如何理解三大微分中值定理？

微分中值定理是很重要的基础定理，很多定理都是以它为基础进行证明的。

1 罗尔中值定理

1.1 直觉

这是往返跑：

可以认为他从 点出发，经过一段时间又回到了 点，画成 （位移-时间）图就是：

根据常识，因为要回到起点，中间必定有速度为0的点：

拳击比赛中，步伐复杂：

但不论怎样，只要最后回到起点，中间必定有速度为0的点：

这就是罗尔中值定理。

1.2 罗尔中值定理

设函数满足以下三个条件：

•  在闭区间 上连续

•  在开区间 上可导

• 

则存在 ，使得

 在闭区间 连续是必须的，否则有可能没有 ：

在开区间 可导也是必须的：

1.3 拓展

可能有的同学觉得，定理中的条件“ 在闭区间 连续、在 可导”比较古怪，为什么不是“ 在闭区间 连续、在 可导”？

大概有两个原因，首先，“开区间可导”条件更弱，包含了“闭区间可导”；其次，”开区间可导”的函数并不一定就“闭区间可导”，比如：

此函数在图像如下：

此函数就是在 连续， 可导，在端点 处导数不存在（类似于在0点处不可导，可自行证明）。

2 拉格朗日中值定理

来看下交通管理中的区间测速：

时间 采集到汽车的位移为 ，时间 采集到汽车的位移为

可以据此算出平均速度为：

比如算出来平均速度为 ，平均速度是由瞬时速度叠加的结果，那么路程中的瞬时速度可能为：

• 匀速前进：那么整个路程的瞬时速度必然全为

• 变速前进：整个路程的瞬时速度必然有大于、等于、小于 的情况

下面是变速前进的速度变换动画（蓝色为大于，闪烁为平行即等于，绿色为小于）：

如果限速 ，那么根据汽车的平均速度为 ，就可以判定路程中必然至少有一个点超速。

约瑟夫·拉格朗日伯爵，法国籍意大利裔数学家和天文学家，以他命名的拉格朗日中值定理就可以在数学层面解释刚才的现象。

2.1 拉格朗日中值定理

设函数满足以下两个条件：

•  在闭区间 上连续

•  在开区间 上可导

则存在 ，使得

这个定理的几何意义就是，至少存在一点的切线与端点的连线平行；物理意义是，至少存在一点的速度与平均速度相等：

把它旋转一下，使得 ：

得到的就是罗尔中值定理，可见罗尔是拉格朗日的特例：

3 柯西中值定理

3.1 二维空间中的运动

之前讨论的是一维空间中的运动，下面来看看二维空间中的运动（关于这点，可以参看课程中“参数方程求导与相关变化率”这一节）。假设参数方程：

描述了一个二维空间中的运动：

为了方便描述，令 、 ，那么上图描述的就是 时刻在 位置， 时刻运动到了 位置。向量 就表明了最终的运动方向：

仔细分析此运动过程，刚开始的时候，速度 的方向与 相反，也就是说点是反着走的：

所以需要不断转弯调整：

最终才能到达目的地：

容易想象，在转弯调整的过程中，必然会有 和 同向的时刻，比如 时刻：

那么两者所在直线必然也平行：

此时， 所在直线的斜率：

以及 所在直线的斜率（根据参数方程的求导法则）：

必然相等：

这就是柯西中值定理。

3.2 定理

设函数 满足以下条件：

•  在闭区间 上连续

•  在开区间 上可导

•  有：

则存在 ，使等式

成立。

拉格朗日中值定理描述的是一维空间的运动，柯西中值定理描述的是二维空间的运动，可见拉格朗日其实是柯西的特例。

4 总结

三大微分中值定理的联系与区别：