문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 함수의 극한과 연속

함수의 연속

한 점에서 연속인 조건(함숫값=극한값)을 확인하고 불연속인 곳을 찾는다

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.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
2.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
3.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
4.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
5.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
6.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).
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 9번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류