माध्यमान प्रमेय

माध्य मान प्रमेय कलन में एक महत्वपूर्ण प्रमेय है। माध्य मान प्रमेय का पहला रूप 14वीं शताब्दी में भारत के केरल के गणितज्ञ परमेश्वर द्वारा प्रस्तावित किया गया था। इसके अतिरिक्त , इसका एक सरल संस्करण 17वीं शताब्दी में रोले द्वारा प्रस्तावित किया गया था: रोले का प्रमेय, जो मात्र बहुपदों के लिए सिद्ध किया गया था और कलन का भाग नहीं था। अंत में, माध्य मान प्रमेय का वर्तमान संस्करण ऑगस्टिन लुइस कॉची द्वारा वर्ष 1823 में प्रस्तावित किया गया था।

परिचय

माध्य मान प्रमेय बताता है कि दो दिए गए बिंदुओं से गुजरने वाले वक्र के लिए वक्र पर एक बिंदु होता है जहाँ स्पर्शरेखा दो दिए गए बिंदुओं से गुजरने वाली छेदक रेखा के समानांतर होती है। रोले का प्रमेय इसी माध्य मान प्रमेय से लिया गया है।

परिभाषा

माध्य मान प्रमेय बताता है कि किसी भी फ़ंक्शन $f(x)$ के लिए जिसका ग्राफ़ दो दिए गए बिंदुओं $(a,f(a)),(b,f(b))$ से होकर गुजरता है, वक्र पर कम से कम एक बिंदु $(c,f(c))$होता है जहाँ स्पर्शरेखा दो दिए गए बिंदुओं से गुजरने वाली छेदिका के समानांतर होती है। माध्य मान प्रमेय को फ़ंक्शन $f(x):[a,b]\rightarrow R$ के लिए कैलकुलस में परिभाषित किया गया है, ताकि यह एक अंतराल में निरंतर और अवकलनीय हो।

फ़ंक्शन $f(x)$ अंतराल $[a,b]$ पर निरंतर है।

फ़ंक्शन $f(x)$ अंतराल $(a,b)$ पर अवकलनीय है।

$(a,b)$ में एक बिंदु $c$ मौजूद है जैसे कि $f'(c)=[f(b)-f(a)]/(b-a)$

यहाँ हमने साबित किया है कि $c$ पर स्पर्शरेखा बिंदुओं $(a,f(a)),(b,f(b))$ से गुजरने वाली छेदिका के समानांतर है। इस माध्य मान प्रमेय का उपयोग बंद अंतराल में किसी कथन को सिद्ध करने के लिए किया जाता है। इसके अलावा, माध्य मान प्रमेय रोले के प्रमेय से प्राप्त होता है।

माध्य मान प्रमेय प्रमाण कथन

माध्य मान प्रमेय बताता है कि यदि कोई फ़ंक्शन $f$ बंद अंतराल $[a,b]$ पर निरंतर है, और खुले अंतराल $(a,b)$ पर अवकलनीय है, तो अंतराल $(a,b)$ में कम से कम एक बिंदु $c$ मौजूद है, जैसे कि $f'(c)$ $[a,b]$ पर फ़ंक्शन के परिवर्तन की औसत दर है और यह $[a,b]$ पर छेदक रेखा के समानांतर है।

प्रमाण: मान लीजिए कि $g(x),f(x)$ की छेदक रेखा है जो $(a,f(a))$ और $(b,f(b))$ से होकर गुजरती है। हम जानते हैं कि छेदक रेखा का समीकरण $y-y_{1}=m(x-x_{1})$ है।

g(x) - f(a) = [ f(b) - f(a) ] / (b - a) (x-a)

g(x) = [ f(b) - f(a) ] / (b - a) (x-a) + f(a) ----->(1)

मान लीजिए h(x) f(x) - g(x) है

h(x) = f(x) - [[ f(b) - f(a) ] / (b - a) (x-a) + f(a)] ((1) से)

h(a) = h(b) = 0 और h(x) [a, b] पर सतत है और (a, b) पर अवकलनीय है।

इस प्रकार रोल्स प्रमेय को लागू करने पर, (a, b) में कुछ x = c है, जिससे h'(c) = 0.

h'(x) = f'(x) - [ f(b) - f(a) ] / (b - a)

(a, b) में कुछ c के लिए, h'(c) = 0. इस प्रकार

h'(c) = f'(c) - [ f(b) - f(a) ] / (b - a) = 0

f'(c) = [ f(b) - f(a) ] / (b - a)

इस प्रकार माध्य मान प्रमेय सिद्ध होता है.

