문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 함수의 극한과 연속

함수의 극한과 연속 전체 문제

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14문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 1.4절 · 45번우리말 번역

곡선 y=f(x)y=f(x) 가 아래 그래프에 나타나 있습니다. y=1f(x)y=\dfrac{1}{f(x)} 의 그래프를 그리세요.

그림

영어 원문 보기

The curve y=f(x)y=f(x) is shown in the graph below. Sketch the graph of y=1f(x)y=\dfrac{1}{f(x)}.

figure

정답·풀이 보기

먼저 그래프에서 쉽게 읽을 수 있는 점들을 찍는다. xf(x)1f(x)−3−3−13−20UND−131303131322320UND311\begin{array}{c|c|c} x&f(x)&\frac{1}{f(x)}\\ \hline -3&-3&\frac{-1}{3}\\ -2&0&UND\\ -1&3&\frac{1}{3}\\ 0&3&\frac{1}{3}\\ 1&\frac{3}{2}&\frac{2}{3}\\ 2&0&UND\\ 3&1&1 \end{array} f(x)=0f(x) = 0 일 때 1f(x)\frac{1}{f(x)} 은 정의되지 않음에 주의한다. 따라서 1f(x)\frac{1}{f(x)} 은 x=−2x=-2 와 x=2x=2 에서 정의되지 않는다. xx 가 ±2\pm 2 에 가까울 때 1f(x)\frac{1}{f(x)} 의 변화는 곧 더 자세히 살펴볼 것이다.

위의 점들을 찍으면 다음과 같은 그림이 된다.

그림

xx 가 -1과 0 사이일 때 f(x)f(x) 는 상수이므로 -1과 0 사이에서 1f(x)\frac{1}{f(x)} 도 상수이다. 따라서 그림을 다음과 같이 고친다.

그림

남은 큰 문제는 xx 가 -2와 2에 가까울 때 1f(x)\frac{1}{f(x)} 의 변화이다. 이 문제는 극한으로 답할 수 있다. xx 가 −2-2 에 왼쪽에서 가까워질 때 f(x)f(x) 는 0에 가까워지고 음수이다. 따라서 1f(x)\frac{1}{f(x)} 은 음수이고, 그 크기는 한없이 커진다. 즉 lim⁡x→−2−1f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow -2^-}\dfrac{1}{f(x)}=-\infty 이다. 마찬가지로 xx 가 −2-2 에 오른쪽에서 가까워질 때 f(x)f(x) 는 0에 가까워지고 양수이다. 따라서 1f(x)\frac{1}{f(x)} 은 양수이고, 그 크기는 한없이 커진다. 즉 lim⁡x→−2+1f(x)=∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow -2^+}\dfrac{1}{f(x)}=\infty 이다. 이러한 변화를 그래프에 더한다.

그림

이제 x=2x=2 에서의 변화를 살펴본다. xx 가 2에 가까워질 때 f(x)f(x) 는 0에 한없이 가까워지고 동시에 양수이므로 lim⁡x→21f(x)=∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow 2} \frac{1}{f(x)}=\infty 이다. 이를 그림에 더한다.

그림

이제 남은 빈 곳은 x=0x=0 과 x=1x=1 사이뿐이다. f(x)f(x) 는 0에서 떨어져 있는 매끄러운 곡선이므로 여기에는 적당히 매끄러운 곡선을 그리면 충분하다. (그래프를 그리는 방법은 나중에 더 자세히 다룬다. 이 문제의 목적은 지금까지 배운 극한을 활용하는 것이었다.)

그림

원본 교재 풀이(영어)

We can begin by plotting the points that are easy to read off the diagram. xf(x)1f(x)−3−3−13−20UND−131303131322320UND311\begin{array}{c|c|c} x&f(x)&\frac{1}{f(x)}\\ \hline -3&-3&\frac{-1}{3}\\ -2&0&UND\\ -1&3&\frac{1}{3}\\ 0&3&\frac{1}{3}\\ 1&\frac{3}{2}&\frac{2}{3}\\ 2&0&UND\\ 3&1&1 \end{array} Note that 1f(x)\frac{1}{f(x)} is undefined when f(x)=0f(x) = 0. So 1f(x)\frac{1}{f(x)} is undefined at x=−2x=-2 and x=2x=2. We shall look more closely at the behaviour of 1f(x)\frac{1}{f(x)} for xx near ±2\pm 2 shortly.

Plotting the above points, we get the following picture:

figure

Since f(x)f(x) is constant when xx is between -1 and 0, then also 1f(x)\frac{1}{f(x)} is constant between -1 and 0, so we update our picture:

figure

The big question that remains is the behaviour of 1f(x)\frac{1}{f(x)} when xx is near -2 and 2. We can answer this question with limits. As xx approaches −2-2 from the left, f(x)f(x) gets closer to zero, and is negative. So 1f(x)\frac{1}{f(x)} will be negative, and will increase in magnitude without bound; that is, lim⁡x→−2−1f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow -2^-}\dfrac{1}{f(x)}=-\infty. Similarly, as xx approaches −2-2 from the right, f(x)f(x) gets closer to zero, and is positive. So 1f(x)\frac{1}{f(x)} will be positive, and will increase in magnitude without bound; that is, lim⁡x→−2+1f(x)=∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow -2^+}\dfrac{1}{f(x)}=\infty. We add this behaviour to our graph:

figure

Now, we consider the behaviour at x=2x=2. Since f(x)f(x) gets closer and closer to 0 AND is positive as xx approaches 2, we conclude lim⁡x→21f(x)=∞\displaystyle\lim_{x \rightarrow 2} \frac{1}{f(x)}=\infty. Adding to our picture:

figure

Now the only remaining blank space is between x=0x=0 and x=1x=1. Since f(x)f(x) is a smooth curve that stays away from 0, we can draw some kind of smooth curve here, and call it good enough. (Later on we'll go into more details about drawing graphs. The purpose of this exercise was to utilize what we've learned about limits.)

