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.

17문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 2.4절 · 22번우리말 번역

[계산기 사용] “t 의 코사인 값은 t 의 세제곱과 같다.”라는 문장을 이용하세요.

a. 이 문장을 수학적 방정식으로 나타내세요. b. a의 방정식이 적어도 하나의 실근을 가짐을 보이세요. c. 계산기를 이용하여 해를 포함하는 길이 0.01 의 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

[T] Use the statement “The cosine of t is equal to t cubed.”

a. Write a mathematical equation of the statement. b. Prove that the equation in part a. has at least one real solution. c. Use a calculator to find an interval of length 0.01 that contains a solution.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 1.5절 · 2번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 1권 · 2.4절 · 31번우리말 번역

다음 각 명제가 참인지 판단하세요. 설명이나 반례로 답을 뒷받침하세요.

f(t)=2et−e−tf(t)=\frac{2}{{e}^{t}-{e}^{-t}} 는 모든 곳에서 연속이다.

영어 원문 보기

Determine whether each of the given statements is true. Justify your response with an explanation or counterexample.

f(t)=2et−e−tf(t)=\frac{2}{{e}^{t}-{e}^{-t}} is continuous everywhere.

정답·풀이 보기

거짓. (−∞,0)∪(0,∞)(-\infty ,0)\cup (0,\infty ) 에서 연속이다.

원본 교재 풀이(영어)

False. It is continuous over (−∞,0)∪(0,∞).(-\infty ,0)\cup (0,\infty ).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 33번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 1권 · 2.4절 · 36번우리말 번역

주어진 각 명제가 참인지 판단하세요. 설명이나 반례로 답을 뒷받침하세요.

함수 f(x)=x2−4x+3x2−1f(x)=\frac{{x}^{2}-4x+3}{{x}^{2}-1} 은 구간 [0,3][0,3] 에서 연속이다.

영어 원문 보기

Determine whether each of the given statements is true. Justify your response with an explanation or counterexample.

The function f(x)=x2−4x+3x2−1f(x)=\frac{{x}^{2}-4x+3}{{x}^{2}-1} is continuous over the interval [0,3].[0,3].

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 39번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 1권 · 2.4절 · 43번우리말 번역

다음 함수가 모든 곳에서 연속임을 증명하세요.

f(θ)=sin⁡θf(\theta )=\sin \theta

영어 원문 보기

Prove the following functions are continuous everywhere

f(θ)=sin⁡θf(\theta )=\sin \theta

정답·풀이 보기

모든 값에 대해 a,f(a)a,f(a) 가 정의되고, lim⁡θ→af(θ)\lim_{\theta \to a}f(\theta ) 가 존재하며, lim⁡θ→af(θ)=f(a)\lim_{\theta \to a}f(\theta )=f(a) 이다. 따라서 f(θ)f(\theta ) 는 모든 곳에서 연속이다.

원본 교재 풀이(영어)

For all values of a,f(a)a,f(a) is defined, lim⁡θ→af(θ)\lim_{\theta \to a}f(\theta ) exists, and lim⁡θ→af(θ)=f(a).\lim_{\theta \to a}f(\theta )=f(a). Therefore, f(θ)f(\theta ) is continuous everywhere.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 29번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 1권 · 2.4절 · 44번우리말 번역

다음 함수가 모든 점에서 연속임을 증명하세요

g(x)=∣x∣g(x)=|x|

영어 원문 보기

Prove the following functions are continuous everywhere

g(x)=∣x∣g(x)=|x|

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 1.5절 · 5번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 1권 · 2.4절 · 45번우리말 번역

다음 함수가 모든 곳에서 연속임을 증명하세요

f(x)={0 만약 x 가 무리수이면1 만약 x 가 유리수이면f(x)=\left\{\begin{array}{l}0\,\text{만약}\,x\,\text{가 무리수이면} \\ 1\,\text{만약}\,x\,\text{가 유리수이면}\end{array}\right. 은(는) 어디에서 연속인가요?

