微積分学や実解析学において、平均値の定理(またはラグランジュの平均値の定理)は微分可能な関数に関する定理であり、おおまかに言えば、ある区間における関数の平均変化率は、その区間内のいずれかの点における瞬間変化率に等しいというものです。例えば、車が一定の距離を有限の時間間隔で滑らかに移動する場合、走行中のいずれかの瞬間の速度は、走行全体の平均速度に等しくなります。
この定理は、実数値関数が閉区間で連続である場合、、 と内部で微分可能そうすれば、少なくとも1つのポイントがここで、導関数は、区間全体における関数の平均変化率に等しくなります。幾何学的には、これは、ある時点でグラフの接線が区間の両端点を通る割線と平行になることを意味します。これは、微分可能な関数の他の一般的な性質を証明する際に用いられます。
正弦の逆補間に関するこの定理の特殊なケースは、インドのケーララ天文学・数学学校のパラメシュヴァラ(1380–1460)が、ゴヴィンダスヴァーミとバースカラ2世の注釈の中で初めて記述した。[ 1 ]この定理の制限された形式は、1691年にミシェル・ロールによって証明された。その結果は現在ロールの定理として知られており、微積分学の手法を用いずに多項式のみについて証明された。平均値の定理の現代的な形式は、1823年にオーギュスタン・ルイ・コーシーによって述べられ、証明された。 [ 2 ]それ以来、この定理の多くの変形が証明されている。[ 3 ] [ 4 ]


させて閉区間上で連続関数である開区間上で微分可能、どこすると、でつまり:[ 5 ]
平均値の定理は、ロルの定理の一般化であり、なので、上記の右辺はゼロになります。
平均値の定理は、もう少し一般的な設定でも依然として有効です。必要なのは、連続している、そしてすべてので限界
有限数として存在するか、等しいまたは有限の場合、その極限はこの定理のこのバージョンが適用される例として、実数値の立方根関数マッピングが挙げられる。原点において導関数が無限大に発散する。
その表現点を結ぶ直線の傾きを示しますそしてこれは、グラフの弦です。、 その間曲線上の点における接線の傾きを示しますしたがって、平均値の定理によれば、滑らかな曲線の任意の弦が与えられたとき、その弦の両端点の間にある曲線上の点を見つけることができ、その点における曲線の接線は弦に平行になります。以下の証明はこの考え方を示しています。
定義する、 どこは定数です。連続している微分可能も同様です. これから選択したいとなることによってロルの定理の条件を満たす。すなわち、
ロルの定理より、微分可能であり、いくつかありますでそのために等式から、それ、
定理1:は、任意の区間上で定義された連続な実数値関数である。実数直線の導関数が区間内のすべての内部点において存在し、ゼロである場合、は一定です。
証明:導関数を仮定する区間内のすべての内部点において存在し、ゼロである。は任意の開区間である。平均値の定理により、ある点が存在する。でそのため
これは、。 したがって、内部では一定であるしたがって、連続性により。(この結果の多変数版については下記を参照。)
備考:
定理2:もしすべての人々のために間隔でこれらの関数の定義域の定数である、つまりどこ定数。
証明:、 それからインターバル中にしたがって、上記の定理1は、定数ですまたは。
定理3:もしは、間隔を置いてすると、最も一般的な反微分はの上はどこ定数です。
証明:これは上記の定理2から直接導かれる。
コーシーの平均値の定理(拡張平均値の定理とも呼ばれる)は、平均値の定理の一般化である。[ 6 ] [ 7 ]これは、関数がそして両方とも閉区間上で連続である開区間上で微分可能すると、、したがって

もちろん、もしそしてこれは以下と同等です。
幾何学的には、これは曲線のグラフに接線が存在することを意味します[ 8 ]
これは、点によって定義される線に平行である。そしてしかし、コーシーの定理は、すべての場合にそのような接線が存在することを主張しているわけではない。そしてそれらは異なる点であり、ある値に対してのみ満たされる可能性がある。とつまり、前述の曲線が停留する値です。このような点では、曲線への接線は全く定義されない可能性が高いです。この状況の例として、次の曲線が挙げられます。