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.3절 · 27번
# 극한의 성질과 계산그래프·표 해석도전자동 분류
2.CLP-1 · 1.4절 · 46번우리말 번역

함수 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 의 그래프가 아래 그래프와 같다. 이를 이용하여 f(x)g(x)\dfrac{f(x)}{g(x)} 의 그래프를 그리세요.

그림

그림

영어 원문 보기

The graphs of functions f(x)f(x) and g(x)g(x) are shown in the graphs below. Use these to sketch the graph of f(x)g(x)\dfrac{f(x)}{g(x)}.

figure

figure

정답·풀이 보기

먼저 몇 개의 점을 살펴보자.

xf(x)g(x)f(x)g(x)−3−3−1.52−200UND−131.52−031.5211.5.752200UND31.52\begin{array}{c|c|c|c}x & f(x) & g(x) & \dfrac{f(x)}{g(x)} \\ \hline -3 & -3 & -1.5 & 2 \\ \hline -2 & 0 & 0 & \text{UND} \\ \hline -1 & 3 & 1.5 & 2 \\ \hline -0 & 3 & 1.5 & 2 \\ \hline 1 & 1.5 & .75 & 2 \\ \hline 2 & 0 & 0 & \text{UND} \\ \hline 3 & 1 & .5 & 2\end{array}

0으로 나눌 수 없으므로 x=±2x=\pm2 에서 f(x)g(x)\dfrac{f(x)}{g(x)} 는 정의되지 않는다. 그러나 우리가 점을 찍어 본 나머지 모든 xx 의 값에서는 f(x)f(x) 가 g(x)g(x) 의 2배이므로 f(x)g(x)=2\dfrac{f(x)}{g(x)}=2 이다. 이를 염두에 두면 f(x)f(x) 의 그래프는 2g(x)2g(x) 의 그래프와 정확히 같음을 알 수 있다.

이로부터 아래의 그래프를 얻는다.

그림

참고: f(2)=g(2)=0f(2)=g(2)=0 이므로 f(2)g(2)\dfrac{f(2)}{g(2)} 는 존재하지 않지만 lim⁡x→2f(x)g(x)=2\displaystyle\lim_{x \rightarrow 2}\dfrac{f(x)}{g(x)}=2 이다. x=±2x=\pm 2 에서 "0으로 나누려" 하고 있지만, 이를 수직 점근선으로 해석하면 잘못이다.

원본 교재 풀이(영어)

We can start by examining points.

xf(x)g(x)f(x)g(x)−3−3−1.52−200UND−131.52−031.5211.5.752200UND31.52\begin{array}{c|c|c|c}x & f(x) & g(x) & \dfrac{f(x)}{g(x)} \\ \hline -3 & -3 & -1.5 & 2 \\ \hline -2 & 0 & 0 & \text{UND} \\ \hline -1 & 3 & 1.5 & 2 \\ \hline -0 & 3 & 1.5 & 2 \\ \hline 1 & 1.5 & .75 & 2 \\ \hline 2 & 0 & 0 & \text{UND} \\ \hline 3 & 1 & .5 & 2\end{array}

We cannot divide by zero, so f(x)g(x)\dfrac{f(x)}{g(x)} is not defined when x=±2x=\pm2. But for every other value of xx that we plotted, f(x)f(x) is twice as large as g(x)g(x), f(x)g(x)=2\dfrac{f(x)}{g(x)}=2. With this in mind, we see that the graph of f(x)f(x) is exactly the graph of 2g(x)2g(x).

This gives us the graph below.

figure

Remark: f(2)=g(2)=0f(2)=g(2)=0, so f(2)g(2)\dfrac{f(2)}{g(2)} does not exist, but lim⁡x→2f(x)g(x)=2\displaystyle\lim_{x \rightarrow 2}\dfrac{f(x)}{g(x)}=2. Although we are trying to “divide by zero" at x=±2x=\pm 2, it would be a mistake here to interpret this as a vertical asymptote.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 1.3절 · 2번
# 극한의 성질과 계산그래프·표 해석도전자동 분류
3.CLP-1 · 1.4절 · 49번우리말 번역

다음과 같이 가정하자. f(x)={x2+3,x>00,x=0x2−3,x<0f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} x^2+3&,&x>0\\ 0&,&x=0\\ x^2-3&,&x<0 \end{array}\right.

(a) lim⁡x→0−f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x) 의 값을 구하세요. (b) lim⁡x→0+f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x) 의 값을 구하세요. (c) lim⁡x→0f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)={x2+3,x>00,x=0x2−3,x<0f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} x^2+3&,&x>0\\ 0&,&x=0\\ x^2-3&,&x<0 \end{array}\right.

