eta_i)\Delta x$$
将上式两边相加并除以$n$,得到:
$$\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n[f(x_i)-f(x_{i-1})]=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n f'(\eta_i)\Delta x$$
根据极限定义,当$n\to\infty$时,$\Delta x\to 0$,因此:
$$\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n[f(x_i)-f(x_{i-1})]=\int_a^b f'(x)dx$$
根据$f(x)$的连续性,$f'(x)$也是连续的,因此$\int_a^b f'(x)dx$存在。将上式代入平均值的定义中,得到:
$$\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n f(x_i)=f(\xi)+\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n[f(x_i)-f(x_{i-1})]=f(\xi)+\int_a^b f'(x)dx$$
即:
$$\frac{1}{b-a}\int_a^b f(x)dx=f(\xi)+\frac{1}{b-a}\int_a^b f'(x)dx$$
这就是达布定理的表述。