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 · 40번우리말 풀이

다음 문제에서 계산기로 구간 [a,b][a,b] 에서의 함수의 그래프와 aa 에서 bb 까지의 할선을 그리세요. 평균값 정리가 보장하는 모든 cc 의 값을 계산기로 어림하세요. 그런 다음 가능하면 cc 의 정확한 값을 구하고, 아니면 최종 방정식을 쓰고 계산기로 소수 넷째 자리까지 어림하세요.

[계산기 사용] 구간 [−4,0][-4,0] 에서 y=∣x2+2x−4∣y=\left|x^2+2x-4\right|

영어 원문 보기

For the following exercises, use a calculator to graph the function over the interval [a,b][a,b] and graph the secant line from aa to b.b. Use the calculator to estimate all values of cc as guaranteed by the Mean Value Theorem. Then, find the exact value of c,c, if possible, or write the final equation and use a calculator to estimate to four digits.

[T] y=∣x2+2x−4∣y=|{x}^{2}+2x-4| over [−4,0][-4,0]

풀이 보기

평균값 정리를 쓰기 전에 연속·미분가능 조건부터 확인해요. 절댓값이 있으면 안쪽 식이 0이 되는 곳에서 그래프가 꺾일 수 있어요.

  1. 1

    안쪽 식이 0이 되는 곳을 찾아요. x2+2x−4=0x^2+2x-4=0 을 풀면 x=−1±5x=-1\pm\sqrt5, 즉 x≈−3.236x\approx-3.236 과 x≈1.236x\approx1.236 이에요. 이 중 x=−1−5≈−3.236x=-1-\sqrt5\approx-3.236 이 구간 [−4,0][-4,0] 안에 있어요.

  2. 2

    그곳에서 미분가능한지 봐요. 이 점의 왼쪽에서는 안쪽 식이 양수이고 오른쪽에서는 음수예요. 그래서 f(x)=∣g(x)∣f(x)=|g(x)| 의 기울기가 왼쪽에서는 g′(x)=2x+2≈−4.47g'(x)=2x+2\approx-4.47 , 오른쪽에서는 −g′(x)≈+4.47-g'(x)\approx+4.47 이 되어 서로 달라요. 그래프가 뾰족하게 꺾이는 점이라 이 점에서 미분가능하지 않아요.

  3. 3

    결론을 내려요. 열린 구간 (−4,0)(-4,0) 안에 미분불가능한 점이 있으므로 평균값 정리의 조건을 만족하지 않아요. 따라서 평균값 정리는 적용되지 않아요.

  4. 4

    참고로 확인해 봐요. f(−4)=4f(-4)=4, f(0)=4f(0)=4 이므로 평균변화율은 00 이에요. 실제로 −3.236<x<1.236-3.236<x<1.236 에서 f(x)=−(x2+2x−4)f(x)=-(x^2+2x-4) 이므로 f′(−1)=0f'(-1)=0 인 c=−1c=-1 이 있긴 해요. 하지만 이것은 정리가 보장해 준 것이 아니라 우연히 성립하는 것이에요.

답

평균값 정리를 적용할 수 없다 (x=−1−5x=-1-\sqrt5 에서 미분불가능)

자주 하는 실수

결론이 우연히 성립해도 평균값 정리가 적용된다고 말하면 안 돼요. 조건을 만족하는지가 핵심이에요.

원본 교재 풀이(영어)

The Mean Value Theorem does not apply.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 10번
# 롤의 정리와 평균값 정리개념 확인도전
2.CLP-1 · 2.13절 · 19번우리말 번역

f(x)=2x+sin⁡xf(x)=2x+\sin x 라 하자. x=0x=0 을 포함하는 구간 중 f(x)f(x) 가 일대일함수인 가장 큰 구간을 구하세요. f−1(x)f^{-1}(x) 의 정의역과 치역을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=2x+sin⁡xf(x)=2x+\sin x. What is the largest interval containing x=0x=0 over which f(x)f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)f^{-1}(x)?

정답·풀이 보기

2x+sin⁡x2x+\sin x 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간 안의 서로 다른 두 수에 대해 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 aa 와 bb 에 대해 f(a)=f(b)f(a)=f(b) 이면 aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=2+cos⁡xf'(x)=2+\cos x 는 결코 0이 되지 않는다. 실제로 모든 xx 에 대해 f′(x)≥1f'(x)\ge 1 이므로 f(x)f(x) 는 정의역 전체에서 엄격하게 증가한다. 따라서 함수 ff 는 같은 값을 두 번 갖는 일이 결코 없으므로, 모든 실수 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 에서 일대일함수이다.

