ბოლცანო-კოშის თეორემა

მათემათიკურ ანალიზსა და ტოპოლოგიაში ბოლცანო-კოშის თეორემა არის თეორემა უწყვეტი ფუნქციის შუალედური მნიშვნლებობების შესახებ. ის ამბობს, რომ თუ უწყვეტი ფუნქცია იღებს რაღაც ორ მნიშვნელობას, მაშინ ის ასევე იღებს მათ შორის ნებისმიერ სხვა მნიშვნელობას.

ფორმულირება

დავუშვათ მოცემულია უწყვეტი ფუნქცია შუალედზე $f\in C\bigl([a,b]\bigr)$. ასევე დავუშვათ, რომ $f(a) \neq f(b)$, და ზოგადობის შეუზღუდავად ვივარაუდოთ, რომ $f(a) = A < B = f(b)$. მაშინ ნებისმიერი $C \in [A, B]$ არსებობს ისეთი $c\in [a,b]$, რომ $f(c) = C$.

დამტკიცება

განვიხილოთ ფუნქცია $\,g(x)=f(x)-C$. ის უწყვეტია სეგმენტზე $\,[a,b]$ და $\,g(a)<0$, $\,g(b)>0$. ვაჩვენოთ, რომ არსებობს ისეთ წერტილი$\,c\in [a,b]$, რომ$\,g(c)=0$. გავყოთ სეგმენტი $\,[a,b]$ წერტილით $\,x_0$ ორ ტოლი სიგრძის ნაწილად, მაშინ ან $\,g(x_0)=0$ და საჭირო წერტილი $\,c=x_0$ მიღებულია, ანდა $g(x_0)\neq 0$ და მაშინ მიღებული შუალედებისგან ერთ-ერთის ბოლოებში ფუნქცია $\,g(x)$ იღებს სხვადასხვა ნიშნის მნიშნელობებს (მარცხენა ბოლოში ნულზე ნაკლები, მარჯვენაში - მეტი).

აღვნიშნოთ მიღებული სეგმენტი $\,[a_1,b_1]$, ისევ გავყოთ ის ორ ტოლ ნაწილად და ა.შ. მაშინ ბიჯთა სასრული ოდენობის მერე ჩვენ მივალთ საძებნ წერტილამდე $\,c$, ან მივიღებთ ერთმანეთში ჩალაგებულ სეგმენტთა სიმრავლეს $\,[a_n,b_n]$, რომლების სიგრძე მიისწრაფის ნულისკენ და $\,g(a_n)<0<g(b_n)$.

დავუშვათ $\,c$ - ყველა სეგმენტის საერთო წერტილია $\,[a_n,b_n]$, $\,n=1,2,...$ მაშინ $c=\lim a_n=\lim b_n,$ და ფუნქციის უწყვეტობის გამო $\,g(x):$

$g(c)=\lim g(a_n)=\lim g(b_n).$

რადგან $\lim g(a_n)\le 0\le \lim g(b_n)$, მივიღებთ, რომ $\,g(c)=0.$

თეორემიდან გამომდინარე

• (თეორემა უწყვეტი ფუნქციის ნულის შესახებ.) თუ ფუნქცია შუალედის ბოლოებში იღებს საწინააღმდეგო ნიშნის მნიშვნელობებს, მაშინ არსებობს წერტილი, სადაც მისი მნიშვნელობა ხდება ნულის ტოლი. უფრო ზუსტად, დავუშვად $f\in C\bigl([a,b]\bigr),$ და $f(a) f(b) < 0$. მაშინ $\exists c \in (a,b)$ ისეთი, რომ $f(c) = 0$.
• კერძოდ, ნებისმიერი კენტი რიგის მრავალწევრს გააჩნია სულ მცირე ერთი ნული;

შენიშვნა

• ზოგჯერ (სახელმძღვანელოებში) მოსაზრებას ნულის შესახებ უწოდებენ ბოლცანო-კოშის პირველ თეორემას, ხოლო ზოგადს - მეორე თეორემას, შესაბამისად. სინამდვილეში კი, ისინი ერთი და იგივეა.

განზოგადება

ბოლცანო-კოშის თეორემა უშვებს განზოგადებას უფრო ზოგად ტოპოლოგიურ სივრცეებზე. ყოველი უწყვეტი ფუნქცია $f\colon X\to\R$, განსაზღვრული წრფივად ბმულ ტოპოლოგიურ სივრცეზე, რომელიც იღებს რაღაც ორ მნიშვნელობას, ასევე იღებს ნებისმიერ მათ შორის მდებარე მნიშვნელობას. უფრო ზუსტად, დავუშვათ მოცემულია ბმული ტოპოლოგიური სივრცე $(X,\mathcal{T}),$ და ფუნქცია$f\in C(X)$. დავუშვათ $x_1,x_2\in X,\; f(x_1) = y_1,\; f(x_2) = y_2,$ და $y_1 < y_2.$ მაშინ: $\forall y \in [y_1,y_2]\; \exists x\in X\; f(x) = y.$ კერძოდ, უწყვეტი წრფივად ბმული სიმრავლის განსახიერება წრფივად ბმულია.

ისტორია

ბოლცანო-კოშის თეორემა ჩამოაყალიბეს ერთმანეთისაგან დამოუკიდებლად ბოლცანოს 1817 წელს და კოშის მიერ 1821 წელს.