टिप्पणी : यदि फ़ंक्शन अवकलनीय नहीं है, तो परिणाम मान्य नहीं हो सकता है, यहाँ तक कि खुले अंतराल में एक बिंदु पर भी.

माध्य मान प्रमेय का ग्राफिकल निरूपण

फ़ंक्शन $f(x)$ का ग्राफिकल निरूपण माध्य मान प्रमेय को समझने में मदद करता है। यहाँ हम दो अलग-अलग बिंदुओं $(a,f(a)),(b,f(b))$ पर विचार करते हैं। इन बिंदुओं को जोड़ने वाली रेखा वक्र की छेदक रेखा है, जो वक्र को $(c,f(c))$ पर काटने वाली स्पर्शरेखा के समानांतर है। इन बिंदुओं को मिलाने वाले वक्र की छेदक रेखा का ढलान बिंदु $(c,f(c))$ पर स्पर्शरेखा के ढलान के बराबर है। हम जानते हैं कि स्पर्शरेखा का व्युत्पन्न उस बिंदु पर ढलान है।

स्पर्शरेखा का ढलान = छेदक रेखा का ढलान

$f'(c)=[f(b)-f(a)]/(b-a)$

graph

यहाँ हम देखते हैं कि बिंदु $(c,f(c))$, दो बिंदुओं $(a,f(a)),(b,f(b))$ के बीच स्थित है।

उदाहरण

उदाहरण 1: सत्यापित करें कि फ़ंक्शन $f(x)=x^{2}+1$ अंतराल $[1,4]$ में माध्य मान प्रमेय को संतुष्ट करता है या नहीं। यदि हाँ, तो '$c$' का मान ज्ञात करें।

हल: दिया गया फ़ंक्शन $f(x)=x^{2}+1$ है। माध्य मान प्रमेय को सत्यापित करने के लिए, फ़ंक्शन $f(x)=x^{2}+1$ को $[1,4]$ में सतत और $(1,4)$ में अवकलनीय होना चाहिए। चूँकि $f(x)$ एक बहुपद फ़ंक्शन है, इसलिए उपरोक्त दोनों स्थितियाँ सत्य हैं।

व्युत्पन्न $f'(x)=2x$ (घात नियम) अंतराल $(1,4)$ में परिभाषित किया गया है

$f(1)=1^{2}+1=1+1=2$

$f(4)=4^{2}+1=16+1=17$

$f'(c)=[f(4)-f(1)]/(4-1)=(17-2)/(4-1)=15/3=5$

$f'(c)=5$

$2c=5$

$c=2.5$ जो कि अन्तराल $(1,4)$ में स्थित है

उत्तर: दिया गया फ़ंक्शन माध्य मान प्रमेय और $c=2.5$ को संतुष्ट करता है।

माध्य मान प्रमेय और रोले के प्रमेय के बीच अंतर

माध्य मान प्रमेय और रोले के प्रमेय दोनों ही फ़ंक्शन $f(x)$ को इस तरह परिभाषित करते हैं कि यह अंतराल $[a,b]$ में निरंतर है, और यह अंतराल$(a,b)$ में अवकलनीय है। माध्य मान प्रमेय में, दो संदर्भित बिंदु $(a,f(a)),(b,f(b))$ अलग-अलग हैं और $f(a)\neq f(b)$ है। रोले के प्रमेय में, बिंदुओं को इस तरह परिभाषित किया जाता है कि $f(a)=f(b)$।

माध्य मान प्रमेय में $c$ का मान इस तरह परिभाषित किया जाता है कि बिंदु $(c,f(c))$ पर स्पर्शरेखा की ढलान दो बिंदुओं को जोड़ने वाली छेदक की ढलान के बराबर होती है। रोले के प्रमेय में $c$ का मान इस तरह परिभाषित किया जाता है कि बिंदु $(c,f(c))$ पर स्पर्शरेखा की ढलान $x$-अक्ष की ढलान के बराबर होती है। माध्य मान प्रमेय में ढलान $f'(c)=[f(b)-f(a)]/(b-a)$ है, और रोले प्रमेय में ढलान $f'(c)=0$ के बराबर है।