문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

롤의 정리와 평균값 정리

평균변화율과 같은 순간변화율을 갖는 점이 있음을 이용해 값을 구하거나 보인다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

6문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.4절 · 10번우리말 풀이

다음 문제에서 계산기로 함수의 그래프를 그리고, 양 끝점을 잇는 할선을 그려 보세요. f′(c)(b−a)=f(b)−f(a)f'(c)(b-a)=f(b)-f(a) 를 만족하는 점 cc 의 개수를 어림하세요.

[계산기 사용] 구간 [−1,1][-1,1] 에서 y=3x3+2x+1y=3x^3+2x+1

영어 원문 보기

For the following exercises, graph the functions on a calculator and draw the secant line that connects the endpoints. Estimate the number of points cc such that f′(c)(b−a)=f(b)−f(a).{f}^{'}(c)(b-a)=f(b)-f(a).

[T] y=3x3+2x+1y=3{x}^{3}+2x+1 over [−1,1][-1,1]

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점
풀이 보기

평균값 정리는 구간의 평균변화율과 같은 기울기(도함수 값)를 갖는 점 cc 가 있다는 정리예요. 방정식 f′(c)=평균변화율f'(c)=\text{평균변화율} 을 풀면 개수까지 알 수 있어요.

  1. 1

    평균변화율을 구해요. f(1)=3+2+1=6f(1)=3+2+1=6, f(−1)=−3−2+1=−4f(-1)=-3-2+1=-4 이므로 f(1)−f(−1)1−(−1)=6−(−4)2=5\frac{f(1)-f(-1)}{1-(-1)}=\frac{6-(-4)}{2}=5 즉 양 끝점을 잇는 할선의 기울기는 55 예요.

  2. 2

    도함수가 5가 되는 곳을 찾아요. f′(x)=9x2+2f'(x)=9x^2+2 이므로 f′(c)=5f'(c)=5 를 풀면 9c2+2=5 ⇒ c2=13 ⇒ c=±13≈±0.5779c^2+2=5\ \Rightarrow\ c^2=\tfrac13\ \Rightarrow\ c=\pm\frac{1}{\sqrt3}\approx\pm0.577

  3. 3

    구간 안에 있는지 확인해요. 두 값 모두 −1<c<1-1<c<1 이므로 조건에 맞아요. 따라서 점 cc 는 모두 2개예요. 그래프로 보면 할선과 나란한 접선을 곡선의 왼쪽과 오른쪽에서 각각 한 번씩 그을 수 있다는 뜻이에요.

답

22개 (c=±13c=\pm\dfrac{1}{\sqrt3})

자주 하는 실수

평균값 정리의 cc 는 구간 안의 점이어야 해요. 방정식의 해가 구간 밖이면 버려야 해요.

원본 교재 풀이(영어)

2 points

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 20번
2.CLP-1 · 2.13절 · 11번우리말 번역

함수 f(x)=3x−sin⁡xf(x)=3x-\sin x 의 근은 몇 개인가요?

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=3x−sin⁡xf(x)=3x-\sin x have?

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간단히 살펴보면 x=0x=0 은 f(x)f(x) 의 근이다. 이제 다른 근이 있을 수 있는지가 문제이다. f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 또 다른 근 aa 가 있다면 롤의 정리에 의해 00 과 aa 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=3−cos⁡xf'(x)=3-\cos x 는 결코 00 이 되지 않는다. 따라서 두 번째 근은 없으며, f(x)f(x) 의 근은 정확히 하나이다.

원본 교재 풀이(영어)

By inspection, we see x=0x=0 is a root of f(x)f(x). The question now is whether there could possibly be other roots. Since f(x)f(x) is differentiable over all real numbers, if there is another root aa, then by Rolle's Theorem, f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between 00 and aa. However, f′(x)=3−cos⁡xf'(x)=3-\cos x is never zero. So, there is no second root: f(x)f(x) has precisely one root.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 10번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
3.CLP-1 · 2.13절 · 12번우리말 번역

함수 f(x)=(4x+1)416+xf(x)=\dfrac{(4x+1)^4}{16}+x 의 근은 몇 개인가요?

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=(4x+1)416+xf(x)=\dfrac{(4x+1)^4}{16}+x have?

