문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

롤의 정리와 평균값 정리

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CLP-1 · 2.13절 · 14번우리말 번역

방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 실수 해를 몇 개 가지는지 구하세요.

영어 원문 보기

How many positive-valued solutions does the equation ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) have?

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방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 양의 해의 개수를 구하려고 한다. 아래 그림은 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 의 그래프이다. ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 해는 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 가 만나는 점의 xx 값과 정확히 같다.

그림

x≥0x\ge 0 에서 두 그래프는 정확히 한 번 만나는 것으로 보이며, 그 교점은 x=0x=0 과 x=1x=1 사이에 있다. 실제로 [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 이고 [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 이며 f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 0<x<10<x<1 에서 적어도 하나의 근이 존재한다.

그래프가 정확하지 않더라도 두 번째 근이 없음을 보여야 한다.

코사인 함수의 치역이 [−1,1][-1,1] 임을 떠올리자. ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 이면 ex≤4e^x \leq 4 이므로 x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39 이다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 (0,1.4)(0,1.4) 에서만 찾으면 되고, 그 밖에는 근이 없음이 보장된다. 이 구간에서 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8) 이므로 sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0 이고, 따라서 f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0 이다. f′(x)f'(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 갖지 않으므로, 롤의 정리에 의해 f(x)f(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 많아야 하나 가진다(따라서 양의 근은 전체에서 많아야 하나이다). 앞에서 f(x)f(x) 의 근이 (0,1)(0,1) 에 존재함을 이미 보였으므로, ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 해를 정확히 하나 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the number of positive solutions to the equation ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x). The figure below contains the graphs of y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x). The solutions to ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) are precisely the xx's where y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) cross.

figure

It sure looks like there is exactly one crossing with x≥0x\ge 0 and that one crossing is somewhere between x=0x=0 and x=1x=1. Indeed since [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 and [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 and f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that there is at least one root with 0<x<10<x<1.

We still have to show that there is no second root — even if our graphs are not accurate.

Recall that the range of the cosine function is [−1,1][-1,1]. If ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x), then ex≤4e^x \leq 4, so x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39. So, we only need to search for roots of f(x)f(x) on the interval (0,1.4)(0,1.4): we are guaranteed there are no roots elsewhere. Over this interval, 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8), so sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0, and thus f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0. Since f′(x)f'(x) has no roots in (0,1.4)(0,1.4), we conclude by Rolle's Theorem that f(x)f(x) has at most one root in (0,1.4)(0,1.4) (and so at most one positive root total). Since we've already found that a root of f(x)f(x) exists in (0,1)(0,1), we conclude ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) has precisely one positive-valued solution.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 4.4절 · 34번우리말 번역

다음 연습문제에서, 주어진 구간 [a,b][a,b] 에서 다음 함수에 평균값 정리를 적용할 수 있는지 판단하세요. 답의 근거를 설명하세요.

y=5+∣x∣y=5+|x| ([−1,1][-1,1] 에서)

다 풀었으면 정답 확인

평균값 정리를 적용할 수 없다. x=0x=0 에서 미분가능하지 않다.

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