Il teorema di Rolle

Data una funzione f (x) definita in un intervallo limitato e chiuso [a; b] con le seguenti proprietà:

• f (x) è continua in [a; b],
• f (x) è derivabile in ]a; b[,
• f(a)=f(b),

allora esiste almeno un punto c, interno all’intervallo, per il quale risulta f'(c)=0.

DIMOSTRAZIONE

Poiché $f(x)$ per ipotesi è continua nell’intervallo chiuso [a; b], per il teorema di Weierstrass, essa ammette massimo M e minimo m in tale intervallo, cioè esistono $c, d \epsilon [a; b]$ tali che:

$m=f(c) \leq f(x) \leq f(d)= M$ $\forall x \epsilon [a; b]$

  • PRIMO CASO: m = M. Allora:
    $m = f(c) = f(x) = f(d) = M$ $\forall x \epsilon [a; b]$

e quindi f è costante. Pertanto la sua derivata è nulla $\forall x \epsilon [a; b]$

  • SECONDO CASO: m<M

La funzione non è costante, e poiché f(a) = f(b) per ipotesi, almeno uno dei punti c e d deve essere interno all’intervallo [a; b]. Per esempio, supponiamo che $c\epsilon ]a; b[$ .
Essendo f(c) il valore minimo, per ogni incremento h (positivo o negativo) tale che $c + h \epsilon ]a; b[ $ si ha:

$f(c+h) \geq f(c)$ cioè $f(c+h)-f(c) \geq 0 $

Allora, considerando i rapporti incrementali relativi al punto c, risulta:

$\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \geq 0$

per $h>0$

\frac{f(c+h)-f(c)}{h} \leq 0

per $h<0$

Ne consegue che, per l’inverso del teorema della permanenza del segno:

$\lim \underset{h\rightarrow 0^+ }{} \frac{f(c+h)-f(c)}{h}\geq 0$

e

$\lim \underset{h\rightarrow 0^- }{} \frac{f(c+h)-f(c)}{h}\leq 0$

I due limiti rappresentano rispettivamente la derivata destra e sinistra di f(x) in c e, poiché f(x) è derivabile, devono essere finiti e coincidere, pertanto:

$f'(c)=\lim \underset{h\rightarrow 0 }{} \frac{f(c+h)-f(c)}{h}= 0$

Il teorema si dimostra analogamente nel caso in cui d, anziché c, sia interno all’intervallo [a; b].

ESEMPIO

INDICE

  • Il teorema di Rolle
  • Il teorema di Lagrange
  • Conseguenze del teorema di Lagrange
  • Il teorema di Cauchy
  • Il teorema di De L’Hospital
SOS Matematica

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