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함수 f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이고 미분가능하다. aa 와 bb 가 f(x)f(x) 의 서로 다른 근이면, aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다(롤의 정리). 그러므로 f′(x)f'(x) 를 생각해 보자. f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 이 식은 간단하여 영점을 직접 구할 수 있다. (4x+1)3+1=0⇔(4x+1)3=−1⇔4x+1=−1⇔4x=−2(4x+1)^3 +1= 0 \quad \Leftrightarrow \quad (4x+1)^3 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x+1 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x=-2 따라서 f′(c)=0f'(c)=0 인 것은 c=−12c=\dfrac{-1}{2} 일 때뿐이다. 도함수의 영점이 하나뿐이라는 사실은 매우 유용하다. 이는 (롤의 정리에 의해) f(x)f(x) 가 서로 다른 근 aa, bb (a<ba<b)를 가지면 반드시 a<−12<ba < \dfrac{-1}{2} < b 여야 함을 뜻한다. 또한 이는 f(x)f(x) 가 a<b<qa<b<q 인 서로 다른 세 근 a,ba,b 와 (예를 들어) qq 를 가질 수 없음을 뜻한다. 그렇게 되면 롤의 정리에 의해 f′(x)f'(x) 가 aa 와 bb 사이에 하나, bb 와 qq 사이에 또 하나, 모두 두 개의 영점을 갖게 되기 때문이다.

지금까지 f(x)f(x) 는 근이 많아야 두 개이며, 근이 두 개 있다면 그 근들이 어디에 있을 수 있는지를 알았다. 그러나 이것만으로는 f(x)f(x) 의 근이 0개, 1개, 2개 중 무엇인지 알 수 없다.

f(x)f(x) 의 근을 눈으로 어림해서 찾기는 쉽지 않다. 하지만 f(x)f(x) 와 f′(x)f'(x) 의 다음 성질을 이용하면 y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 충분히 파악하여 근이 정확히 몇 개인지 알 수 있다.

  • xx 가 ±∞\pm \infty 로 갈 때, f(x)f(x) 는 +∞+\infty 로 간다.
  • 도함수 f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 은 x<−12x<-\frac{1}{2} 일 때 음수이고 x>−12x>-\frac{1}{2} 일 때 양수이다. 즉, f(x)f(x) 는 x<−12x<-\frac{1}{2} 에서 감소하고 x>−12x>-\frac{1}{2} 에서 증가한다.
  • f(−12)=116−12<0f\left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{16}-\frac{1}{2}<0.

따라서 이 함수는 다음 그래프와 비슷한 모양이어야 한다.

그림

다만 xx절편의 위치는 아직 확실하지 않다. 현재 알고 있는 것은 하나는 x=−1/2x=-1/2 의 왼쪽에, 다른 하나는 오른쪽에 있다는 것뿐이다.

xx 가 아주 작은 음수에서 아주 큰 양수로 증가할 때 f(x)f(x) 가 어떻게 변하는지 살펴보자.

  • xx 가 절댓값이 큰 음수일 때, f(x)>0f(x)>0 이다.
  • xx 가 증가하면 f(x)f(x) 는 x=−12x=-\frac{1}{2} 까지 연속적으로 감소하며, 그곳에서 f(x)<0f(x)<0 이다. 특히 f(−1)=6516>0f(-1)=\frac{65}{16}>0 이고 f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 이며 f(x)f(x) 가 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)f(x) 는 −12-\frac{1}{2} 과 −1-1 사이의 어떤 xx 에서 값 0을 갖는다. 더 풀어서 말하면, xx 가 매우 작은 음수에서 −12-\frac{1}{2} 까지 증가하는 동안 f(x)f(x) 는 0을 정확히 한 번 지난다.
  • xx 가 −12-\frac{1}{2} 을 넘어 증가하면 f(x)f(x) 는 연속적으로 증가하여, 음수에서 시작해 xx 가 커질 때 매우 큰 양수가 된다. 특히 f(0)=116>0f(0)=\frac{1}{16}>0 이고 f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 이며 f(x)f(x) 가 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)f(x) 는 −12-\frac{1}{2} 과 00 사이의 어떤 xx 에서 값 0을 갖는다. 따라서 xx 가 −12-\frac{1}{2} 에서 +∞+\infty 가까이로 증가하는 동안 f(x)f(x) 는 다시 0을 정확히 한 번 지난다.