(a) Evaluate lim⁡x→0−f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x). (b) Evaluate lim⁡x→0+f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x). (c) Evaluate lim⁡x→0f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x).

정답·풀이 보기

(a) 왼쪽에서의 극한을 구할 때에는 0보다 작은 xx 의 값만 고려한다. 이러한 xx 의 값에서 함수는 x2−3x^2-3 이다. 따라서 lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(x2−3)=−3\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^-} (x^2-3)=-3 이다.

(b) 오른쪽에서의 극한을 구할 때에는 0보다 큰 xx 의 값만 고려한다. 이러한 xx 의 값에서 함수는 x2+3x^2+3 이다. 따라서 lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(x2+3)=3\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^+} (x^2+3)=3 이다.

(c) 왼쪽 극한과 오른쪽 극한이 일치하지 않으므로 lim⁡x→0f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x)= 존재하지 않는다.

상황을 더 분명히 하기 위해 y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 아래와 같이 그렸다:

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) When we evaluate the limit from the left, we only consider values of xx that are less than zero. For these values of xx, our function is x2−3x^2-3. So, lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(x2−3)=−3\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^-} (x^2-3)=-3.

(b) When we evaluate the limit from the right, we only consider values of xx that are greater than zero. For these values of xx, our function is x2+3x^2+3. So, lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(x2+3)=3\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^+} (x^2+3)=3.

(c) Since the limits from the left and right do not agree, lim⁡x→0f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x)= DNE.

To further clarify the situation, the graph of y=f(x)y=f(x) is sketched below:

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.3절 · 13번
# 극한의 성질과 계산계산도전자동 분류
4.CLP-1 · 1.4절 · 50번우리말 번역

다음과 같이 두자. f(x)={x2+8x+16x2+30x−4,x>−4x3+8x2+16x,x≤−4f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} \dfrac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4}&,&x>-4\\ &\\ x^3+8x^2+16x&,&x\le-4 \end{array}\right.

(a) lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-} f(x) 의 값을 구하세요. (b) lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+} f(x) 의 값을 구하세요. (c) lim⁡x→−4f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4} f(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)={x2+8x+16x2+30x−4,x>−4x3+8x2+16x,x≤−4f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} \dfrac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4}&,&x>-4\\ &\\ x^3+8x^2+16x&,&x\le-4 \end{array}\right.

(a) Evaluate lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-} f(x). (b) Evaluate lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+} f(x). (c) Evaluate lim⁡x→−4f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4} f(x).

정답·풀이 보기

(a) lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-}f(x) 의 값을 구할 때는 −4-4 보다 작은 xx 의 값만 생각한다. 이 값들에 대해 f(x)=x3+8x2+16xf(x)=x^3+8x^2+16x 이다. 따라서 lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4−(x3+8x2+16x)=(−4)3+8(−4)2+16(−4)=0\lim_{x \to -4^-}f(x)=\lim_{x \to -4^-} (x^3+8x^2+16x)=(-4)^3+8(-4)^2+16(-4)=0 x3+8x2+16xx^3+8x^2+16x 는 다항식이므로 x=−4x=-4 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다.

(b) lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x) 의 값을 구할 때는 −4-4 보다 큰 xx 의 값만 생각한다. 이 값들에 대해

f(x)=x2+8x+16x2+30x−4따라서,lim⁡x→−4+f(x)=lim⁡x→−4+x2+8x+16x2+30x−4이 함수는 유리함수이고 x=−4 는 정의역에 속하므로(0으로 나누는 것과 같은 문제가 없으므로) 이번에도 x=−4 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다:=(−4)2+8(−4)+16(−4)2+30(−4)−4=0−108=0\begin{aligned} f(x)&=\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{따라서,} \\ \lim_{x \to -4^+}f(x)&=\lim_{x \to -4^+}\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{이 함수는 유리함수이고 $x=-4$ 는 정의역에 속하므로(0으로 나누는 것과 같은 문제가 없으므로) 이번에도 $x=-4$ 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다:} \\ &=\frac{(-4)^2+8(-4)+16}{(-4)^2+30(-4)-4}=\frac{0}{-108}=0 \end{aligned}

(c) lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4+f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to -4^-}f(x)=\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x)=0 이므로 lim⁡x→−4f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -4}f(x)=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) When we evaluate lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-}f(x), we only consider values of xx that are less than −4-4. For these values, f(x)=x3+8x2+16xf(x)=x^3+8x^2+16x. So, lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4−(x3+8x2+16x)=(−4)3+8(−4)2+16(−4)=0\lim_{x \to -4^-}f(x)=\lim_{x \to -4^-} (x^3+8x^2+16x)=(-4)^3+8(-4)^2+16(-4)=0 Note that, because x3+8x2+16xx^3+8x^2+16x is a polynomial, we can evaluate the limit by directly substituting in x=−4x=-4.

