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 · 20번우리말 번역

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 라 하자. f(x)f(x) 가 일대일함수가 되는, x=0x=0 을 포함하는 가장 큰 구간은 무엇인가? ff 를 이 구간으로 제한할 때, f−1(x)f^{-1}(x) 의 정의역과 치역은 무엇인가?

영어 원문 보기

Let f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x. What is the largest interval containing x=0x=0 over which f(x)f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)f^{-1}(x), if we restrict ff to this interval?

정답·풀이 보기

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간의 서로 다른 두 수에서 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 aa, bb 에 대해 f(a)=f(b)f(a)=f(b) 이면 aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x 이므로, 어떤 정수 nn 에 대해 x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} 일 때 f′(x)=0f'(x)=0 이다. 따라서 특히 aa 와 bb 가 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 의 서로 다른 수이면, aa 와 bb 사이에 있는 모든 cc (양 끝은 제외)에 대해 f′(c)≠0f'(c) \neq 0 이므로 롤의 정리에 의해 f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b) 이다. 그러므로 f(x)f(x) 는 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 에서 일대일함수이다.

또한 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 을 더 넓혀서 f(x)f(x) 가 여전히 일대일함수가 되도록 할 수는 없음을 보여야 한다. 도함수 f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x 를 생각하자. −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3} 인 모든 xx 에 대해 cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} 이므로 (cos⁡x\cos x 의 그래프를 직접 그려 보세요) f′(x)>0f'(x)>0 이고 f(x)f(x) 는 증가한다. 그러나 x=2π3x=\frac{2\pi}{3} 에서 f′(x)=0f'(x)=0 이고, xx 가 2π3\frac{2\pi}{3} 보다 조금 크면 cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} 이므로 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f(x)f(x) 는 감소한다. 따라서 그래프가 “방향을 바꾸어” f(x)f(x) 는 같은 값을 다시 갖는다. (y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 아래에서 보세요.) xx 가 −2π3-\frac{2\pi}{3} 보다 조금 작은 경우에도 마찬가지이다.

그림

역함수 f−1(x)f^{-1}(x) 를 정의할 때, 먼저 ff 를 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 로 제한한다. 그러면 f−1f^{-1} 의 치역도 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 이다. f−1f^{-1} 의 정의역은 이 구간에서 ff 의 치역이므로 [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x is one–to–one over an interval, it never takes the same value for two distinct numbers in that interval. By Rolle's Theorem, if f(a)=f(b)f(a)=f(b) for distinct aa and bb, then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc between aa and bb. Since f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x, f′(x)=0f'(x)=0 when x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} for some integer nn. So, in particular, if aa and bb are distinct numbers in the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right], then for every cc strictly between aa and bb, f′(c)≠0f'(c) \neq 0, so by Rolle's Theorem f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b). Therefore f(x)f(x) is one–to–one on the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right].

We should also show that the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] cannot be extended to a larger interval over which f(x)f(x) is still one–to–one. Consider the derivative f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x. For all −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3}, we have cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} (sketch the graph of cos⁡x\cos x yourself) so that f′(x)>0f'(x)>0 and f(x)f(x) is increasing. But at x=2π3x=\frac{2\pi}{3}, f′(x)=0f'(x)=0, and then for xx a bit bigger than 2π3\frac{2\pi}{3} we have cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} so that f′(x)<0f'(x)<0 and f(x)f(x) is decreasing. So the graph “reverses direction", and f(x)f(x) repeats values. (See the graph of y=f(x)y=f(x) below.) The same is true for xx a little smaller than −2π3.-\frac{2\pi}{3}.

figure

When we define the inverse function f−1(x)f^{-1}(x), first we restrict ff to [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. Then the range of f−1f^{-1} is also [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. The domain of f−1f^{-1} is the range of ff over this interval, so [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right].

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.13절 · 21번우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 구간 [a,b][a,b] 에서 연속이고 구간 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 함수라고 하자. 또한 f(a)<g(a)f(a) < g(a) 이고 g(b)<f(b)g(b)< f(b) 라고 하자. f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 인 c∈[a,b]c \in [a,b] 가 존재함을 보이세요.

다 풀었으면 정답 확인

h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 로 놓으면 h(a)=f(a)−g(a)<0h(a)=f(a)-g(a)<0 이고 h(b)=f(b)−g(b)>0h(b)=f(b)-g(b)>0 임을 알 수 있다. hh 는 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 두 함수의 차이므로 hh 도 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능하다. 따라서 평균값 정리에 의해 h′(c)=h(b)−h(a)b−ah'(c)=\frac{h(b)-h(a)}{b-a} 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. (a,b)(a,b) 가 구간이므로 b>ab>a 이고, 따라서 위 식의 분모는 양수이다. 또 h(b)>0>h(a)h(b)>0>h(a) 이므로 위 식의 분자도 양수이다. 그러므로 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 h′(c)>0h'(c)>0 이다. h′(c)=f′(c)−g′(c)h'(c)=f'(c)-g'(c) 이므로, 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 라는 결론을 얻는다.

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