罗尔定理数学事实的简短证明

这个罗尔定理数学事实的证明,我写了下来;这是我的目标:只用单音节词。(这样听起来不会太聪明。)请告诉我你是否发现漏洞。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


一张展示罗尔定理数学事实的图片。图片来源:the.ever.kid,通过Wikimedia Commons。

这个罗尔定理数学事实的证明,

我写了下来;这是我的目标


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只用单音节词。

(这样听起来不会太聪明。)

请告诉我你是否发现漏洞。

罗尔定理数学事实

f 是从实数的闭区间(从 ab 的区间)到全体实数集合的映射。(实数的区间被称为闭区间,如果最小和最大的点都在区间内。) 如果函数 f 的图像的斜率在从 ab 的所有点都存在,并且 f(a)f(b) 相同,那么函数 f 的图像在某个大于 a 且小于 b 的点处是平坦的(斜率为零)。

罗尔定理数学事实的证明

首先,可能的情况是 f 在从 ab 的所有实数上都相同。那么函数 f 的图像在从 ab 的所有实数上都是平坦的。我们完成了!

如果情况并非如此,那么必定存在一个点 d,使得 f(d) 大于 f(a)f(d) 小于 f(a)。我们可以只考虑第一种情况,因为最后一种情况非常相似。

我们现在将使用一个关于图像不跳跃的映射的数学事实:如果存在这样一个在实数闭区间上的映射,那么图像必须在该区间内达到最大值和最小值。

如果我们知道函数 f 的图像不跳跃,我们就可以使用这个数学事实。为了看到函数 f 的图像不跳跃,我们使用这个数学事实:如果一个映射的图像的斜率在所有点都存在,那么这个映射的图像就不跳跃。我们知道我们可以在所有点找到函数 f 的图像的斜率,所以我们可以说函数 f 的图像不跳跃。

我们现在知道函数 f 必须在从 ab 的区间内达到最大值和最小值。由于存在一个 d 使得 f(d) 大于 f(a) (与 f(b) 相同),我们知道最大值一定不在 ab 处。因此,最大值在某个大于 a 且小于 b 的点 c 处。

我们将证明图像在 c 处必须是平坦的。我们如何找到图像在这个点的斜率?用这种方法:对于某个小的 h,用 f(c+h) 减去 f(c)。现在将这个放在 h 的上面(分子)。我们持续这样做,当 h 越来越接近零时。由于 c 是图像的最高点,对于每个小的 h,无论 h 大于还是小于零,f(c+h) 都小于 f(c)。所以分子部分对于所有 h 都必须小于零。

如果一个东西的分子部分小于零,分母部分大于零,那么这个东西就小于零。如果一个东西的分子部分小于零,分母部分小于零,那么这个东西就大于零。

我们知道我们可以在从 ab 的所有点找到函数 f 的图像的斜率,所以当 h 从小于零开始并越来越接近零时,我们得到的斜率与当 h 从大于零开始并越来越接近零时得到的斜率相同。在第一种情况下,我们得到小于零的值。在最后一种情况下,我们得到大于零的值。所以小于零的值和大于零的值都趋向于同一个值。唯一可行的方式是如果 c 处的斜率为零。

我们完成了!

这是对 David Roberts 在 Google+n-Category Café 上发起的挑战的回应,该挑战要求仅使用单音节词来写证明。(我为 AMS Blog on Math Blogs 写了关于这个挑战的文章。)我知道 Roberts 期待像陶哲轩或 Ben Green 这样的人用单音节词来解释格林-陶定理(祝好运!),但我希望他不介意我这个更平庸的贡献。对于罗尔定理(均值定理的一个特例)的多音节解释,请参阅 cut-the-knot 上的页面。

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