(b) When we evaluate lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x), we only consider values of xx that are greater than −4-4. For these values,

f(x)=x2+8x+16x2+30x−4So,lim⁡x→−4+f(x)=lim⁡x→−4+x2+8x+16x2+30x−4This is a rational function, and x=−4 is in its domain (we aren’t doing anything suspect, like dividing by 0), so again we can directly substitute x=−4 to evaluate the limit:=(−4)2+8(−4)+16(−4)2+30(−4)−4=0−108=0\begin{aligned} f(x)&=\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{So,} \\ \lim_{x \to -4^+}f(x)&=\lim_{x \to -4^+}\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{This is a rational function, and $x=-4$ is in its domain (we aren't doing anything suspect, like dividing by 0), so again we can directly substitute $x=-4$ to evaluate the limit:} \\ &=\frac{(-4)^2+8(-4)+16}{(-4)^2+30(-4)-4}=\frac{0}{-108}=0 \end{aligned}

(c) Since lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4+f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to -4^-}f(x)=\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x)=0, we conclude lim⁡x→−4f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -4}f(x)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.3절 · 41번
# 극한의 성질과 계산계산도전자동 분류
5.CLP-1 · 1.5절 · 27번우리말 번역

lim⁡x→∞f(x)≠lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle\lim_{x \rightarrow\infty} f(x) \neq \displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x) 이고, 두 극한이 모두 (유한한) 실수인 유리함수 f(x)f(x) 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Give a rational function f(x)f(x) with the properties that lim⁡x→∞f(x)≠lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle\lim_{x \rightarrow\infty} f(x) \neq \displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x), and both limits are (finite) real numbers.

정답·풀이 보기

먼저, 무한대에서의 극한이 실수인 유리함수가 필요하다. 이는 분모의 차수가 분자의 차수보다 크거나 같다는 뜻이다. 경우는 두 가지이다. 분모의 차수가 분자의 차수보다 큰 경우와, 분모의 차수가 분자의 차수와 같은 경우이다.

분모의 차수가 분자의 차수보다 크면 lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x \rightarrow \infty} f(x)=\displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x)=0 이므로 두 극한이 같다. 이는 우리가 찾는 함수가 아니다.

분모의 차수가 분자의 차수와 같으면 xx 가 ±∞\pm \infty 로 갈 때의 극한은 최고차항의 비이다. 이번에도 두 극한이 같다. 따라서 위와 같은 유리함수는 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we need a rational function whose limit at infinity is a real number. This means that the degree of the bottom is greater than or equal to the degree of the top. There are two cases: the denominator has higher degree than the numerator, or the denominator has the same degree as the numerator.

If the denominator has higher degree than the numerator, then lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x \rightarrow \infty} f(x)=\displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x)=0, so the limits are equal–not what we're looking for.

If the denominator has the same degree as the numerator, then the limit as xx goes to ±∞\pm \infty is the ratio of the leading terms: again, the limits are equal. So no rational function exists as described.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.5절 · 24번
# 무한대에서의 극한과 점근선계산도전자동 분류
6.CLP-1 · 1.5절 · 28번우리말 번역

주사한 지 tt 시간 후 몸속에 있는 어떤 물질의 농도가 어떤 식 c(t)c(t) 로 주어지고, lim⁡t→∞c(t)≠0\displaystyle\lim_{t \rightarrow \infty} c(t) \neq 0 이라고 하자. 어떤 종류의 물질을 주사했을 수 있을까요?

영어 원문 보기

Suppose the concentration of a substance in your body tt hours after injection is given by some formula c(t)c(t), and lim⁡t→∞c(t)≠0\displaystyle\lim_{t \rightarrow \infty} c(t) \neq 0. What kind of substance might have been injected?

정답·풀이 보기

그 물질이 장기적으로 남아 있는 양은 어떤 양수이다. 즉 그 물질은 계속 남아 있다. 이런 물질의 한 예가 문신의 잉크이다. (주사한 것이 약이었다면 아마 대사되어 lim⁡t→∞c(t)=0\displaystyle\lim_{t \rightarrow \infty} c(t)=0 일 것이다.)

참고: 사실 tt 를 무한대로 보내는 것은 그다지 의미가 없다. 수백만 시간이 지나면 몸조차 남아 있지 않을 텐데, 그렇다면 c(t)c(t) 는 무엇을 재고 있는 것일까? 현실에서 식을 사용할 때는 흔히 그 식이 정해진 어떤 범위에서만 유효하다고 이해한다. tt 가 무한대로 갈 때의 극한은 그 함수의 장기적인 변화 양상을 대신 나타내는 것으로 자주 쓰인다.

원본 교재 풀이(영어)

The amount of the substance that will linger long-term is some positive number–the substance will stick around. One example of a substance that does this is the ink in a tattoo. (If the injection was of medicine, probably it will be metabolized, and lim⁡t→∞c(t)=0\displaystyle\lim_{t \rightarrow \infty} c(t)=0.)

Remark: it actually doesn't make much sense to let tt go to infinity: after a few million hours, you won't even have a body, so what is c(t)c(t) measuring? Often when we use formulas in the real world, there is an understanding that they are only good for some fixed range. We often use the limit as tt goes to infinity as a stand-in for the function's long-term behaviour.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.6절 · 19번
# 무한대에서의 극한과 점근선활용도전자동 분류
7.CLP-1 · 1.6절 · 21번우리말 번역

sin⁡x=x−1\sin x = x-1 을 만족하는 실수 xx 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number xx satisfying sin⁡x=x−1\sin x = x-1

정답·풀이 보기

이 등식은 그냥 풀 수 있는 종류가 아니므로 요령이 필요하며, 그 요령이 바로 사잇값 정리이다. 기본 아이디어는 sin⁡x\sin x 가 어떤 곳에서는 x−1x-1 보다 크고, 또 어떤 곳에서는 작음을 보이는 것이다. 그런데 사잇값 정리는 함수가 어떤 상수와 같아짐을 보여 줄 수 있을 뿐이므로, 표현을 약간 바꿔야 한다. sin⁡x=x−1\sin x = x-1 임을 보이는 것은 sin⁡x−x+1=0\sin x - x + 1 = 0 임을 보이는 것과 같으므로, f(x)=sin⁡x−x+1f(x)=\sin x - x +1 이라 하고 이 함수가 실근을 가짐을 보이자.

