Teorema del valor medio

En cálculo diferencial, el teorema de valor medio (de Lagrange), teorema de los incrementos finitos, teorema de Bonnet-Lagrange o teoría del punto medio es una propiedad de las funciones derivables en un intervalo. Algunos matemáticos consideran que este teorema es el más importante del cálculo (ver también el teorema fundamental del cálculo integral). El teorema de valor medio puede usarse para demostrar el teorema de Taylor y el teorema de Rolle, ya que ambos son un caso especial.

Historia

Un caso especial de este teorema fue descrito por primera vez por Paramésuara (1370–1460), de la escuela de Kerala de astronomía y matemáticas en la India, en sus comentarios sobre Govindasvāmi y Bhaskara II.​ Una forma restringida del teorema fue demostrada por Michel Rolle en 1691; el resultado fue lo que ahora se conoce como teorema de Rolle, y se demostró sólo para polinomios, sin las técnicas de cálculo. El teorema del valor medio en su forma moderna fue declarado y probado por Cauchy en 1823.​

Enunciado para una variable

Para una función que cumpla la hipótesis de ser definida y continua en [a, b] y derivable en el intervalo abierto (a, b) entonces existe al menos algún punto c en el intervalo (a, b) en que la pendiente de la curva es igual que la pendiente media de la curva en el intervalo cerrado [a, b].

En esencia, el teorema dice que dada cualquier función f continua en el intervalo [a, b] y derivable en el intervalo abierto (a, b), entonces existe al menos algún punto c en el intervalo (a, b) tal que la tangente a la curva en c es paralela a la recta secante que une los puntos (b, f(b)) y (a, f(a)). Es decir:

${\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}=f'(c)$

Este teorema lo formuló Lagrange.

El teorema del valor medio de Lagrange, de hecho, es una generalización del teorema de Rolle, que dice que si una función es definida y continua [a, b], diferenciable en el intervalo abierto (a, b), y toma valores iguales en los extremos del intervalo – en otras palabras, f(a) = f(b) – entonces existe al menos algún punto c en el intervalo (a, b) tal que la tangente a la curva en c es horizontal, es decir f'(c) = 0.

Demostración

1) Primero se consideran dos puntos $(a,f(a))\;$ y $(b,f(b))\;$ pertenecientes al gráfico de la función. La ecuación de la recta que pasa por estos dos puntos es:

$y=f(a)+{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}(x-a)$

Se define una función auxiliar:

$g(x)=f(x)-y=f(x)-\left[f(a)+{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}(x-a)\right]$

Puesto que f es continua en [a, b] y diferenciable en (a, b), lo mismo se puede decir de g. Además g satisface las condiciones del Teorema de Rolle en [a,b] ya que:

$g(a)=f(a)-f(a)-{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}(a-a)=0=g(b)=f(b)-f(a)-{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}(b-a)$

Por el Teorema de Rolle, como g es derivable en (a, b) y g(a) = g(b), existe un c perteneciente (a, b) tal que g'(c) = 0, y por tanto:

$0=g'(c)=f'(c)-{\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}$

y así

$f'(c)={\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}$

que es lo que se quería demostrar.

2) Sea $m_{ab}$ la pendiente de la recta secante entre $[a,b]$, se define la ecuación punto-pendiente:

$y=m_{ab}x+c_{1}$

$m_{ab}={\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}$

o también,

$-m_{ab}x+y=c_{1}$

De acuerdo al enunciado la función es derivable en $(a,b)$, por lo que se puede escoger algún valor $x=c$ en dicho intervalo tal que $f'(c)$ existe y es la pendiente de la recta tangente en dicho punto y por ende la recta tangente tiene la forma (punto-pendiente):

$y=f'(c)x+c_{2}$

o también,

$-f'(c)x+y=c_{2}$

Se observa que se llega a un sistema lineal de 2x2

$\left\{{\begin{matrix}-m_{ab}x+y=c_{1}\\-f'(c)x+y=c_{2}\end{matrix}}\right.$

La matriz del sistema es:

$\mathbb {A} =\;{\begin{pmatrix}-m_{ab}&1\\-f'(c)&1\\\end{pmatrix}}$

Y su determinante es:

$\det(A)=f'(c)-m_{ab}$

Para que el sistema no tenga solución se debe cumplir det(A)=0, por lo tanto las rectas son paraleas en x=c, es decir f'(c) = m_ab

Entonces, existe al menos un punto que no da solución al sistema y además la recta tangente al mismo es paralela a la recta entre a y b, es decir:

$f'(c)=m_{ab}$

o también,

$f'(c)={\frac {f(b)-f(a)}{b-a}}$

Con ello queda demostrado el teorema del valor medio.

