多元中值定理

第一步：沿线段化归到一元。 令 $\gamma(t) := a + th$、$\varphi(t) := f(\gamma(t))$，$t \in [0,1]$。用链式法则逐次求导可得

其中 $D^{j}f$ 是 $j$ 重线性型（$j = 2$ 时即对称双线性型 $D^{2}f(a)(h,h) = h^{\mathsf{T}} H_f(a) h$）。

第二步：一元 Taylor。 对 $\varphi$ 在 $[0,1]$ 上用带 Lagrange 余项的一元 Taylor 公式（thm.taylor），存在 $\theta \in (0,1)$ 使

第三步：展开成多重指标。 把 $D^{j}f(a)(h, \ldots, h)$ 按多重指标展开：$j$ 重线性型在 $(h, \ldots, h)$ 上的取值是

代入第二步即得节点里写的形式（余项同样按 $|\alpha| = k+1$ 展开）。

第四步：估计余项。 余项每项含 $k+1$ 个 $h$ 的分量，且 $D^{\alpha}f$ 在有界闭球上连续（故有界），于是 $|R_k(h)| \le C\|h\|^{k+1} = O(\|h\|^{k+1})$。∎

记 $A := Df(a)$，$b := f(a)$。

第一步：化归到 $a = 0$、$b = 0$、$Df(0) = I$。 令 $\widetilde f(x) := A^{-1}\bigl( f(a + x) - b \bigr)$。则 $\widetilde f(0) = 0$、$D\widetilde f(0) = A^{-1}A = I$，而 $f$ 的局部可逆性与逆的光滑性等价于 $\widetilde f$ 的。以下就设 $a = 0$、$f(0) = 0$、$Df(0) = I$。

第二步：$\Phi(x) := x - f(x)$ 在小球上是压缩。 由 $D\Phi(0) = I - I = 0$ 与 $D\Phi$ 的连续性，存在 $r > 0$ 使 $\|x\| \le r$ 时 $\|D\Phi(x)\| \le \frac{1}{2}$。于是对 $\|x\|, \|y\| \le r$，由中值不等式（thm.mean-value-multi）

第三步：对每个小 $y$，解 $f(x) = y$。 设 $\|y\| \le r/2$。定义 $\Psi_y(x) := y + \Phi(x)$。若 $\|x\| \le r$ 则 $\|\Psi_y(x)\| \le \|y\| + \|\Phi(x) - \Phi(0)\| + \|\Phi(0)\| \le \frac{r}{2} + \frac{r}{2} = r$（注意 $\Phi(0) = 0$），故 $\Psi_y$ 把闭球 $\overline{B}(0, r)$ 映入自身；它又是系数 $\frac{1}{2}$ 的压缩映射。闭球在 $\mathbb{R}^{n}$ 中完备，由压缩映射原理（thm.banach-fixed-point）$\Psi_y$ 有唯一不动点 $x \in \overline{B}(0,r)$，即 $f(x) = y$。

第四步：唯一性（局部单射）。 若 $f(x_1) = f(x_2) = y$ 且 $\|x_i\| \le r$，则 $\Phi(x_1) - \Phi(x_2) = (x_1 - x_2) - (f(x_1) - f(x_2)) = x_1 - x_2$，取范数得 $\|x_1 - x_2\| \le \frac{1}{2}\|x_1 - x_2\|$，故 $x_1 = x_2$。于是记 $V := B(0, r) \cap f^{-1}(B(0, r/2))$、$W := B(0, r/2)$，则 $f|_V : V \to W$ 是双射。（把 $V$ 取成开球与开原像之交，$V$、$W$ 都开。）

第五步：逆映射连续。 对 $y_1, y_2 \in W$，记 $x_i := g(y_i)$。由第三步的论证

故 $\|g(y_1) - g(y_2)\| \le 2\|y_1 - y_2\|$：$g$ 甚至 Lipschitz。

第六步：$g$ 可导且 $Dg(y) = (Df(g(y)))^{-1}$。 对 $y, y + k \in W$ 记 $x := g(y)$、$x + h := g(y + k)$（即 $h = g(y+k) - g(y)$）。由 $f$ 在 $x$ 可微

两边作用 $Df(x)^{-1}$ 并用第五步的 $\|h\| \le 2\|k\|$：$h = Df(x)^{-1}(k) + o(\|k\|)$。按定义这就是 $g$ 在 $y$ 可微，且 $Dg(y) = Df(g(y))^{-1}$。

第七步：$Dg$ 连续。 $Dg = (Df \circ g)^{-1}$；$g$ 连续、$Df$ 连续、求逆（在 $GL_n$ 上）连续（prop.inverse-continuous 型的论证：逆的表达式含 $1/\det$ 与伴随矩阵，都连续），故 $Dg$ 连续，即 $g \in C^{1}$。∎

等号版本（值域为 $\mathbb{R}$）：令 $\gamma(t) := a + th$（$t \in [0, 1]$），$\varphi := f \circ \gamma$。由链式法则（thm.chain-rule-multi）$\varphi$ 在 $(0,1)$ 上可导且

由一维中值定理（thm.mvt），存在 $\theta \in (0,1)$ 使 $\varphi(1) - \varphi(0) = \varphi'(\theta)$，即 $f(a+h) - f(a) = Df(a + \theta h)(h)$。∎

不等式版本（值域为 $\mathbb{R}^{m}$）：等号版本对向量值函数不成立（反例见节点说明），所以改用积分 / 逼近论证。对 $\varphi(t) = f(a+th)$ 有

（分量逐个用一元牛顿–莱布尼茨公式即得。）取范数并用 $\bigl\|\int g\bigr\| \le \int \|g\|$：

（这一步只用到了「闭线段上的连续函数取到上确界」，不需要多元最值定理。）∎