먼저 f(x)f(x) 가 연속임에 주목해야 한다(그렇지 않으면 사잇값 정리를 쓸 수 없다). 이제 ff 의 값이 양수가 되는 xx 와 음수가 되는 xx 를 찾아야 한다. 몇 개의 값을 확인해 보면 f(0)f(0) 은 양수이고 f(100)f(100) 은 음수임을 알 수 있다. 따라서 사잇값 정리에 의해 f(x)=0f(x)=0 이 되는 xx 의 값이 (00 과 100100 사이에) 존재한다. 그러므로 sin⁡x=x−1\sin x = x-1 을 만족하는 xx 의 값이 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

This isn't the kind of equality that we can just solve; we'll need a trick, and that trick is the IVT. The general idea is to show that sin⁡x\sin x is somewhere bigger, and somewhere smaller, than x−1x-1. However, since the IVT can only show us that a function is equal to a constant, we need to slightly adjust our language. Showing sin⁡x=x−1\sin x = x-1 is equivalent to showing sin⁡x−x+1=0\sin x - x + 1 = 0, so let f(x)=sin⁡x−x+1f(x)=\sin x - x +1, and let's show that it has a real root.

First, we need to note that f(x)f(x) is continuous (otherwise we can't use the IVT). Now, we need to find a value of xx for which it is positive, and for which it's negative. By checking a few values, we find f(0)f(0) is positive, and f(100)f(100) is negative. So, by the IVT, there exists a value of xx (between 00 and 100100) for which f(x)=0f(x)=0. Therefore, there exists a value of xx for which sin⁡x=x−1\sin x = x-1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 20번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
8.CLP-1 · 1.6절 · 22번우리말 번역

3c=c23^c=c^2 을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 3c=c23^c=c^2.

정답·풀이 보기

f(x)=3x−x2f(x)=3^x-x^2 이라 하자. 3x3^x 과 x2x^2 은 모든 실수에서 연속이므로 f(x)f(x) 는 연속함수이다.

f(a)>0f(a)>0 인 값 aa 를 찾는다. 바로 a=0a=0 이 조건을 만족함을 알 수 있다. 왜냐하면 f(0)=30−0=1>0f(0)=3^0-0=1>0 이기 때문이다.

f(b)<0f(b)<0 인 값 bb 를 찾는다. b=−1b=-1 이 조건을 만족한다. 왜냐하면 f(−1)=13−1<0f(-1)=\frac{1}{3}-1<0 이기 때문이다.

따라서 f(x)f(x) 는 (−∞,∞)(-\infty, \infty) 에서 연속이고 f(0)>0f(0)>0 이면서 f(−1)<0f(-1)<0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 cc 가 구간 (−1,0)(-1,0) 에 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=3x−x2f(x)=3^x-x^2. Then f(x)f(x) is a continuous function, since both 3x3^x and x2x^2 are continuous for all real numbers.

We find a value aa such that f(a)>0f(a)>0. We observe immediately that a=0a=0 works since f(0)=30−0=1>0.f(0)=3^0-0=1>0.

We find a value bb such that f(b)<0f(b)<0. We see that b=−1b=-1 works since f(−1)=13−1<0.f(-1)=\frac{1}{3}-1<0.

So, because f(x)f(x) is continuous on (−∞,∞)(-\infty, \infty) and f(0)>0f(0)>0 while f(−1)<0f(-1)<0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number cc in the interval (−1,0)(-1,0) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 25번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
9.CLP-1 · 1.6절 · 23번우리말 번역

2tan⁡(c)=c+12\tan(c)=c+1 을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 2tan⁡(c)=c+12\tan(c)=c+1.

정답·풀이 보기

f(x)=2tan⁡(x)−x−1f(x)=2\tan(x)-x-1 이라 하자. tan⁡(x)=sin⁡(x)/cos⁡(x)\tan(x)=\sin(x)/\cos(x) 는 구간 (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) 에서 연속이고, x+1x+1 은 다항식이므로 모든 실수에서 연속이다. 따라서 f(x)f(x) 는 이 구간에서 연속함수이다.

f(a)<0f(a)<0 인 값 a∈(−π/2,π/2)a\in (-\pi/2,\pi/2) 를 찾는다. 바로 a=0a=0 이 조건을 만족함을 알 수 있다. 왜냐하면 f(0)=2tan⁡(0)−0−1=0−1=−1<0f(0)=2\tan(0)-0-1=0-1=-1<0 이기 때문이다.

f(b)>0f(b)>0 인 값 b∈(−π/2,π/2)b\in (-\pi/2, \pi/2) 를 찾는다. b=π/4b=\pi/4 가 조건을 만족한다. 왜냐하면 f(π/4)=2tan⁡(π/4)−π/4−1=2−π/4−1=1−π/4=(4−π)/4>0f(\pi/4)=2\tan(\pi/4) -\pi/4 - 1=2-\pi/4 - 1=1-\pi/4=(4-\pi)/4>0 이기 때문이다. 이는 3<π<43<\pi<4 이므로 성립한다.

