문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

롤의 정리와 평균값 정리

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-1 · 2.13절 · 4번우리말 번역

다음 성질을 만족하는 함수 f(x)f(x) 를 하나 제시하세요.

  • f(x)f(x) 는 열린구간 0<x<100<x<10 에서 미분가능하다.
  • f(0)=0f(0)=0, f(10)=10f(10)=10

그러나 모든 c∈(0,10)c \in (0,10) 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다.

영어 원문 보기

Give a function f(x)f(x) with the properties that:

  • f(x)f(x) is differentiable on the open interval 0<x<100<x<10
  • f(0)=0f(0)=0, f(10)=10f(10)=10

but for all c∈(0,10)c \in (0,10), f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서 미분가능하므로 f(x)f(x) 는 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서 연속이기도 하다. 만약 f(x)f(x) 가 닫힌구간 [0,10][0,10] 에서 연속이라면 평균값 정리에 의해 어떤 c∈(0,10)c \in (0,10) 에 대해 f′(x)=f(10)−f(0)10−0=1f'(x)=\dfrac{f(10)-f(0)}{10-0}=1 이 보장된다. 그러나 이 경우는 그렇지 않다. 따라서 f(x)f(x) 는 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서는 연속이지만, 모든 x∈[0,10]x \in [0,10] 에서는 연속이 아니어야 한다.

c∈(0,10)c \in (0,10) 에서 f′(c)=0f'(c)=0 이므로 ff 는 그 구간에서 상수함수이다. 따라서 f(x)f(x) 는 다음과 같은 함수이다.

그림

여기서 상수함수의 높이는 어떤 값이어도 된다.

따라서 가능한 답 중 하나는 f(x)={0x≠1010x=10f(x) = \left\{\begin{array}{lr} 0&x \neq 10\\ 10&x=10 \end{array}\right. 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is differentiable for all x∈(0,10)x \in (0,10), then f(x)f(x) is also continuous for all x∈(0,10)x \in (0,10). If f(x)f(x) were continuous on the closed interval [0,10][0,10], then the MVT would guarantee f′(x)=f(10)−f(0)10−0=1f'(x)=\dfrac{f(10)-f(0)}{10-0}=1 for some c∈(0,10)c \in (0,10); however, this is not the case. So, it must be that f(x)f(x) is continuous for all x∈(0,10)x \in (0,10), but not for all x∈[0,10]x \in [0,10].

Since f′(c)=0f'(c)=0 for c∈(0,10)c \in (0,10), that means ff is constant on that interval. So, f(x)f(x) is a function like this:

figure

where the height of the constant function can be anything.

So, one possible answer is f(x)={0x≠1010x=10f(x) = \left\{\begin{array}{lr} 0&x \neq 10\\ 10&x=10 \end{array}\right..

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.13절 · 5번우리말 번역

아래 각 부분에 대해, 모든 실수에서 연속이고 미분가능하며 f(1)=f(2)=0f(1)=f(2)=0 이고 제시된 성질을 갖는 함수 f(x)f(x) (각 부분마다 서로 다른 함수)의 그래프를 그리세요. 그런 함수가 존재하지 않는다면 그 이유를 설명하세요.

(a) f′(c)=0f'(c)=0 인 점 c∈(1,2)c \in (1,2) 가 없다 (b) f′(c)=0f'(c)=0 인 점 c∈(1,2)c \in (1,2) 가 정확히 하나 있다 (c) f′(c)=0f'(c)=0 인 점 c∈(1,2)c \in (1,2) 가 정확히 다섯 개 있다 (d) f′(c)=0f'(c)=0 인 점 c∈(1,2)c \in (1,2) 가 무수히 많이 있다

다 풀었으면 정답 확인

(a) 그런 함수는 존재할 수 없다. 롤의 정리에 의해 적어도 한 점 c∈(1,2)c \in (1,2) 에서 f′(c)=0f'(c)=0 이 보장된다.

나머지 함수들의 예는 아래와 같으나, 가능한 답은 많다.

그림

그림

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