間隔で地点からにしかし、水平な接線は存在しない。ただし、停留点(実際には尖点)は にある。。
コーシーの平均値の定理は、ロピタルの定理を証明するために使用できます。平均値の定理は、コーシーの平均値の定理の特殊な場合です。。
コーシーの平均値の定理の証明は、平均値の定理の証明と同じ考え方に基づいている。
定義するそうすれば簡単にわかる。
以来そして連続している微分可能も同様です。 全体として、ロルの定理の条件を満たす。したがって、でそのために. 定義を使用して我々は持っています:
結果は容易に導き出される。
平均値の定理は、複数の変数を持つ実関数にも一般化できます。そのコツは、パラメータ化を用いて1変数の実関数を作成し、そこに1変数の定理を適用することです。
させての開部分集合である、そして微分可能な関数であること。固定点線分間の横たわる、そして定義する。 以来は1変数の微分可能な関数であり、平均値の定理によれば次のようになる。
一部の人にとって0から1の間。しかし、そしてコンピューティング具体的には、次のようになります。
どこ勾配を表し、ドット積。これは、1変数の定理の正確な類似物です(これは1変数の定理です。コーシー・シュワルツの不等式により、この式は次の推定値を与えます。
特に、は凸であり、偏微分は制限されている、はリプシッツ連続(したがって一様連続)である。
上記の応用として、以下を証明する。開集合の場合、定数となる。は接続されており、0です。ある点を選択してください。、そして私たちは示したいすべてのそのためには、。 それから閉鎖中そして空ではない。また、それは開いている。すべての、
すべての開いたボールの中心はそして中に含まれる。 以来接続されていると結論付けます。
上記の議論は座標に依存しない方法で行われているため、次の場合にも一般化できる。はバナッハ空間の部分集合である。
ベクトル値関数には、平均値の定理の正確な類似物はありません(下記参照)。ただし、1次元の場合に平均値の定理が適用できる多くの状況に適用できる不等式があります。[ 9 ]
定理—連続ベクトル値関数について :[a,b]\to \mathbb {R} ^{k}} は微分可能数が存在するそのため
取る。 それからは実数値であり、したがって平均値の定理により、
一部の人にとって。 今、 そして したがって、コーシー・シュワルツの不等式を用いると、上記の式から次の式が得られます。
もし、定理は自明に成り立つ。そうでなければ、両辺をで割ると定理が得られる。
ジャン・デュードネは、古典的著作『現代解析の基礎』の中で、平均値の定理を捨てて平均不等式に置き換えている。これは、証明が構成的ではなく、平均値を求めることができないためであり、応用上は平均不等式のみが必要となるからである。セルジュ・ラングは『解析学I』の中で、平均値の定理を積分形式で即座に用いるが、この用法では導関数の連続性が必要となる。ヘンストック・クルツヴァイル積分を用いると、導関数が連続であるという追加の仮定なしに、平均値の定理を積分形式で得ることができる。なぜなら、すべての導関数はヘンストック・クルツヴァイル積分可能だからである。
平均値の等式に相当するものがない理由は次のとおりです。f : U → R mが微分可能な関数(U ⊂ R nは開集合)であり、x + th、x、h ∈ R n、t ∈ [0, 1]が問題の線分(U の内部にある)である場合、上記のパラメータ化手順をfの各成分関数f i ( i = 1, …, m )に適用できます(上記の表記ではy = x + hとします)。そうすることで、線分上の点x + t i hが次の条件を満たすことがわかります。
しかし一般的には、線分上にx + t * hを満たす点xは存在しない。
すべてのi に対して同時に。例えば、次のように定義します。
それから、 しかしそしては同時にゼロになることはありません。範囲は。
上記の定理は、以下のことを示唆している。
平均値の不等式[ 10 ] —連続関数の場合、 もし微分可能、 それから
