9 Теорема Коши
Теорема Коши
Теорема Лагранжа сравнивает изменение функции \(f\) с изменением самого аргумента \(x\). Теорема Коши делает следующий шаг: вместо изменения \(x\) она позволяет сравнить изменение \(f\) с изменением второй функции \(g\). Поэтому этот раздел немного абстрактнее предыдущих, но идея остаётся той же — связать изменения на всём отрезке с производными в одной внутренней точке.
Сначала сформулируем теорему в форме, где не требуется делить на величины, которые потенциально могут оказаться нулевыми.
В формуле Коши величины \(f(b)-f(a)\) и \(g(b)-g(a)\) описывают изменения двух функций на одном и том же отрезке. Самая важная деталь записи — производные \(f'(\xi)\) и \(g'(\xi)\) берутся в одной и той же внутренней точке \(\xi\). Именно это отличает теорему Коши от двух независимых применений теоремы Лагранжа.
Это базовая форма теоремы Коши. Она остаётся осмысленной даже тогда, когда \(g(b)=g(a)\) или \(g'(\xi)=0\), потому что в ней нет деления.
Если дополнительно известно, что
то по теореме Ролля обязательно
Действительно, если бы \(g(a)=g(b)\), теорема Ролля дала бы внутреннюю точку, где \(g'=0\), что противоречит условию.
При этом дополнительном условии можно безопасно разделить равенство из теоремы Коши и получить дробную форму:
Связь с теоремой Лагранжа. Возьмём
Тогда \(g'(x)=1\), а
Теорема Коши принимает вид:
то есть
Следовательно, теорема Лагранжа является частным случаем теоремы Коши.
Где возникает типичная ошибка. Иногда пытаются применить Лагранжа отдельно к \(f\) и \(g\):
После деления получится
Но теорема Коши требует одну и ту же точку \(\xi\) в обеих производных. Теорема Лагранжа, применённая по отдельности, не гарантирует \(\xi_1=\xi_2\). Значит, такой способ доказательства не работает.
Важно сформулировать вывод точно: неверно говорить, что «из теоремы Лагранжа вообще нельзя получить теорему Коши». Ошибочен именно наивный способ с двумя независимыми точками. Правильное доказательство использует специально построенную вспомогательную функцию и теорему Ролля.
Идея доказательства. Рассматривают функцию
Для неё выполняется
По теореме Ролля найдётся \(\xi\in(a,b)\), где \(H'(\xi)=0\). После дифференцирования получается ровно недробная формула теоремы Коши.