영어 원문 보기

Prove the following functions are continuous everywhere

Where is f(x)={0 if x is irrational1 if x is rationalf(x)=\left\{\begin{array}{l}0\,\text{if}\,x\,\text{is irrational} \\ 1\,\text{if}\,x\,\text{is rational}\end{array}\right. continuous?

정답·풀이 보기

어디에서도 연속이 아니다

원본 교재 풀이(영어)

Nowhere

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 37번
# 함수의 연속증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-1 · 1.6절 · 12번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 함수 f(x)=x3+x2+x+1f(x)=x^3+x^2+x+1 이 정의역에서 값 12345를 적어도 한 번 가짐을 보이세요.

영어 원문 보기

Use the Intermediate Value Theorem to show that the function f(x)=x3+x2+x+1f(x)=x^3+x^2+x+1 takes on the value 12345 at least once in its domain.

정답·풀이 보기

ff 는 다항식이므로 모든 실수에서 연속이다. f(0)=1<12345f(0)=1<12345 이고 f(12345)=123453+123452+12345+1>12345f(12345)=12345^3+12345^2+12345+1>12345 이다(모든 항이 양수이므로). 따라서 사잇값 정리에 의해 00 과 1234512345 사이의 어떤 cc 에 대해 f(c)=12345f(c)=12345 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since ff is a polynomial, it is continuous over all real numbers. f(0)=1<12345f(0)=1<12345 and f(12345)=123453+123452+12345+1>12345f(12345)=12345^3+12345^2+12345+1>12345 (since all terms are positive). So by the IVT, f(c)=12345f(c)=12345 for some cc between 00 and 1234512345.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 13번
# 함수의 연속증명·논술보통자동 분류
8.CLP-1 · 1.6절 · 17번우리말 번역

다음 함수가 x=cx=c 에서 연속이 되도록 하는 cc 의 값을 모두 구하세요: f(x)={8−cx일 때x≤cx2일 때x>cf(x)=\left\{\begin{array}{ccc} 8-cx & \text{일 때} & x\le c\\ x^2 & \text{일 때} & x> c \end{array}\right. 연속의 정의를 이용하여 답을 정당화하세요.

영어 원문 보기

Find all values of cc such that the following function is continuous at x=cx=c: f(x)={8−cxifx≤cx2ifx>cf(x)=\left\{\begin{array}{ccc} 8-cx & \text{if} & x\le c\\ x^2 & \text{if} & x> c \end{array}\right. Use the definition of continuity to justify your answer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 구간의 식이 각각 다항식이므로 이 함수는 x≠cx\ne c 에서 연속이다. 따라서 문제는 x=cx=c 에서 연속인지 여부뿐이며, 이를 위해서는 lim⁡x→c−f(x)=f(c)=lim⁡x→c+f(x)\lim_{x\to c^-}f(x)=f(c)=\lim_{x\to c+}f(x) 이어야 한다. 계산하면 lim⁡x→c−f(x)=lim⁡x→c−8−cx=8−c2;\lim_{x\to c^-}f(x)=\lim_{x\to c^-}8-cx = 8-c^2; f(c)=8−c⋅c=8−c2 이고f(c)=8-c\cdot c= 8-c^2\text{ 이고} lim⁡x→c+f(x)=lim⁡x→c+x2=c2.\lim_{x\to c^+}f(x)=\lim_{x\to c^+}x^2=c^2. 따라서 8−c2=c28-c^2=c^2 이어야 하고, 이로부터 c2=4c^2=4, 즉 c=−2c=-2 또는 c=2c=2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is continuous for x≠cx\ne c since each of those two branches are polynomials. So, the only question is whether the function is continuous at x=cx=c; for this we need lim⁡x→c−f(x)=f(c)=lim⁡x→c+f(x).\lim_{x\to c^-}f(x)=f(c)=\lim_{x\to c+}f(x). We compute lim⁡x→c−f(x)=lim⁡x→c−8−cx=8−c2;\lim_{x\to c^-}f(x)=\lim_{x\to c^-}8-cx = 8-c^2; f(c)=8−c⋅c=8−c2 andf(c)=8-c\cdot c= 8-c^2\text{ and} lim⁡x→c+f(x)=lim⁡x→c+x2=c2.\lim_{x\to c^+}f(x)=\lim_{x\to c^+}x^2=c^2. So, we need 8−c2=c28-c^2=c^2, which yields c2=4c^2=4, i.e. c=−2c=-2 or c=2c=2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 18번
# 함수의 연속증명·논술보통자동 분류
9.CLP-1 · 1.6절 · 18번우리말 번역