그러므로 f(x)f(x) 의 근은 정확히 두 개이며, 하나는 x<−12x<-\frac{1}{2} 에, 다른 하나는 x>−12x>-\frac{1}{2} 에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The function f(x)f(x) is continuous and differentiable over all real numbers. If aa and bb are distinct roots of f(x)f(x), then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between aa and bb (Rolle's Theorem). So, let's think about f′(x)f'(x). f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 This is simple enough that we can find its zero explicitly: (4x+1)3+1=0⇔(4x+1)3=−1⇔4x+1=−1⇔4x=−2(4x+1)^3 +1= 0 \quad \Leftrightarrow \quad (4x+1)^3 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x+1 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x=-2 Hence f′(c)=0f'(c)=0 only when c=−12c=\dfrac{-1}{2}. That the derivative only has a single zero is very useful. It means (via Rolle's theorem) that if f(x)f(x) has distinct roots aa and bb with a<ba<b, then we must have a<−12<ba < \dfrac{-1}{2} < b. This also means that f(x)f(x) cannot have 3 distinct roots a,ba,b and (say) qq with a<b<qa<b<q, because then Rolle's theorem would imply that f′(x)f'(x) would have two zeros — one between aa and bb and another between bb and qq.

We've learned that f(x)f(x) has at most two roots, and we've learned something about where those roots can exist, if there are indeed two of them. But that means f(x)f(x) could have 0, 1, or 2 roots.

It's not easy to find a root of f(x)f(x) by inspection. But we can get a good enough picture of the graph of y=f(x)y=f(x) to tell exactly how many roots there are, just by exploiting the following properties of f(x)f(x) and f′(x)f'(x).

  • As xx tends to ±∞\pm \infty, f(x)f(x) tends to +∞+\infty.
  • The derivative f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 is negative for x<−12x<-\frac{1}{2} and is positive for x>−12x>-\frac{1}{2}. That is, f(x)f(x) is decreasing for x<−12x<-\frac{1}{2} and increasing for x>−12x>-\frac{1}{2}.
  • f(−12)=116−12<0f\left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{16}-\frac{1}{2}<0.

This means the function must look something like the graph below:

figure

except we are unsure of the locations of the xx-intercepts. At present we only know that one is to the left of x=−1/2x=-1/2 and one is to the right.

Note what happens to f(x)f(x) as xx increases from strongly negative values to strongly positive values.

  • When xx is large and negative, f(x)>0f(x)>0.
  • As xx increases, f(x)f(x) decreases continuously until x=−12x=-\frac{1}{2}, where f(x)<0f(x)<0. In particular, since f(−1)=6516>0f(-1)=\frac{65}{16}>0 and f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 and f(x)f(x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that f(x)f(x) takes the value zero for some xx between −12-\frac{1}{2} and −1-1. More descriptively put, as xx increases from hugely negative numbers to −12-\frac{1}{2}, f(x)f(x) passes through zero exactly once.
  • As xx increases beyond −12-\frac{1}{2}, f(x)f(x) increases continuously, starting negative and becoming very large and positive when xx becomes large and positive. In particular, since f(0)=116>0f(0)=\frac{1}{16}>0 and f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 and f(x)f(x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that f(x)f(x) takes the value zero for some xx between −12-\frac{1}{2} and 00. So, as xx increases from −12-\frac{1}{2} to near +∞+\infty, f(x)f(x) again passes through zero exactly once.

So f(x)f(x) must have exactly two roots, one with x<−12x<-\frac{1}{2} and one with x>−12x>-\frac{1}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 36번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 2.13절 · 13번우리말 번역

함수 f(x)=x3+sin⁡(x5)f(x)=x^3+\sin\left(x^5\right) 의 근은 몇 개인지 구하세요.

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=x3+sin⁡(x5)f(x)=x^3+\sin\left(x^5\right) have?

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정답·풀이 보기
  • 살펴보면 f(0)=0f(0)=0 임을 알 수 있으므로 근이 적어도 하나는 있다. 다른 근이 있는지, 있다면 몇 개인지 판단해야 한다.
  • 함수 f(x)f(x) 는 두 항 x3x^3 과 sin⁡(x5)\sin(x^5) 의 합이다. 어떤 수 xx 가 f(x)f(x) 의 근이 되는 것은 그 xx 의 값에서 두 항이 서로 정확히 상쇄될 때, 그리고 그때에 한한다. 즉, xx 가 ff 의 근일 필요충분조건은 x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5) 이다. 다른 근을 찾기 위한 감을 얻도록, 같은 그림에 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) 의 그래프를 그린다. 그러면 f(x)f(x) 의 근은 정확히 두 곡선 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y= -\sin(x^5) 가 만나는 점의 xx 값이다.