따라서 f(x)f(x) 는 [0,π/4][0,\pi/4] 에서 연속이고 f(0)<0f(0)<0 이면서 f(π/4)>0f(\pi/4)>0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=2tan⁡(x)−x−1f(x)=2\tan(x)-x-1. Then f(x)f(x) is a continuous function on the interval (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) since tan⁡(x)=sin⁡(x)/cos⁡(x)\tan(x)=\sin(x)/\cos(x) is continuous on this interval, while x+1x+1 is a polynomial and therefore continuous for all real numbers.

We find a value a∈(−π/2,π/2)a\in (-\pi/2,\pi/2) such that f(a)<0f(a)<0. We observe immediately that a=0a=0 works since f(0)=2tan⁡(0)−0−1=0−1=−1<0.f(0)=2\tan(0)-0-1=0-1=-1<0.

We find a value b∈(−π/2,π/2)b\in (-\pi/2, \pi/2) such that f(b)>0f(b)>0. We see that b=π/4b=\pi/4 works since f(π/4)=2tan⁡(π/4)−π/4−1=2−π/4−1=1−π/4=(4−π)/4>0,f(\pi/4)=2\tan(\pi/4) -\pi/4 - 1=2-\pi/4 - 1=1-\pi/4=(4-\pi)/4>0, because 3<π<43<\pi<4.

So, because f(x)f(x) is continuous on [0,π/4][0,\pi/4] and f(0)<0f(0)<0 while f(π/4)>0f(\pi/4)>0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 22번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
10.CLP-1 · 1.6절 · 24번우리말 번역

다음을 만족하는 실수 c 가 적어도 하나 존재함을 보이세요. cos⁡(πc)=sin⁡(2πc)+12\sqrt{\cos(\pi c)} = \sin(2 \pi c) + \frac{1}{2}.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number c such that cos⁡(πc)=sin⁡(2πc)+12\sqrt{\cos(\pi c)} = \sin(2 \pi c) + \frac{1}{2}.

정답·풀이 보기

f(x)=cos⁡(πx)−sin⁡(2πx)−1/2f(x) = \sqrt{\cos(\pi x)} - \sin(2\pi x) -1/2 라 하자. 이 함수는 cos⁡(πx)≥0\cos(\pi x)\geq 0 인 범위에서 연속이다. 이는 0≤x≤120 \leq x \leq \frac{1}{2} 에서 성립한다.

이제 ff 는 [0,1/2][0,1/2] 에서 양수 값을 갖는다:

f(0)=cos⁡(0)−sin⁡(0)−1/2=1−1/2=1/2.\begin{aligned} f(0) &= \sqrt{\cos(0)} - \sin(0) -1/2 = \sqrt{1} -1/2 = 1/2. \end{aligned}

또한 ff 는 [0,1/2][0,1/2] 에서 음수 값도 갖는다:

f(1/2)=cos⁡(π/2)−sin⁡(π)−1/2=0−0−1/2=−1/2\begin{aligned} f(1/2) &= \sqrt{\cos(\pi/2)}-\sin(\pi)-1/2 = 0-0-1/2 = -1/2 \end{aligned}

(f(1/3)=(2−3)/2−1/2f(1/3)=(\sqrt{2}-\sqrt{3})/2-1/2 도 마찬가지로 성립함에 주목하자.)

따라서 f(x)f(x) 가 [0,1/2)[0,1/2) 에서 연속이고 f(0)>0f(0)>0 이면서 f(1/2)<0f(1/2)<0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 c∈(0,1/2)c\in (0,1/2) 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=cos⁡(πx)−sin⁡(2πx)−1/2f(x) = \sqrt{\cos(\pi x)} - \sin(2\pi x) -1/2. This function is continuous provided cos⁡(πx)≥0\cos(\pi x)\geq 0. This is true for 0≤x≤120 \leq x \leq \frac{1}{2}.

Now ff takes positive values on [0,1/2][0,1/2]:

f(0)=cos⁡(0)−sin⁡(0)−1/2=1−1/2=1/2.\begin{aligned} f(0) &= \sqrt{\cos(0)} - \sin(0) -1/2 = \sqrt{1} -1/2 = 1/2. \end{aligned}

And ff takes negative values on [0,1/2][0,1/2]:

f(1/2)=cos⁡(π/2)−sin⁡(π)−1/2=0−0−1/2=−1/2\begin{aligned} f(1/2) &= \sqrt{\cos(\pi/2)}-\sin(\pi)-1/2 = 0-0-1/2 = -1/2 \end{aligned}

(Notice that f(1/3)=(2−3)/2−1/2f(1/3)=(\sqrt{2}-\sqrt{3})/2-1/2 also works)

So, because f(x)f(x) is continuous on [0,1/2)[0,1/2) and f(0)>0f(0)>0 while f(1/2)<0f(1/2)<0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number c∈(0,1/2)c\in (0,1/2) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 27번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
11.CLP-1 · 1.6절 · 25번우리말 번역

다음을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요. 1(cos⁡πc)2=c+32\dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 1(cos⁡πc)2=c+32\dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}.