実際、上記の記述は多くの用途に十分であり、以下のように直接証明できます。(のために(読みやすさのため。)
まず、微分可能それも。もしは無制限である証明すべきことは何もない。したがって、。 させてを実数とする。 私たちは見せたい継続性によってセットは閉じています。また、空ではありません。はその中に含まれています。したがって、セット最大の要素を持つ。 もし、 それからこれで終わりです。では、そうでないと仮定しましょう。、
させて次のような微分可能性によりで(注記0 の場合もある)十分に近い最初の項は2番目の項は3番目の項はしたがって、推定値を合計すると、次のようになります。最大性に対する矛盾したがって、つまり、次のようになるということです。
以来が任意であれば、これは次の主張を意味します。最後に、微分不可能、 させてそして最初のケースを適用する制限されているそれによって、私たちは以下のことを得ることができました。
以来貸す証明を終える。
平均値の定理が成り立つための条件はすべて必要である。
上記の条件のいずれかが満たされない場合、平均値の定理は一般には有効ではなく、したがって適用することはできません。

最初の条件の必要性は、関数がによって与えられたの上少なくとも1つの点で微分不可能である。
第二条件の必要性は、関数がによって与えられた 基準1を満たすための上しかし基準2ではないため左連続ではない平均変化率は以上は しかし、存在しないそのためしたがって、その定理は成り立たない。
微分可能な関数が実数値ではなく複素数値である場合、この定理は偽となる。例えば、すべての現実のために、 それから その間実際の。

f : [ a , b ] → Rを連続関数とする。このとき、( a , b ) 内にcが存在し、
これは微積分学の基本定理と導関数の平均値の定理から直ちに導かれる。区間[ a , b ]におけるfの平均値は次のように定義される。
この結論は、 f が( a , b ) 内の何らかのcで平均値に達すると解釈できます。[ 12 ]
一般に、f : [ a , b ] → Rが連続であり、gが [ a , b ]上で符号が変わらない積分可能な関数である場合、 ( a , b )内にcが存在し、
定積分に関する第2平均値定理と呼ばれる、若干異なる様々な定理が存在する。よく見られる定理は以下のとおりである。
ここは、その存在は条件から導かれる。区間 ( a , b ] がbを含むことが不可欠であることに注意する。この要件を持たない変種は次の通りである。[ 13 ]
関数が多次元ベクトルを返す場合、積分のMVTは、たとえ定義域がまた、多次元的でもある。
例えば、次の 2 次元関数を考えてみましょう。-次元立方体:
すると、対称性により、平均値はその定義域は(0,0)です。
しかし、、 なぜならどこにでも。
と仮定するそしては微分可能な関数である連続している。 定義する
存在するそのため。
注目してください
そしてもし私たちが配置したらすると、コーシーの平均値の定理が得られます。そしてラグランジュの平均値の定理が得られます。
一般化の証明は非常に簡単です。そして2つの同一の行を持つ行列式であるためすると、ロルの定理は、そのため。
XとYを非負の確率変数とし、E[ X ] < E[ Y ] < ∞とします。(つまり、通常の確率的順序でXはYより小さい)。すると、確率密度関数を持つ絶対連続な非負の確率変数Zが存在する。
gをE[ g ( X )]、E[ g ( Y )] < ∞ を満たす可測かつ微分可能な関数とし、その導関数g′ をすべてのy ≥ x ≥ 0 に対して区間 [ x , y ]上で可測かつリーマン積分 可能とする。このとき、E[ g′ ( Z )] は有限であり、[ 14 ]
前述のように、この定理は微分可能な複素数値関数には適用されません。代わりに、この定理の一般化が次のように述べられています。[ 15 ]
f : Ω → C を開凸集合 Ω 上の正則関数とし、 aとb をΩ 内の異なる点とする。このとき、aからbへの線分の内部に点u、v が存在し、