다음 함수가 모든 점에서 연속이 되도록 하는 cc 의 값을 모두 구하세요:

f(x)={x2+cx≥0cos⁡cxx<0\begin{aligned} f(x) &= \begin{cases} x^2+c & x\geq 0\\ \cos cx & x< 0 \end{cases} \end{aligned}

연속의 정의를 이용하여 답을 정당화하세요.

영어 원문 보기

Find all values of cc such that the following function is continuous everywhere:

f(x)={x2+cx≥0cos⁡cxx<0\begin{aligned} f(x) &= \begin{cases} x^2+c & x\geq 0\\ \cos cx & x< 0 \end{cases} \end{aligned}

Use the definition of continuity to justify your answer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

x2+cx^2+c 와 cos⁡cx\cos cx 가 모든 점에서 연속이므로 이 함수는 x≠0x \ne 0 에서 연속이다. 이제 x=0x=0 에서의 연속성을 확인해야 한다. 이를 위해 다음 세 값이 같음을 확인해야 한다.

lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+x2+c=cf(0)=clim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−cos⁡cx=cos⁡0=1\begin{aligned} \lim_{x \to 0^+} f(x) &= \lim_{x\to 0^+} x^2+c = c\\ f(0) &= c \\ \lim_{x \to 0^-} f(x) &= \lim_{x\to 0^-} \cos cx = \cos 0 = 1 \end{aligned}

그러므로 c=1c=1 일 때 극한값들이 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is continuous for x≠0x \ne 0 since x2+cx^2+c and cos⁡cx\cos cx are continuous everywhere. It remains to check continuity at x=0x=0. To do this we must check that the following three are equal.

lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+x2+c=cf(0)=clim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−cos⁡cx=cos⁡0=1\begin{aligned} \lim_{x \to 0^+} f(x) &= \lim_{x\to 0^+} x^2+c = c\\ f(0) &= c \\ \lim_{x \to 0^-} f(x) &= \lim_{x\to 0^-} \cos cx = \cos 0 = 1 \end{aligned}

Hence when c=1c=1 we have the limits agree.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 19번
# 함수의 연속증명·논술보통자동 분류
10.CLP-1 · 1.6절 · 19번우리말 번역

다음 함수가 연속이 되도록 하는 cc 의 값을 모두 구하세요: f(x)={x2−4(x<c 일 때)3x(x≥c 일 때) .f(x) = \begin{cases} x^2-4 & \text{(}x< c\text{ 일 때)}\\ 3x & \text{(}x \ge c\text{ 일 때)}\,.\end{cases} 연속의 정의를 이용하여 답을 설명하세요.