그림

  • 그래프를 보면 두 곡선은 ∣x∣>1|x|>1 인 점에서는 결코 만날 수 없다. ∣x∣>1|x|>1 이면 ∣x3∣>1|x^3|>1 이지만 ∣−sin⁡(x5)∣≤1|-\sin (x^5)|\le 1 이므로 x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5) 일 수 없기 때문이다. 즉, f(x)f(x) 의 모든 근은 구간 [−1,1][-1,1] 에 있다.
  • 그래프로 보아 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) 는 x=0x=0 에서만 만난다고 짐작할 수 있다. 롤의 정리를 이용하여 실제로 그러함을 확인할 수 있다.
  • a≠0a \neq 0 인 근이 있다고 하면, 롤의 정리에 의해 (f(x)f(x) 는 모든 실수 xx 에 대해 연속이고 미분가능하므로) 00 과 aa 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 특히, 근 aa 가 있다면 −1-1 과 11 사이에 있음을 이미 알고 있으므로, f(x)f(x) 가 근을 두 개 가지면 어떤 c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다.
  • ff 의 도함수는

f′(x)=3x2+5x4cos⁡(x5)=x2(3+5x2cos⁡(x5))f'(x)=3x^2+5x^4\cos\big(x^5\big)=x^2\left(3+5x^2\cos\big(x^5\big)\right)

이다. 따라서 f′(x)=0f'(x)=0 이면 x=0x=0 또는 (3+5x2cos⁡(x5))=0\left(3+5x^2\cos\left(x^5\right)\right)=0 이다. x∈(−1,0)∪(0,1)x \in (-1,0) \cup (0,1) 이면

∣x∣<1  ⟹  ∣x5∣<1<π2  ⟹  cos⁡(x5)>0  ⟹  3+5x2cos⁡(x5)>3  ⟹  f′(x)≠0\begin{aligned} |x|<1 &\implies |x^5|<1<\tfrac{\pi}{2} \implies \cos\big(x^5\big)>0 \\ &\implies 3+5x^2\cos\big(x^5\big) > 3 \\ &\implies f'(x) \neq 0 \end{aligned}

이다. 즉, f′(c)=0f'(c)=0 인 c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) 은 없다. 그러므로 바로 앞의 항목에 따라 f(x)f(x) 의 근은 하나뿐이다.

여기서 f′(x)f'(x) 는 영점이 많음에 주목하자. 사실은 무수히 많다. 그러나 구간 (−1,1)(-1,1) 에서 f′(x)f'(x) 의 근은 x=0x=0 뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)
  • We can see by inspection that f(0)=0f(0)=0, so there is at least one root. We have to determine how many any other roots there are, if any.
  • The function f(x)f(x) is the sum of the two terms x3x^3 and sin⁡(x5)\sin(x^5). A number xx is a root of f(x)f(x) if and only if the two terms cancel each other exactly for that value of xx. That is, xx is a root of ff if and only if x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5). To develope some intuition in our hunt for other roots, we sketch, in the same figure, the graphs y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5). Then the roots of f(x)f(x) are precisely the xx's where the two curves y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y= -\sin(x^5) intersect.

figure

  • Looking at the sketch, we see that the two curves cannot possibly intersect at any point having ∣x∣>1|x|>1 — if ∣x∣>1|x|>1, then ∣x3∣>1|x^3|>1 but ∣−sin⁡(x5)∣≤1|-\sin (x^5)|\le 1 and we cannot possibly have x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5). That is, all roots of f(x)f(x) are in the interval [−1,1][-1,1].
  • From the sketch, we would probably guess that y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) cross only at x=0x=0. We can use Rolle's Theorem to verify that that is indeed the case.
  • If there is a root a≠0a \neq 0, then by Rolle's Theorem (since f(x)f(x) is continuous and differentiable for all real numbers xx) f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between 00 and aa. In particular, since we already know any roots aa will be between −1-1 and 11, if f(x)f(x) has two roots then f′(c)=0f'(c)=0 for some c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1).
  • The derivative of ff is

f′(x)=3x2+5x4cos⁡(x5)=x2(3+5x2cos⁡(x5))f'(x)=3x^2+5x^4\cos\big(x^5\big)=x^2\left(3+5x^2\cos\big(x^5\big)\right)

So, if f′(x)=0f'(x)=0, then x=0x=0 or (3+5x2cos⁡(x5))=0\left(3+5x^2\cos\left(x^5\right)\right)=0. If x∈(−1,0)∪(0,1)x \in (-1,0) \cup (0,1), then

∣x∣<1  ⟹  ∣x5∣<1<π2  ⟹  cos⁡(x5)>0  ⟹  3+5x2cos⁡(x5)>3  ⟹  f′(x)≠0\begin{aligned} |x|<1 &\implies |x^5|<1<\tfrac{\pi}{2} \implies \cos\big(x^5\big)>0 \\ &\implies 3+5x^2\cos\big(x^5\big) > 3 \\ &\implies f'(x) \neq 0 \end{aligned}

That is, there is no c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) with f′(c)=0f'(c)=0. Therefore, following our last bullet point, f(x)f(x) has only one root.

