문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 함수의 극한과 연속

함수의 연속

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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 문제CLP-1 · 1.6절 · 22번우리말 번역

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

다 풀었으면 정답 확인

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.

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