영어 원문 보기

Find all values of cc such that the following function is continuous: f(x)={x2−4if x<c3xif x≥c .f(x) = \begin{cases} x^2-4 & \text{if } x< c\\ 3x & \text{if } x \ge c\,. \end{cases} Use the definition of continuity to justify your answer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 구간에서 함수는 각각 다항식으로 정의되므로 x≠cx\ne c 에서 함수는 연속이다. 따라서 문제가 되는 것은 x=cx=c 에서 함수가 연속인지 여부뿐이다. 또한 lim⁡x→c−f(x)=c2−4\lim_{x\to c^-}f(x) = c^2-4 이고 lim⁡x→c+f(x)=f(c)=3c \lim_{x\to c^+}f(x) = f(c) = 3c\, 이다. 연속이려면 두 극한과 함숫값이 모두 일치해야 하므로, ff 가 연속일 필요충분조건은 c2−4=3cc^2-4 = 3c 이다. 즉 필요충분조건은 c2−3c−4=0 c^2-3c-4 = 0\, 이다. 이를 (c−4)(c+1)=0(c-4)(c+1) = 0 으로 인수분해하면 c=−1c=-1 또는 c=+4c=+4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is continuous for x≠cx\ne c since each of those two branches are defined by polynomials. Thus, the only question is whether the function is continuous at x=cx=c. Furthermore, lim⁡x→c−f(x)=c2−4\lim_{x\to c^-}f(x) = c^2-4 and lim⁡x→c+f(x)=f(c)=3c .\lim_{x\to c^+}f(x) = f(c) = 3c\,. For continunity we need both limits and the value to agree, so ff is continuous if and only if c2−4=3cc^2-4 = 3c, that is if and only if c2−3c−4=0 .c^2-3c-4 = 0\,. Factoring this as (c−4)(c+1)=0(c-4)(c+1) = 0 yields c=−1c=-1 or c=+4c=+4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 31번
# 함수의 연속증명·논술보통자동 분류
11.CLP-1 · 1.6절 · 20번우리말 번역

다음 함수가 연속이 되도록 하는 cc 의 모든 값을 구하세요. f(x)={6−cx일 때x≤2cx2일 때x>2cf(x)=\left\{\begin{array}{ccc} 6-cx & \text{일 때} & x\le 2c\\ x^2 & \text{일 때} & x> 2c \end{array}\right.연속의 정의를 이용하여 답을 근거와 함께 설명하세요.

영어 원문 보기

Find all values of cc such that the following function is continuous: f(x)={6−cxifx≤2cx2ifx>2cf(x)=\left\{\begin{array}{ccc} 6-cx & \text{if} & x\le 2c\\ x^2 & \text{if} & x> 2c \end{array}\right.Use the definition of continuity to justify your answer.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

두 구간의 식이 각각 다항식이므로 함수는 x≠2cx\ne 2c 에서 연속이다. 따라서 남은 문제는 함수가 x=2cx=2c 에서 연속인지 여부뿐이며, 이를 위해서는 lim⁡x→2c−f(x)=f(2c)=lim⁡x→2c+f(x)\lim_{x\to 2c^-}f(x)=f(2c)=\lim_{x\to 2c+}f(x) 이어야 한다. 각각 계산하면 lim⁡x→2c−f(x)=lim⁡x→2c−6−cx=6−2c2;\lim_{x\to 2c^-}f(x)=\lim_{x\to 2c^-}6-cx = 6-2c^2; f(2c)=6−c⋅2c=6−2c2이고f(2c)=6-c\cdot 2c= 6-2c^2\text{이고} lim⁡x→2c+f(x)=lim⁡x→2c+x2=4c2\lim_{x\to 2c^+}f(x)=\lim_{x\to 2c^+}x^2=4c^2 이다. 따라서 6−2c2=4c26-2c^2=4c^2 이어야 하므로 c2=1c^2=1, 즉 c=−1c=-1 또는 c=1c=1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is continuous for x≠2cx\ne 2c since each of those two branches are polynomials. So, the only question is whether the function is continuous at x=2cx=2c; for this we need lim⁡x→2c−f(x)=f(2c)=lim⁡x→2c+f(x).\lim_{x\to 2c^-}f(x)=f(2c)=\lim_{x\to 2c+}f(x). We compute lim⁡x→2c−f(x)=lim⁡x→2c−6−cx=6−2c2;\lim_{x\to 2c^-}f(x)=\lim_{x\to 2c^-}6-cx = 6-2c^2; f(2c)=6−c⋅2c=6−2c2 andf(2c)=6-c\cdot 2c= 6-2c^2\text{ and} lim⁡x→2c+f(x)=lim⁡x→2c+x2=4c2.\lim_{x\to 2c^+}f(x)=\lim_{x\to 2c^+}x^2=4c^2. So, we need 6−2c2=4c26-2c^2=4c^2, which yields c2=1c^2=1, i.e. c=−1c=-1 or c=1c=1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 23번
# 함수의 연속증명·논술보통자동 분류
12.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
13.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
14.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
15.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
16.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
17.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