Forma integral del Teorema del valor medio

Para una función continua $f(x)$ en el cerrado $[a,b]$, existe un valor $\xi$ en dicho intervalo, tal que​

$\int _{a}^{b}f(x)\,dx=f(\xi )(b-a)$

Demostración Dado que la función $f$ es continua en el intervalo cerrado $[a,b]$, posee un valor máximo en dicho intervalo para algún $V\in [a,b]$, que llamaremos $M=f(V)$ y también un valor mínimo en el mismo intervalo: $m=f(v)$, para algún $v\in [a,b]$. Es decir $f(V)\geq f(x)\geq f(v),\forall x\in [a,b]$. Si consideramos las áreas de los rectángulos con base $b-a$ y altura $M$ ó $m$ tendremos la siguiente desigualdad:

$m(b-a)\quad \leq \quad \int _{a}^{b}f(x)dx\quad \leq \quad M(b-a)$

Lo que implica:

$m\quad \leq \quad {\frac {1}{(b-a)}}\int _{a}^{b}f(x)dx\quad \leq \quad M$

Dado que $f$ es continua se deduce que debe existir algún $\xi \in [a,b]$ para el cual la función $f$ alcanza el valor de la integral ${\frac {1}{(b-a)}}\int _{a}^{b}f(x)$, es decir:

$\exists \xi \in [a,b]:\quad f(\xi )={\frac {1}{b-a}}\int _{a}^{b}f(x)dx$

El teorema no especifica como determinar $\xi$, pero resulta que $f(\xi )$ coincide con el valor medio (promedio) de la función $f$ en el intervalo $[a,b]$.

Diferentes demostraciones

Aplicando la integración de Riemann

$\int _{a}^{b}f(x)dx=\lim _{n\to \infty }{\frac {b-a}{n}}\sum _{i=1}^{n}f(x_{i})$

La sumatoria aloja todos los $x_{i}$ dentro del intervalo $[a,b]$, por lo que procederemos a escoger un $x_{i}=\xi$ fijo de dicho intervalo y que por ende hace que $f(x_{i})=f(\xi )$

Al reemplazar, la integral queda de la siguiente manera:

$\int _{a}^{b}f(x)dx=\lim _{n\to \infty }{\frac {b-a}{n}}\sum _{i=1}^{n}f(\xi )$

Como $f(\xi )$ es constante para la ∑, entonces:

$\sum _{i=1}^{n}f(\xi )=f(\xi )\sum _{i=1}^{n}1=nf(\xi )$

Reemplazando

$\int _{a}^{b}f(x)dx=\lim _{n\to \infty }{\frac {b-a}{n}}(nf(\xi ))$

Simplificando $n$

$\int _{a}^{b}f(x)dx=\lim _{n\to \infty }(b-a)f(\xi )$

$b-a$ y $f(\xi )$ no son afectados por el límite ya que son constantes, por lo tanto

$\int _{a}^{b}f(x)dx=(b-a)f(\xi )$

Despejando $f(\xi )$

$f(\xi )={\frac {1}{b-a}}\int _{a}^{b}f(x)dx$

Por lo tanto, queda verificado la existencia de un $\xi \in [a,b]$ en donde la función evaluada en él, toma el valor de ${\frac {1}{(b-a)}}\int _{a}^{b}f(x)$, es decir:

$\exists \xi \in [a,b]:\quad f(\xi )={\frac {1}{b-a}}\int _{a}^{b}f(x)dx$

Y así, queda demostrado el teorema del valor medio para integrales.

Teorema del valor medio en varias variables

El teorema del valor medio se puede generalizar para funciones reales de argumento vectorial. Esto se puede hacer parametrizando a la función y usando el teorema del valor medio de una variable.

Sea $G$ un subconjunto abierto y convexo de $\mathbb {R} ^{n}$ , y sea $f:G\to \mathbb {R}$ una función diferenciable. Sean $x,y\in G$ y definamos $g(t)=f{\Big (}(1-t)x+ty{\Big )}$ . Como $g$ es una función diferenciable de una variable, el teorema del valor medio nos da:

$g(1)-g(0)=g'(c)$

para algún $c$ entre 0 y 1. Pero aparte tenemos $g(1)=f(y)$ y $g(0)=f(x)$ , calculando $g'(c)$ tenemos, explícitamente:

$f(y)-f(x)=\nabla f{\Big (}(1-c)x+cy{\Big )}\cdot (y-x)$

donde $\nabla$ denota a el gradiente y $\cdot$ al producto interno. Esto es un análogo exacto del teorema del valor medio en una variable (en el caso $n=1$ éste es de hecho el teorema en una variable). Por la desigualdad de Cauchy–Schwarz, la ecuación nos da la estimación:

${\Bigg |}f(y)-f(x){\Bigg |}\leq {\Bigg |}\nabla f{\Big (}(1-c)x+cy{\Big )}{\Bigg |}\ {\Big |}y-x{\Big |}.$

En particular, cuando las derivadas parciales de $f$ están acotadas, $f$ es Lipschitz continua (y por lo tanto uniformemente continua). Cabe mencionar que no requerimos que $f$ sea continuamente diferenciable o continua en la cerradura de $G$ . Sin embargo, para calcular $g'$ usando la regla de la cadena, necesitamos que $f$ sea diferenciable en $G$; la existencia de las derivadas parciales con respecto a $x$ y $y$ no es por sí misma una condición suficiente para garantizar la validez del teorema.

