نظرية رول هي حالة خاصّة من نظرية القيمة المتوسطة. تتم مناقشتها هنا من خلال الأمثلة والأسئلة.
فيما يلي، يمثل \( C \) ثابت التكامل إن وجد.
نظرية رول
نظرية رول هي نتيجة مباشرة لـ نظرية القيمة المتوسطة حيث، تحت شروط أن \( f(x) \) دالة متصلة على الفترة \( [a, b] \) و قابلة للإشتقاق على الفترة المفتوحة \( (a, b) \)، توجد قيمة واحدة على الأقل \( c \) لـ \( x \) بحيث:
الآن، إذا تحقق شرط \( f(a) = f(b) \) أيضاً، فإن المعادلة السابقة تَبسُط إلى: \( f'(c) = 0 \).
بعبارة أخرى، تحت هذه الشروط الثلاثة، يمكننا دائماً إيجاد مماس لمنحنى \( f \) بحيث يكون أفقياً (الميل = \( f'(c) = 0 \)).
1) a continuous function on the interval \( [a, b] \)
2) differentiable on the open interval \( (a, b) \)
3) and \( f(a) = f(b) \)
then there is at least one value \( c \) of \( x \) in the interval \( (a, b) \) such that: \[ f'(c) = 0 \]
أمثلة مع حلول تفصيلية
انقر على كل مثال لعرض حله التفصيلي خطوة بخطوة.
المثال 1
رسم بياني للدالة \( f(x) = -x^2 + 6x - 6 \) لـ \( 1 \le x \le 5 \) موضح أدناه. \( f(1) = f(5) = -1 \) و \( f \) متصلة على \( [1, 5] \) وقابلة للإشتقاق على \( (1, 5) \)، وبالتالي، وفقاً لنظرية رول، توجد قيمة واحدة على الأقل لـ \( x = c \) بحيث \( f'(c) = 0 \).
عرض حل المثال 1
حل المعادلة السابقة للحصول على:
لذلك، عند \( x = 3 \)، يوجد مماس لمنحنى \( f \) ميله يساوي صفراً (خط أفقي) كما هو موضح في الشكل 1 أدناه.
المثال 2
رسم بياني للدالة \( f(x) = \sin(x) + 2 \) لـ \( 0 \le x \le 2\pi \) موضح أدناه. \( f(0) = f(2\pi) = 2 \) و \( f \) متصلة على \( [0, 2\pi] \) وقابلة للإشتقاق على \( (0, 2\pi) \)، وبالتالي، وفقاً لنظرية رول، توجد قيمة واحدة على الأقل (قد تكون هناك أكثر من قيمة واحدة!) لـ \( x = c \) بحيث \( f'(c) = 0 \).
عرض حل المثال 2
المعادلة السابقة لها حلان على الفترة \( [0, 2\pi] \):
لذلك، عند كل من \( x = \dfrac{\pi}{2} \) و \( x = \dfrac{3\pi}{2} \)، توجد مماسات للمنحنى ميولها تساوي صفراً (خطوط أفقية) كما هو موضح في الشكل 2 أدناه.
المثال 3
الدالة \( f \) في الشكل 3 لا تحقق نظرية رول: على الرغم من أنها متصلة وأن \( f(-1) = f(3) \)، إلا أن الدالة غير قابلة للإشتقاق عند \( x = 1 \)، وبالتالي فإن وجود \( f'(c) = 0 \) حيث \( c \) في الفترة \( (-1, 3) \) غير مضمون. في الواقع، من السهل أن نرى أنه لا يوجد مماس أفقياً لمنحنى \( f \) على الفترة \( (-1, 3) \).
أسئلة تدريبية مع حلول تفصيلية
انقر على كل سؤال لعرض حله التفصيلي خطوة بخطوة.
السؤال 1
أي من الدوال المعطاة أدناه تحقق الشروط الثلاثة لنظرية رول؟
أ) \( f(x) = \cos(x) \)، لـ \( x \) في \( [0, 2\pi] \)
ب) \( g(x) = |x - 2| \)، لـ \( x \) في \( [0, 4] \)
ج) \( h(x) = \dfrac{1}{x^2} \)، لـ \( x \) في \( [-1, 1] \)
د) \( k(x) = |\sin(x)| \)، لـ \( x \) في \( [0, 2\pi] \)
عرض حل السؤال 1
أ) \( f(0) = 1 \) و \( f(2\pi) = 1 \)، لذلك \( f(0) = f(2\pi) \). الدالة \( f \) متصلة على \( [0, 2\pi] \) وقابلة للإشتقاق في \( (0, 2\pi) \). الدالة \( f \) تحقق جميع شروط نظرية رول.
ب) الدالة \( g \) لها رسم بياني على شكل حرف V مع رأس عند \( x = 2 \) وبالتالي فهي غير قابلة للإشتقاق عند \( x = 2 \). الدالة \( g \) لا تحقق جميع شروط نظرية رول.
ج) الدالة \( h \) غير معرفة عند \( x = 0 \). الدالة \( h \) لا تحقق جميع شروط نظرية رول.
د) \( k(x) = |\sin(x)| \) لـ \( x \) في \( [0, 2\pi] \). يظهر الرسم البياني للدالة \( k \) أدناه أن الدالة \( k \) غير قابلة للإشتقاق عند \( x = \pi \). الدالة \( k \) لا تحقق جميع شروط نظرية رول.
السؤال 2
تحقق من أن الدالة \( f(x) = x^2 - 4x + 3 \) على الفترة \( [1, 3] \) تحقق جميع شروط نظرية رول، ثم أوجد جميع قيم \( x = c \) بحيث \( f'(c) = 0 \).
عرض حل السؤال 2
الدالة \( f \) هي دالة كثير حدود وبالتالي فهي متصلة على الفترة \( [1, 3] \) وقابلة للإشتقاق على الفترة \( (1, 3) \). أيضاً، \( f(1) = f(3) = 0 \)، وبالتالي تحقق الدالة \( f \) جميع شروط نظرية رول الثلاثة، مما يضمن وجود قيمة واحدة على الأقل لـ \( x = c \) بحيث \( f'(c) = 0 \).
يظهر الرسم البياني أدناه الدالة \( f \)، والمماس عند \( x = c = 2 \) أفقي مع \( f'(2) = 0 \).
السؤال 3
تحقق من أن الدالة \( g(x) = \cos(x) \) على الفترة \( \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right] \) تحقق جميع شروط نظرية رول، ثم أوجد جميع القيم \( x = c \) بحيث \( g'(c) = 0 \).
عرض حل السؤال 3
الدالة \( g \) هي دالة جيب تمام وبالتالي فهي متصلة على الفترة \( \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right] \) وقابلة للإشتقاق على الفترة \( \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right) \). أيضاً:
لذلك، تحقق الدالة \( g \) جميع شروط نظرية رول الثلاثة، وتوجد قيمة واحدة على الأقل لـ \( x = c \) بحيث \( g'(c) = 0 \).
الحلول على الفترة \( \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3\pi}{2}\right] \) هي:
يظهر الرسم البياني أدناه الدالة \( g \) والمماسات عند \( x = c_1 = 0 \) و \( x = c_2 = \pi \) حيث تكون أفقية، مع \( g'(0) = 0 \) و \( g'(\pi) = 0 \).