介值定理

提示：此条目的主题不是中值定理。

在数学分析中，介值定理（英語：intermediate value theorem，又稱中間值定理）描述了連續函數在兩點之間的連續性：

假設有一連續函數 ${\displaystyle f:[a,b]\mapsto \mathbb {R} }$，且假設 ${\displaystyle f(a)<f(b)}$，若對任意數 ${\displaystyle u}$ 滿足 ${\displaystyle f(a)<u<f(b)}$，則存在一點 ${\displaystyle c,\;a<c<b}$，使得${\displaystyle f(c)=u}$，當 ${\displaystyle f(a)>f(b)}$ 時也有類似敘述。

直觀地比喻，這代表在${\displaystyle [a,b]}$區間上可以畫出一個連續曲線，而不讓筆離開紙面。 或者可以這樣說，函數的圖像必然會穿過區間${\displaystyle (a,b)}$中的每一個點。

介值定理首先由伯纳德·波尔查诺在1817年提出和证明，在這個證明中，他附帶證明了波爾查諾－魏爾斯特拉斯定理。

定理

 

介值定理圖解

假設${\displaystyle I=[a,b]}$ 是一個實數裡的闭区间，而${\displaystyle f\colon I\rightarrow \mathbb {R} }$ 是連續函數，那麼其像集${\displaystyle f(I)}$ 也是區間。它或者包含${\displaystyle [f(a),f(b)]}$ （如果${\displaystyle f(a)\leq f(b)}$ ），或者包含${\displaystyle [f(b),f(a)]}$ （如果${\displaystyle f(b)\leq f(a)}$ ）。換言之：

• ${\displaystyle \displaystyle f(I)\supseteq [f(a),f(b)]}$ ,

或

• ${\displaystyle \displaystyle f(I)\supseteq [f(b),f(a)]}$ .

介值定理通常以下述等價的形式表述：假設${\displaystyle f\colon I\rightarrow \mathbb {R} }$ 是連續函數，且實數${\displaystyle u}$ 滿足${\displaystyle f(a)<u<f(b)}$ 或${\displaystyle f(a)>u>f(b)}$ ，則存在${\displaystyle c\in (a,b)}$ 使得${\displaystyle f(c)=u}$ 。

证明

先证明第一种情况${\displaystyle f(a)<u<f(b)}$ ；第二种情况也类似。${\displaystyle }$

设${\displaystyle S}$ 为${\displaystyle [a,b]}$ 内所有${\displaystyle x}$ 的集合，使得${\displaystyle f(x)\leqslant u}$ 。那么${\displaystyle S}$ 是非空的，因为${\displaystyle a}$ 是${\displaystyle S}$ 的一个元素，且${\displaystyle S}$ 是上有界的，其上界为${\displaystyle b}$ 。于是，根据实数的完备性，最小上界${\displaystyle c=\mathrm {sup} }$  ${\displaystyle S}$ 一定存在。我们来证明${\displaystyle f(c)=u}$ 。

• 假设${\displaystyle f(c)>u}$ 。那么${\displaystyle f(c)-u>0}$ ，因此存在${\displaystyle \delta >0}$ ，使得当${\displaystyle \left|x-c\right|<\delta }$ 时，就有${\displaystyle \left|f(x)-f(c)\right|<f(c)-u}$ ，因为${\displaystyle f}$ 是连续函数。但是，这样一来，当${\displaystyle \left|x-c\right|<\delta }$ 时，就有${\displaystyle f(x)>f(c)-(f(c)-u)=u}$ （也就是说，对于${\displaystyle (c-\delta ,c+\delta )}$ 内的${\displaystyle x}$ ，${\displaystyle f(x)}$ 皆${\displaystyle >u}$ ）。但參照上述定義，因为${\displaystyle c=\mathrm {sup} }$  ${\displaystyle S}$ , 因此存在${\displaystyle x'\in (c-\delta ,c]}$ ，使得${\displaystyle f(x')\leqslant u}$ , 所以我们有：${\displaystyle f(x')>u}$  并且${\displaystyle f(x')\leqslant u}$ , 这显然是矛盾的。
• 假设${\displaystyle f(c)<u}$ 。根据连续性，存在一个${\displaystyle \delta >0}$ ，使得当${\displaystyle \left|x-c\right|<\delta }$ 时，就有${\displaystyle \left|f(x)-f(c)\right|<u-f(c)}$ 。那么对于${\displaystyle (c-\delta ,c+\delta )}$ 内的${\displaystyle x}$ ，都有${\displaystyle f(x)<f(c)+(u-f(c))=u}$ ，因此存在大于${\displaystyle c}$ 的${\displaystyle x}$ ，使得${\displaystyle f(x)<u}$ ，这与${\displaystyle c}$ 的定义矛盾。

因此${\displaystyle f(c)=u}$ 。

與實數完備性的關係

此定理仰賴於實數完備性，它對有理數不成立。例如函數${\displaystyle f(x)=x^{2}-2}$ 滿足${\displaystyle f(0)=-2,f(2)=2}$ ，但不存在滿足${\displaystyle f(x)=0}$ 的有理數${\displaystyle x}$ 。

零点定理（波尔查诺定理）

零点定理是介值定理的一种特殊情况－如果曲線上兩點的值正負號相反，其間必定存在一個根：

设函数${\displaystyle f(x)}$ 在闭区间${\displaystyle [a,b]}$ 上连续，且${\displaystyle f(a)\cdot f(b)<0}$ ，则必存在${\displaystyle \xi \in (a,b)}$ 使${\displaystyle f(\xi )=0}$ 成立。由於零点定理可用來找一方程式的根，也稱為勘根定理。伯纳德·波尔查诺於1817年證明了這個定理，同時證明了這個定理的一般情況（即介值定理）。以現代的標準來說，他的證明並不算是非常嚴格。^[1]

现实世界中的意义

介值定理意味着在地球的任何大圆上，温度、压强、海拔、二氧化碳的浓度（或其他任何连续变化的变量），总存在两个对蹠点，在这两个点上该变量的值是相同的。

证明：取f为圆上的任何连续函数。通过圆的中心作一条直线，与圆相交于点A和点B。设d为f(A) − f(B)的差。如果把这条直线旋转180度，将得到值−d。根据介值定理，一定存在某个旋转角，使得d = 0，在这个角度上便有f(A) = f(B)。

这是一个更加一般的结果——博苏克-乌拉姆定理的特殊情况。

参见

• 中值定理
• 极值定理
• 達布定理

参考资料

1. Weisstein, Eric W. (编). Bolzano's Theorem. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. （英语）. 

外部链接

• cut-the-knot上的介值定理-波尔查诺定理（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 埃里克·韦斯坦因. Intermediate Value Theorem. MathWorld.