3.3Középértéktételek

Definíció 3.10 [ Konvex halmaz ]

Legyen HRnH \subset \Reals^n. Az HH halmazt konvexnek mondjuk, ha minden a;bH\rvec a; \rvec b \in H és λ[0;1]\lambda \in [0; 1] esetén λa+(1λ)bH\lambda \rvec a + (1 - \lambda) \rvec b \in H teljesül.

Megjegyzés

Ami konvex, az összefüggő, de fordítva nem igaz.

Tétel 3.5 [ Lagrange-tétel ]

Legyen f:[a;b]Rnf: [a; b] \to \Reals^n folytonos és (totálisan) differenciálható az (a;b)(a; b)-n. Ekkor létezik ξ(a;b)\xi \in (a; b), hogy

f(b)f(a)=f(ξ)(ba). \|f(b) - f(a)\| = \|f'(\xi)\| \cdot (b - a) \text.

Bizonyítás

Legyen φ:[a;b]R\varphi: [a; b] \to \Reals és φ(t):=f(b)f(a);f(t)\varphi(t) := \langle f(b) - f(a); f(t) \rangle. Ekkor

φ(b)φ(a)=f(b)f(a);f(b)f(b)f(a);f(a)==f(b)f(a);f(b)f(a)=f(b)f(a)2.\begin{align*} \varphi(b) - \varphi(a) & = \langle f(b) - f(a); f(b) \rangle - \langle f(b) - f(a); f(a) \rangle = \\ & = \langle f(b) - f(a); f(b) - f(a) \rangle = \|f(b) - f(a)\|^2 \text. \end{align*}

A Lagrange-féle középértéktétel felírva φ\varphi-re, ξ(a;b)\exists\xi \in (a; b), hogy

φ(b)φ(a)=φ(ξ)(ba)eˊsφ(t)=f(b)f(a);f(t). \varphi(b) - \varphi(a) = \varphi'(\xi) \cdot (b - a) \quad \text{és} \quad \varphi'(t) = \langle f(b) - f(a); f'(t) \rangle \text.

Ekkor

φ(b)φ(a)=f(b)f(a),f(ξ)(ba)f(b)f(a)f(ξ)(ba). \varphi(b) - \varphi(a) = \langle f(b) - f(a), f'(\xi) \rangle \cdot (b - a) \leq \|f(b) - f(a)\| \cdot \|f'(\xi)\| \cdot (b - a) \text.

Tehát

f(b)f(a)2f(b)f(a)f(ξ)(ba) \|f(b) - f(a)\|^2 \leq \|f(b) - f(a)\| \cdot \|f'(\xi)\| \cdot (b - a)

Az egyszerűsítés után következik, hogy

f(b)f(a)f(ξ)(ba). \|f(b) - f(a)\| \leq \|f'(\xi)\| \cdot (b - a) \text.

Tétel 3.6 [ Lagrange-tétel többváltozós függvényekre ]

Legyen HRlH \subset \Reals^l, f:HRmf: H \to \Reals^m továbbá HH konvex és nyílt, valamint ff differenciálható HH-n. Ekkor minden a;bH\rvec a; \rvec b \in H esetén létezik ξH\xi \in H az a\rvec a és b\rvec b-t összekötő szakaszon, hogy

f(b)f(a)f(ξ)ba. \|f(\rvec b) - f(\rvec a)\| \leq \|f'(\xi)\| \cdot \|\rvec b - \rvec a\| \text.

Bizonyítás

Legyen γ:[0;1]H\gamma: [0; 1] \to H az a\rvec a és b\rvec b-t összekötő szakasz. Azaz γ(t)=ta+(1t)b\gamma(t) = t \rvec a + (1 - t) \rvec b. Az fγf \circ \gamma-ra alkalmazva a Lagrange-tételt adódik a bizonyítás állítása.

Definíció 3.11 [ Lipschitz-feltétel ]

Legyen f:HRmRnf: H \subset \Reals^m \to \Reals^n leképezés, melyre xH\forall \rvec x \in H-ra f(x)M\|f'(\rvec x)\| M teljesül. Ekkor f(b)f(a)Mba\|f(\rvec b) - f(\rvec a)\| \leq M \|\rvec b - \rvec a\| a Lagrange-féle középértéktétel miatt adódik. Az ilyen ff leképezést Lipschitz-feltételnek eleget tevőnek mondjuk.

Tétel 3.7 [ Cauchy-tétel ]

Legyen adott aRn\rvec a \in \Reals^n és annak rr sugarú környezete Br(a)B_r(\rvec a), valamint az f:Br(a)Rf : B_r(\rvec a) \to \Reals leképezés. Tegyük fel, hogy létezik az összes parciális derivált Br(a)B_r(\rvec a)-n. Ekkor minden bBr(a)\rvec b \in B_r(\rvec a) esetén létezik ξBr(a)\xi \in B_r(\rvec a), melyre

ba>ξaeˊsf(b)f(a)=i=1nif(ξ)(biai), \|\rvec b - \rvec a\| > \|\xi - \rvec a\| \quad \text{és} \quad \|\rvec f(\rvec b) - \rvec f(\rvec a)\| = \sum_{i=1}^n \partial_i f(\xi) (b_i - a_i) \text,

ahol b=(b1;b2;;bn)\rvec b = (b_1; b_2; \ldots; b_n) és a=(a1;a2;;an)\rvec a = (a_1; a_2; \ldots; a_n).