역함수 f−1(x)f^{-1}(x) 를 정의할 때, ff 의 정의역은 f−1f^{-1} 의 치역이고 그 반대도 마찬가지이다. 일반적으로는 ff 의 정의역(따라서 f−1f^{-1} 의 치역)을 ff 가 일대일함수인 구간으로 제한해야 할 수도 있지만, 이 경우에는 그럴 필요가 없다. 그러므로 f−1f^{-1} 의 치역은 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 이고, f−1f^{-1} 의 정의역은 ff 의 치역인 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If 2x+sin⁡x2x+\sin x is one–to–one over an interval, it never takes the same value for two distinct numbers in that interval. By Rolle's Theorem, if f(a)=f(b)f(a)=f(b) for distinct aa and bb, then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc between aa and bb. However, f′(x)=2+cos⁡xf'(x)=2+\cos x, which is never zero. In fact, f′(x)≥1f'(x)\ge 1 for all xx, so f(x)f(x) is strictly increasing over its entire domain. Therefore, our function ff never takes the same value twice, so it is one–to–one over all the real numbers, (−∞,∞)(-\infty,\infty).

When we define the inverse function f−1(x)f^{-1}(x), the domain of ff is the range of f−1f^{-1}, and vice-versa. In general, we might have to restrict the domain of ff (and hence the range of f−1f^{-1}) to an interval where ff is one–to–one, but in our case, this isn't necessary. So, the range of f−1f^{-1} is (−∞,∞)(-\infty,\infty) and the domain of f−1f^{-1} is the range of ff: (−∞,∞)(-\infty,\infty).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3.2절 · 2번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 2.13절 · 20번우리말 번역

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 라 하자. f(x)f(x) 가 일대일함수가 되는, x=0x=0 을 포함하는 가장 큰 구간은 무엇인가? ff 를 이 구간으로 제한할 때, f−1(x)f^{-1}(x) 의 정의역과 치역은 무엇인가?

영어 원문 보기

Let f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x. What is the largest interval containing x=0x=0 over which f(x)f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)f^{-1}(x), if we restrict ff to this interval?

정답·풀이 보기

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간의 서로 다른 두 수에서 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 aa, bb 에 대해 f(a)=f(b)f(a)=f(b) 이면 aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x 이므로, 어떤 정수 nn 에 대해 x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} 일 때 f′(x)=0f'(x)=0 이다. 따라서 특히 aa 와 bb 가 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 의 서로 다른 수이면, aa 와 bb 사이에 있는 모든 cc (양 끝은 제외)에 대해 f′(c)≠0f'(c) \neq 0 이므로 롤의 정리에 의해 f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b) 이다. 그러므로 f(x)f(x) 는 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 에서 일대일함수이다.

또한 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 을 더 넓혀서 f(x)f(x) 가 여전히 일대일함수가 되도록 할 수는 없음을 보여야 한다. 도함수 f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x 를 생각하자. −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3} 인 모든 xx 에 대해 cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} 이므로 (cos⁡x\cos x 의 그래프를 직접 그려 보세요) f′(x)>0f'(x)>0 이고 f(x)f(x) 는 증가한다. 그러나 x=2π3x=\frac{2\pi}{3} 에서 f′(x)=0f'(x)=0 이고, xx 가 2π3\frac{2\pi}{3} 보다 조금 크면 cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} 이므로 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f(x)f(x) 는 감소한다. 따라서 그래프가 “방향을 바꾸어” f(x)f(x) 는 같은 값을 다시 갖는다. (y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 아래에서 보세요.) xx 가 −2π3-\frac{2\pi}{3} 보다 조금 작은 경우에도 마찬가지이다.

그림

역함수 f−1(x)f^{-1}(x) 를 정의할 때, 먼저 ff 를 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 로 제한한다. 그러면 f−1f^{-1} 의 치역도 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 이다. f−1f^{-1} 의 정의역은 이 구간에서 ff 의 치역이므로 [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x is one–to–one over an interval, it never takes the same value for two distinct numbers in that interval. By Rolle's Theorem, if f(a)=f(b)f(a)=f(b) for distinct aa and bb, then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc between aa and bb. Since f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x, f′(x)=0f'(x)=0 when x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} for some integer nn. So, in particular, if aa and bb are distinct numbers in the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right], then for every cc strictly between aa and bb, f′(c)≠0f'(c) \neq 0, so by Rolle's Theorem f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b). Therefore f(x)f(x) is one–to–one on the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right].

