משפט פרמה (לנקודות קיצון)

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

בחשבון אינפיניטסימלי, משפט פרמה קובע כי אם פונקציה גזירה בנקודה מסוימת, ואותה הנקודה היא נקודת קיצון של הפונקציה (מקסימום מקומי או מינימום מקומי), אז הנגזרת באותה הנקודה שווה לאפס. כלומר, שיפוע המשיק לפונקציה בנקודה זו הוא אפס. יש לשים לב כי ההפך לא תמיד נכון - נגזרת יכולה להיות שווה לאפס גם בנקודה שאינה מקסימום או מינימום, אלא נקודת פיתול או אחרת. בנוסף, נקודת קיצון יכולה להתקיים גם במקרה בו הנגזרת לא מוגדרת. כלומר, בנקודה בה הפונקציה אינה גזירה.
זה אינו המשפט המפורסם המוכר כמשפט האחרון של פרמה.

ניסוח המשפט[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהי \ f פונקציה המוגדרת בקטע \left(a,b\right) ותהי x_0\isin (a,b) נקודת קיצון (מינימום מקומי או מקסימום מקומי) בה הפונקציה גזירה, אז f'\left(x_0\right)=0.

הוכחה[עריכת קוד מקור | עריכה]

נוכיח במקרה שבו \ x_0 היא נקודת מקסימום מקומי. ההוכחה לנקודות מינימום דומה.

מאחר ש-\ x_0 נקודת מקסימום מקומי, הרי שקיימת סביבה \ U=(x_0-\delta,x_0+\delta) המוכלת כולה בקטע \ (a,b), כך שלכל x\isin U מתקיים f(x)\le f(x_0). מכאן כי עבור כל \ \Delta x שעבורו x_0+\Delta x\isin U מתקיים f(x_0+\Delta x)\le f(x_0).

כעת נסתכל בנגזרות מימין ומשמאל של הפונקציה בנקודה \ x_0:

f'_+(x_0)=\lim_{\Delta x \to 0^+}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\le 0

זאת כי המונה תמיד שלילי או אפס, כפי שראינו, והמכנה תמיד חיובי, כי השאיפה לאפס היא מצד ימין.

לעומת זאת:

f'_-(x_0)=\lim_{\Delta x \to 0^-}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\ge 0

כי הפעם המכנה שלילי תמיד.

מאחר שהפונקציה גזירה בנקודה \ x_0 הרי שמתקיים f'_-\left(x_0\right)=f'_+(x_0) ולכן בהכרח f'\left(x_0\right)=0.

הכללה למקרה מרובה המשתנים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן להכליל את המשפט למקרה של פונקציה סקלרית מרובת משתנים \ f(x_1,\dots ,x_n):\mathbb{R}^n\rarr\mathbb{R}. אם לפונקציה יש מקסימום בנקודה כלשהי, בפרט יהיה לה מקסימום כאשר נסתכל על הפונקציה כפונקציה של משתנה יחיד ונתייחס לשאר המשתנים בתור קבועים, ועל כן על פי משפט פרמה הנגזרת החלקית על פי משתנה זה תתאפס. ניתן לעשות זאת עבור כל המשתנים, ועל כן הנגזרת החלקית עבור כל אחד מהמשתנים מתאפסת בנקודה זו. פירוש הדבר הוא שהגרדיאנט של הפונקציה בנקודת הקיצון יהיה וקטור האפס.