Note here that f′(x)f'(x) has many zeroes — infinitely many, in fact. However, x=0x=0 is the only root of f′(x)f'(x) in the interval (−1,1)(-1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 12번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
5.CLP-1 · 2.13절 · 14번우리말 번역

방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 실수 해를 몇 개 가지는지 구하세요.

영어 원문 보기

How many positive-valued solutions does the equation ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) have?

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정답·풀이 보기

방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 양의 해의 개수를 구하려고 한다. 아래 그림은 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 의 그래프이다. ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 해는 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 가 만나는 점의 xx 값과 정확히 같다.

그림

x≥0x\ge 0 에서 두 그래프는 정확히 한 번 만나는 것으로 보이며, 그 교점은 x=0x=0 과 x=1x=1 사이에 있다. 실제로 [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 이고 [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 이며 f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 0<x<10<x<1 에서 적어도 하나의 근이 존재한다.

그래프가 정확하지 않더라도 두 번째 근이 없음을 보여야 한다.

코사인 함수의 치역이 [−1,1][-1,1] 임을 떠올리자. ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 이면 ex≤4e^x \leq 4 이므로 x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39 이다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 (0,1.4)(0,1.4) 에서만 찾으면 되고, 그 밖에는 근이 없음이 보장된다. 이 구간에서 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8) 이므로 sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0 이고, 따라서 f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0 이다. f′(x)f'(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 갖지 않으므로, 롤의 정리에 의해 f(x)f(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 많아야 하나 가진다(따라서 양의 근은 전체에서 많아야 하나이다). 앞에서 f(x)f(x) 의 근이 (0,1)(0,1) 에 존재함을 이미 보였으므로, ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 해를 정확히 하나 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the number of positive solutions to the equation ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x). The figure below contains the graphs of y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x). The solutions to ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) are precisely the xx's where y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) cross.

figure

It sure looks like there is exactly one crossing with x≥0x\ge 0 and that one crossing is somewhere between x=0x=0 and x=1x=1. Indeed since [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 and [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 and f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that there is at least one root with 0<x<10<x<1.

We still have to show that there is no second root — even if our graphs are not accurate.

Recall that the range of the cosine function is [−1,1][-1,1]. If ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x), then ex≤4e^x \leq 4, so x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39. So, we only need to search for roots of f(x)f(x) on the interval (0,1.4)(0,1.4): we are guaranteed there are no roots elsewhere. Over this interval, 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8), so sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0, and thus f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0. Since f′(x)f'(x) has no roots in (0,1.4)(0,1.4), we conclude by Rolle's Theorem that f(x)f(x) has at most one root in (0,1.4)(0,1.4) (and so at most one positive root total). Since we've already found that a root of f(x)f(x) exists in (0,1)(0,1), we conclude ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) has precisely one positive-valued solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 34번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
6.CLP-1 · 2.13절 · 16번우리말 번역

구간 [0,T][0, T] 에서 함수 exe^x 에 대해 평균값 정리가 보장하는 점을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the point promised by the Mean Value Theorem for the function exe^x on the interval [0,T][0, T].

정답·풀이 보기

f(x)=exf(x)=e^x 라 하자. f(x)f(x) 는 연속이고 미분가능하므로, 평균값 정리에 의해 00 과 TT 사이에

f′(c)=f(T)−f(0)T−0문제는 이 c 의 값을 구하는 것이다. 풀면:ec=eT−e0Tec=eT−1Tc=log⁡(eT−1T)\begin{aligned} f'(c)&=\frac{f(T)-f(0)}{T-0} \\ \text{문제는 이 $c$ 의 값을 구하는 것이다. 풀면:} \\ e^c&=\frac{e^T-e^0}{T}\\ e^c&=\frac{e^T-1}{T}\\ c&=\log\left(\frac{e^T-1}{T}\right) \end{aligned}

를 만족하는 cc 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

Write f(x)=exf(x)=e^x. Since f(x)f(x) is continuous and differentiable, the Mean Value Theorem asserts that there exists some cc between 00 and TT such that

f′(c)=f(T)−f(0)T−0The problem asks us to find this value of c. Solving:ec=eT−e0Tec=eT−1Tc=log⁡(eT−1T)\begin{aligned} f'(c)&=\frac{f(T)-f(0)}{T-0} \\ \text{The problem asks us to find this value of $c$. Solving:} \\ e^c&=\frac{e^T-e^0}{T}\\ e^c&=\frac{e^T-1}{T}\\ c&=\log\left(\frac{e^T-1}{T}\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 32번
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