We should also show that the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] cannot be extended to a larger interval over which f(x)f(x) is still one–to–one. Consider the derivative f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x. For all −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3}, we have cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} (sketch the graph of cos⁡x\cos x yourself) so that f′(x)>0f'(x)>0 and f(x)f(x) is increasing. But at x=2π3x=\frac{2\pi}{3}, f′(x)=0f'(x)=0, and then for xx a bit bigger than 2π3\frac{2\pi}{3} we have cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} so that f′(x)<0f'(x)<0 and f(x)f(x) is decreasing. So the graph “reverses direction", and f(x)f(x) repeats values. (See the graph of y=f(x)y=f(x) below.) The same is true for xx a little smaller than −2π3.-\frac{2\pi}{3}.

figure

When we define the inverse function f−1(x)f^{-1}(x), first we restrict ff to [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. Then the range of f−1f^{-1} is also [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. The domain of f−1f^{-1} is the range of ff over this interval, so [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 21번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
4.CLP-1 · 2.13절 · 21번우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 구간 [a,b][a,b] 에서 연속이고 구간 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 함수라고 하자. 또한 f(a)<g(a)f(a) < g(a) 이고 g(b)<f(b)g(b)< f(b) 라고 하자. f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 인 c∈[a,b]c \in [a,b] 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) and g(x)g(x) are functions that are continuous over the interval [a,b][a,b] and differentiable over the interval (a,b)(a,b). Suppose further that f(a)<g(a)f(a) < g(a) and g(b)<f(b)g(b)< f(b). Show that there exists some c∈[a,b]c \in [a,b] with f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c).

정답·풀이 보기

h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 로 놓으면 h(a)=f(a)−g(a)<0h(a)=f(a)-g(a)<0 이고 h(b)=f(b)−g(b)>0h(b)=f(b)-g(b)>0 임을 알 수 있다. hh 는 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 두 함수의 차이므로 hh 도 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능하다. 따라서 평균값 정리에 의해 h′(c)=h(b)−h(a)b−ah'(c)=\frac{h(b)-h(a)}{b-a} 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. (a,b)(a,b) 가 구간이므로 b>ab>a 이고, 따라서 위 식의 분모는 양수이다. 또 h(b)>0>h(a)h(b)>0>h(a) 이므로 위 식의 분자도 양수이다. 그러므로 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 h′(c)>0h'(c)>0 이다. h′(c)=f′(c)−g′(c)h'(c)=f'(c)-g'(c) 이므로, 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 라는 결론을 얻는다.

원본 교재 풀이(영어)

Define h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x), and notice h(a)=f(a)−g(a)<0h(a)=f(a)-g(a)<0 and h(b)=f(b)−g(b)>0h(b)=f(b)-g(b)>0. Since hh is the difference of two functions that are continuous over [a,b][a,b] and differentiable over (a,b)(a,b), also hh is continuous over [a,b][a,b] and differentiable over (a,b)(a,b). So, by the Mean Value Theorem, there exists some c∈(a,b)c \in (a,b) with h′(c)=h(b)−h(a)b−ah'(c)=\frac{h(b)-h(a)}{b-a} Since (a,b)(a,b) is an interval, b>ab>a, so the denominator of the above expression is positive; since h(b)>0>h(a)h(b)>0>h(a), also the numerator of the above expression is positive. So, h′(c)>0h'(c)>0 for some c∈(a,b)c \in (a,b). Since h′(c)=f′(c)−g′(c)h'(c)=f'(c)-g'(c), we conclude f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) for some c∈(a,b)c \in (a,b).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 22번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술도전자동 분류
5.CLP-1 · 2.13절 · 22번우리말 번역

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 미분가능한 함수이고 f′(x)f'(x) 의 근이 정확히 두 개라고 하자. f(x)f(x) 가 가질 수 있는 서로 다른 근의 개수의 최댓값은 얼마인가요?

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function that is differentiable over all real numbers, and f′(x)f'(x) has precisely two roots. What is the maximum number of distinct roots that f(x)f(x) may have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이기도 하다. f(x)f(x) 는 서로 다른 근을 네 개 이상 가질 수 없음을 주장한다. 서로 다른 두 근 a<ba<b 마다 롤의 정리에 의해 f′(c)=0f'(c)=0 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. 즉, cc 는 f′f' 의 근이다. f′f' 의 서로 다른 근이 두 개뿐이므로 ff 의 서로 다른 근은 많아야 세 개이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is differentiable over all real numbers, it is also continuous over all real numbers. We claim that f(x)f(x) cannot have four or more distinct roots. For every two distinct roots a<ba<b, Rolle's Theorem tells us there is a c∈(a,b)c \in (a,b) such that f′(c)=0f'(c)=0: that is, cc is a root of f′f'. Since f′f' has only two distinct roots, ff can have at most three distinct roots.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 23번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
6.CLP-1 · 2.13절 · 23번우리말 번역

f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 은 몇 개의 근을 가지는지 구하세요.