정답·풀이 보기

f(x)=1cos⁡2(πx)−x−32f(x)=\dfrac{1}{\cos^2(\pi x)}-x-\dfrac{3}{2} 라 하자. 그러면 cos⁡x\cos x 는 모든 곳에서 연속이고 구간 (−1/2,1/2)(-1/2, 1/2) 에서 0이 아니므로, f(x)f(x) 는 그 구간에서 연속인 함수이다.

함수 ff 는 음수 값을 갖는다. 예를 들어 x=0x=0 일 때:

f(0)=1cos⁡2(0)−0−32=1−32=−12<0.\begin{aligned} f(0) &= \frac{1}{\cos^2(0)} - 0 - \frac{3}{2} = 1-\frac{3}{2} = -\frac{1}{2} <0. \end{aligned}

또한 양수 값도 갖는다. 예를 들어 x=1/4x=1/4 일 때:

f(1/4)=1(cos⁡π/4)2−14−32=11/2−1+64=2−7/4=1/4>0.\begin{aligned} f(1/4) &= \frac{1}{(\cos \pi/4)^2} - \frac{1}{4} - \frac{3}{2} \\ &= \frac{1}{1/2} - \frac{1+6}{4} \\ &= 2 - 7/4 = 1/4 >0. \end{aligned}

사잇값 정리에 의해 0<c<1/40<c<1/4 이고 f(c)=0f(c)=0 인 cc 가 존재하며, 이때

1(cos⁡πc)2=c+32.\begin{aligned} \dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=1cos⁡2(πx)−x−32f(x)=\dfrac{1}{\cos^2(\pi x)}-x-\dfrac{3}{2}. Then f(x)f(x) is a continuous function on the interval (−1/2,1/2)(-1/2, 1/2) since cos⁡x\cos x is continuous everywhere and non-zero on that interval.

The function ff takes negative values. For example, when x=0x=0:

f(0)=1cos⁡2(0)−0−32=1−32=−12<0.\begin{aligned} f(0) &= \frac{1}{\cos^2(0)} - 0 - \frac{3}{2} = 1-\frac{3}{2} = -\frac{1}{2} <0. \end{aligned}

It also takes positive values, for instance when x=1/4x=1/4:

f(1/4)=1(cos⁡π/4)2−14−32=11/2−1+64=2−7/4=1/4>0.\begin{aligned} f(1/4) &= \frac{1}{(\cos \pi/4)^2} - \frac{1}{4} - \frac{3}{2} \\ &= \frac{1}{1/2} - \frac{1+6}{4} \\ &= 2 - 7/4 = 1/4 >0. \end{aligned}

By the IVT there is cc, 0<c<1/40<c<1/4 such that f(c)=0f(c)=0, in which case

1(cos⁡πc)2=c+32.\begin{aligned} \dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 24번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
12.CLP-1 · 1.6절 · 26번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15 의 근을 포함하는, 길이가 1인 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to find an interval of length one containing a root of f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 다항식이므로 모든 점에서 연속이다. f(a)>0f(a)>0 이고 f(b)<0f(b)<0 인 값 aa, bb 를 찾을 수 있다면, 사잇값 정리에 의해 (a,b)(a,b) 에 f(c)=0f(c)=0 인 cc 가 존재한다. 즉, 구간 [a,b][a,b] 에 근이 있다. 계산하기 쉬운 xx 값부터 대입해 보자.

f(0)=15f(0)=15 이고, f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8 이다. 0 은 f(0)f(0) 과 f(1)f(1) 사이에 있고 ff 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)=0f(x)=0 인 xx 가 [0,1][0,1] 에 반드시 존재한다. 즉, [0,1][0,1] 에 근이 있다.

이 구간이 가장 찾기 쉬운 구간이었다. 계속 대입해 보면 두 구간을 더 찾을 수 있다. f(−1)=26f(-1)=26 (양수)이고 f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (음수)이므로 [−2,−1][-2,-1] 에 근이 있다.

계산이 까다롭지만 [14,15][14,15] 에도 근이 있다.

이것은 중요한 요령이다. 차수가 높은 다항식은 근의 정확한 값을 구하는 것이 불가능한 경우가 많다. 사잇값 정리를 이용하면 적어도 근이 반드시 있는 범위를 제시할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

f(x)f(x) is a polynomial, so it's continuous everywhere. If we can find values aa and bb so that f(a)>0f(a)>0 and f(b)<0f(b)<0, then by the IVT, there will exist some cc in (a,b)(a,b) where f(c)=0f(c)=0; that is, there is a root in the interval [a,b][a,b]. Let's start plugging in easy values of xx.

f(0)=15f(0)=15, and f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8. Since 0 is between f(0)f(0) and f(1)f(1), and since ff is continuous, by IVT there must be some xx in [0,1][0,1] for which f(x)=0f(x)=0: that is, there is some root in [0,1][0,1].

That was the easiest interval to find. If you keep playing around, you find two more. f(−1)=26f(-1)=26 (positive) and f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (negative), so there is a root in [−2,−1][-2,-1].

The arithmetic is nasty, but there is also a root in [14,15][14,15].