Como una aplicación directa del teorema, podemos demostrar que $f$ es contante si $G$ es abierto, conexo y toda derivada parcial de $f$ es 0. Sea un punto arbitrario $x_{0}\in G$ , y sea $g(x)=f(x)-f(x_{0})$ . Queremos demostrar que $g(x)=0$ para todo $x\in G$ . Sea ahora $E=\{x\in G:g(x)=0\}$ . EntoncesE es cerrado y no vacío.

${\Big |}g(y){\Big |}={\Bigg |}g(y)-g(x){\Bigg |}\leq (0){\Big |}y-x{\Big |}=0$

para cada $y$ en alguna vecindad de $x$ . (En este paso es muy importante que $x$ y $y$ estén suficientemente cerca.) Como $G$ es conexo, concluimos que $E=G$ .

Los argumentos anteriores no dependen de nuestro sistema de coordenadas; por lo tanto se pueden generalizar en caso de que $G$ sea un subconjunto de un espacio de Banach.

Generalizaciones

No existe un análogo estricto del teorema de valor medio para aplicaciones $\mathbf {f} :A\longrightarrow \mathbb {R} ^{n}$. En este caso, sólo es posible establecer la siguiente desigualdad en términos de la norma:

$\|\mathbf {f} (\mathbf {b} )-\mathbf {f} (\mathbf {a} )\|\leq \|\left(D\mathbf {f} (\mathbf {c} )\right)(\mathbf {b} -\mathbf {a} )\|\leq \|D\mathbf {f} (\mathbf {c} )\|\|(\mathbf {b} -\mathbf {a} )\|$

Demostración

En efecto teniendo en cuenta que dada una función $\mathbf {f} :A\subset \mathbb {R} ^{n}\longrightarrow \mathbb {R} ^{m}$ [1] $\ \|\int _{0}^{1}f(t)\,dt\|\leq \int _{0}^{1}\|f(t)\|\,dt$ se tiene que si $\ I[x,y]$ es el segmento formado por $\ x,y\in A$ (siendo A conexo y abierto), es $\ I[x,y]\subset A$ y entonces $\ \|f(y)-f(x)\|=\|\int _{0}^{1}df(x(1-t)+ty)(y-x)\,dt\|\leq \int _{0}^{1}\|df(x(1-t)+ty)(y-x)\|\,dt$ de donde se tiene que como $\ \|df(x(1-t)+ty)(y-x)\|\leq \|df(x(1-t)+ty)\|\|y-x\|$ $\ \forall t\in [0,1]$ es $\ \|f(y)-f(x)\|\leq \|df(c)\|\|y-x\|$ para algún $\ c\in I(x,y)$ Para ver [1] basta tener en cuenta que si $\ L=\int _{0}^{1}f(t)\,dt$ $\ \|L\|^{2}=\|\int _{0}^{1}f(t)\,dt\|^{2}=<L,\int _{0}^{1}f(t)\,dt>=\int _{0}^{1}<L,f(t)>\,dt\leq \int _{0}^{1}\|L\|\|f(t)\|dt=\|L\|\int _{0}^{1}\|f(t)\|dt$ y se tiene que $\ \|\int _{0}^{1}f(t)\,dt\|\leq \int _{0}^{1}\|f(t)\|\,dt$

Corolario

Sea la función h tal que

• es continua sobre un intervalo finito o infinito
• tiene derivada nula en cualquier punto de este intervalo, salvo un conjunto finito de puntos del intervalo, entonces
• esta función es constante sobre este intervalo​

Véase también

• Teorema de Rolle
• Teorema del valor medio de Cauchy

Referencias

• Bombal, Marin & Vera: Problemas de Análisis matemático: Cálculo Diferencial, 1988, ed. AC, ISBN 84-7288-101-6.

Enlaces externos

• PlanetMath: Mean-Value Theorem
• Weisstein, Eric W. «Teorema del valore medio». Weisstein, Eric W, ed. MathWorld (en inglés). Wolfram Research. 

• Datos: Q189136
• Multimedia: Mean value theorem