영어 원문 보기

How many roots does f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

방정식 x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해의 개수를 구해야 한다. 아래 그림에는 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 의 그래프가 있다. x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해는 바로 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 가 만나는 점의 xx 값이다.

그림

그림을 보면 두 그래프는 두 번 만나는 것처럼 보인다. 함수 −sin⁡x-\sin x 의 치역이 [−1,1][-1,1] 이므로, 두 함수가 만난다면 −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 이기도 하다. 이차함수에서 이 부분은 그림에서 파란색으로 표시되어 있다. 파란 호의 양 끝점의 xx 좌표는 x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1 을 풀어 구한다. 즉 x=0x=0, −5-5, 그리고 (이차방정식을 이용하면) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2} 이다.

이제 위 그림으로 얻은 직관을 활용하여, f(x)f(x) 가 근을 정확히 두 개 가짐을 보이는 간결한 논증을 쓸 수 있다. 일반적으로 함수가 nn 개의 근을 가짐을 보이려면, 서로 다른 nn 개의 근이 어딘가에 존재함을 보이고, 서로 다른 n+1n+1 개의 근은 존재하지 않음을 보여야 함을 기억하자. 이 논증은 아래 파란 글씨로 주어진다.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이다.
  • f(x)=0f(x)=0 인 경우는 −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1 일 때뿐이고, 이는 ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1 일 때만 일어난다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 와 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에만 있다.
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0 이고, f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f(0)=1>0f(0)=1>0 이고, f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5 이다. f′(x)=0f'(x)=0 이면 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x 이므로 ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1 이다. 따라서 f′(x)f'(x) 의 근을 포함할 수 있는 구간은 [−3,−2][-3,-2] 뿐이다.
  • f(x)f(x) 가 두 개보다 많은 근을 가진다고 가정하자. 그러면 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 에 근이 두 개 있거나 또는 구간 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에 근이 두 개 있다. f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 롤의 정리에 의해 f′(x)f'(x) 는 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 또는 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에서 근을 가진다. 그러나 f′(x)f'(x) 의 모든 근은 구간 [−3,−2][-3,-2] 안에 있고, 이 구간은 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 및 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 와 공통인 점이 없으므로 이는 불가능하다. 따라서 f(x)f(x) 는 두 개보다 많은 근을 가지지 않는다.

그림

  • f(x)f(x) 는 적어도 두 개의 근을 가지고 두 개보다 많은 근은 가지지 않으므로, f(x)f(x) 는 근을 정확히 두 개 가진다.
원본 교재 풀이(영어)

We are asked to find the number of solutions to the equation x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x. The figure below contains the graphs of y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x. The solutions to x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x are precisely the xx's where y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x cross.

figure

From the figure, it sure looks like there are two crossings. Since the function −sin⁡x-\sin x has range [−1,1][-1,1], if the two functions cross, then also −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 . This portion of the quadratic function is highlighted in blue in the figure. The xx coordinates of the end points of the blue arcs are found by solving x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1, i.e. x=0x=0, −5-5, and (using the quadratic equation) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2}.

We are now in a position to exploit the intuition that we have built using the above figure to write a concise argument showing that f(x)f(x) has exactly two roots. Remember that, in general, if we want to show that a function has nn roots, we need to show that there exist nn distinct roots somewhere, and that there do not exist n+1n+1 distinct roots. This argument is given below, in blue text.

  • f(x)f(x) is continuous over all real numbers
  • f(x)=0f(x)=0 only when −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1, which only happens when ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1. Thus, f(x)f(x) only has roots in the intervals [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] and [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right].
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0, and f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right).
  • f(0)=1>0f(0)=1>0, and f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right).
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5. If f′(x)=0f'(x)=0, then 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x, so ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1. So, the only interval that can contain roots of f′(x)f'(x) is [−3,−2][-3,-2].
  • Suppose f(x)f(x) has more than two roots. Then it has two roots in the interval [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] OR it has two roots in the interval [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right]. Since f(x)f(x) is differentiable for all real numbers, Rolle's Theorem tells us that f′(x)f'(x) has a root in (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or in (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right). However, since all roots of f′(x)f'(x) are in the interval [−3,−2][-3,-2], and this interval shares no points with (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right), this cannot be the case. Therefore f(x)f(x) does not have more than two roots.

figure

  • Since f(x)f(x) has at least two roots, and not more than two roots, f(x)f(x) has exactly two roots.
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# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류