This is an important trick. For high-degree polynomials, it is often impossible to get the exact values of the roots. Using the IVT, we can at least give a range where a root must be.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 23번
# 함수의 연속계산도전자동 분류
13.CLP-1 · 1.6절 · 27번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 73\sqrt[3]{7} 의 소수 근삿값을 적어도 소수 둘째 자리까지 정확하게 구하세요. 계산기를 사용해도 되지만 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈에만 사용할 수 있습니다.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to give a decimal approximation of 73\sqrt[3]{7} that is correct to at least two decimal places. You may use a calculator, but only to add, subtract, multiply, and divide.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)=x3f(x)=x^3 이라 하자. ff 는 다항식이므로 모든 곳에서 연속이다. f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b) 이면 73\sqrt[3]{7} 은 aa 와 bb 사이에 있다. 이 부등식을 만족시키면서 서로 매우 가까운 aa 와 bb 를 찾을 수 있다면, 73\sqrt[3]{7} 의 좋은 근삿값을 얻을 수 있다.

  • 정수부터 시작해 보자. 13<7<231^3<7<2^3 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1,2)(1,2) 에 있다.
  • 범위를 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.5)f(1.5) 를 살펴보자. (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.5,2)(1.5,2) 에 있다.
  • 더 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.75)f(1.75) 를 살펴보자. (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.75,2)(1.75,2) 에 있다.
  • 여러 값을 시험해 보면 f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2) 임을 알 수 있으므로 73\sqrt[3]{7} 은 1.91.9 와 22 사이에 있다.
  • 더 시험해 보면 f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92) 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 (1.91,1.92)(1.91,1.92) 에 있다.
  • 73\sqrt[3]{7} 을 소수 둘째 자리까지 반올림한 근삿값을 얻으려면 73\sqrt[3]{7} 이 1.9151.915 보다 큰지 작은지를 알아야 한다. 실제로 f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7 이므로 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915 이고, 따라서 소수 둘째 자리까지 반올림하면 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91 이다.

이것이 73\sqrt[3]{7} 을 어림하는 당연한 방법으로 느껴진다면 잘 이해한 것이다. 사잇값 정리는 매우 직관적인 원리를 정식으로 나타낸 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=x3f(x)=x^3. Since ff is a polynomial, it is continuous everywhere. If f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b), then 73\sqrt[3]{7} is somewhere between aa and bb. If we can find aa and bb that satisfy these inequalities, and are very close together, that will give us a good approximation for 73\sqrt[3]{7}.

  • Let's start with integers. 13<7<231^3<7<2^3, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1,2)(1,2).
  • Let's narrow this down, say by testing f(1.5)f(1.5). (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.5,2)(1.5,2).
  • Let's narrow further, say by testing f(1.75)f(1.75). (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.75,2)(1.75,2).
  • Testing various points, we find f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2), so 73\sqrt[3]{7} is between 1.91.9 and 22.
  • By testing more, we find f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92), so 73\sqrt[3]{7} is in (1.91,1.92)(1.91,1.92).
  • In order to get an approximation for 73\sqrt[3]{7} that is rounded to two decimal places, we have to know whether 73\sqrt[3]{7} is greater or less than 1.9151.915; indeed f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7, so 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915; then rounded to two decimal places, 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91.

If this seems like the obvious way to approximate 73\sqrt[3]{7}, that's good. The IVT is a formal statement of a very intuitive principle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 26번
# 함수의 연속계산도전자동 분류
14.CLP-1 · 1.6절 · 28번우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 구간 [a,b][a,b] 에서 연속인 함수이고 f(a)≤g(a)f(a) \leq g(a), g(b)≤f(b)g(b)\leq f(b) 라 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], with f(a)≤g(a)f(a) \leq g(a) and g(b)≤f(b)g(b)\leq 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
  • f(a)=g(a)f(a)=g(a) 또는 f(b)=g(b)f(b)=g(b) 이면 단순히 c=ac=a 또는 c=bc=b 로 잡으면 된다.
  • f(a)≠g(a)f(a) \neq g(a) 이고 f(b)≠g(b)f(b) \neq g(b) 라 하자. 그러면 f(a)<g(a)f(a)<g(a) 이고 g(b)<f(b)g(b)<f(b) 이므로 h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 로 정의하면 h(a)<0h(a)<0 이고 h(b)>0h(b)>0 이다. hh 는 [a,b][a,b] 에서 연속인 두 함수의 차이므로 hh 도 [a,b][a,b] 에서 연속이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 h(c)=0h(c)=0 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. 즉, f(c)=g(c)f(c)=g(c) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
  • If f(a)=g(a)f(a)=g(a), or f(b)=g(b)f(b)=g(b), then we simply take c=ac=a or c=bc=b.
  • Suppose f(a)≠g(a)f(a) \neq g(a) and f(b)≠g(b)f(b) \neq g(b). Then f(a)<g(a)f(a)<g(a) and g(b)<f(b)g(b)<f(b), so if we define h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x), then h(a)<0h(a)<0 and h(b)>0h(b)>0. Since hh is the difference of two functions that are continuous over [a,b][a,b], also hh is continuous over [a,b][a,b]. So, by the Intermediate Value Theorem, there exists some c∈(a,b)c \in (a,b) with h(c)=0h(c)=0; that is, f(c)=g(c)f(c)=g(c).
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