本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,僅反映作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
這個羅爾定理數學事實的證明,
我寫了下來;這是我的目標
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只用單音節詞。
(這樣聽起來不會太聰明。)
請告訴我你是否發現漏洞。
羅爾定理數學事實
設 f 是從實數的閉區間(從 a 到 b 的區間)到全體實數集合的對映。(實數的區間被稱為閉區間,如果最小和最大的點都在區間內。) 如果函式 f 的影像的斜率在從 a 到 b 的所有點都存在,並且 f(a) 與 f(b) 相同,那麼函式 f 的影像在某個大於 a 且小於 b 的點處是平坦的(斜率為零)。
羅爾定理數學事實的證明
首先,可能的情況是 f 在從 a 到 b 的所有實數上都相同。那麼函式 f 的影像在從 a 到 b 的所有實數上都是平坦的。我們完成了!
如果情況並非如此,那麼必定存在一個點 d,使得 f(d) 大於 f(a) 或 f(d) 小於 f(a)。我們可以只考慮第一種情況,因為最後一種情況非常相似。
我們現在將使用一個關於影像不跳躍的對映的數學事實:如果存在這樣一個在實數閉區間上的對映,那麼影像必須在該區間內達到最大值和最小值。
如果我們知道函式 f 的影像不跳躍,我們就可以使用這個數學事實。為了看到函式 f 的影像不跳躍,我們使用這個數學事實:如果一個對映的影像的斜率在所有點都存在,那麼這個對映的影像就不跳躍。我們知道我們可以在所有點找到函式 f 的影像的斜率,所以我們可以說函式 f 的影像不跳躍。
我們現在知道函式 f 必須在從 a 到 b 的區間內達到最大值和最小值。由於存在一個 d 使得 f(d) 大於 f(a) (與 f(b) 相同),我們知道最大值一定不在 a 或 b 處。因此,最大值在某個大於 a 且小於 b 的點 c 處。
我們將證明影像在 c 處必須是平坦的。我們如何找到影像在這個點的斜率?用這種方法:對於某個小的 h,用 f(c+h) 減去 f(c)。現在將這個放在 h 的上面(分子)。我們持續這樣做,當 h 越來越接近零時。由於 c 是影像的最高點,對於每個小的 h,無論 h 大於還是小於零,f(c+h) 都小於 f(c)。所以分子部分對於所有 h 都必須小於零。
如果一個東西的分子部分小於零,分母部分大於零,那麼這個東西就小於零。如果一個東西的分子部分小於零,分母部分小於零,那麼這個東西就大於零。
我們知道我們可以在從 a 到 b 的所有點找到函式 f 的影像的斜率,所以當 h 從小於零開始並越來越接近零時,我們得到的斜率與當 h 從大於零開始並越來越接近零時得到的斜率相同。在第一種情況下,我們得到小於零的值。在最後一種情況下,我們得到大於零的值。所以小於零的值和大於零的值都趨向於同一個值。唯一可行的方式是如果 c 處的斜率為零。
我們完成了!
這是對 David Roberts 在 Google+ 和 n-Category Café 上發起的挑戰的回應,該挑戰要求僅使用單音節詞來寫證明。(我為 AMS Blog on Math Blogs 寫了關於這個挑戰的文章。)我知道 Roberts 期待像陶哲軒或 Ben Green 這樣的人用單音節詞來解釋格林-陶定理(祝好運!),但我希望他不介意我這個更平庸的貢獻。對於羅爾定理(均值定理的一個特例)的多音節解釋,請參閱 cut-the-knot 上的頁面。
