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 · 23번우리말 번역

f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 은 몇 개의 근을 가지는지 구하세요.

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How many roots does f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 have?

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방정식 x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해의 개수를 구해야 한다. 아래 그림에는 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 의 그래프가 있다. x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해는 바로 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 가 만나는 점의 xx 값이다.

그림

그림을 보면 두 그래프는 두 번 만나는 것처럼 보인다. 함수 −sin⁡x-\sin x 의 치역이 [−1,1][-1,1] 이므로, 두 함수가 만난다면 −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 이기도 하다. 이차함수에서 이 부분은 그림에서 파란색으로 표시되어 있다. 파란 호의 양 끝점의 xx 좌표는 x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1 을 풀어 구한다. 즉 x=0x=0, −5-5, 그리고 (이차방정식을 이용하면) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2} 이다.

이제 위 그림으로 얻은 직관을 활용하여, f(x)f(x) 가 근을 정확히 두 개 가짐을 보이는 간결한 논증을 쓸 수 있다. 일반적으로 함수가 nn 개의 근을 가짐을 보이려면, 서로 다른 nn 개의 근이 어딘가에 존재함을 보이고, 서로 다른 n+1n+1 개의 근은 존재하지 않음을 보여야 함을 기억하자. 이 논증은 아래 파란 글씨로 주어진다.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이다.
  • f(x)=0f(x)=0 인 경우는 −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1 일 때뿐이고, 이는 ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1 일 때만 일어난다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 와 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에만 있다.
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0 이고, f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f(0)=1>0f(0)=1>0 이고, f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5 이다. f′(x)=0f'(x)=0 이면 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x 이므로 ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1 이다. 따라서 f′(x)f'(x) 의 근을 포함할 수 있는 구간은 [−3,−2][-3,-2] 뿐이다.
  • f(x)f(x) 가 두 개보다 많은 근을 가진다고 가정하자. 그러면 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 에 근이 두 개 있거나 또는 구간 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에 근이 두 개 있다. f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 롤의 정리에 의해 f′(x)f'(x) 는 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 또는 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에서 근을 가진다. 그러나 f′(x)f'(x) 의 모든 근은 구간 [−3,−2][-3,-2] 안에 있고, 이 구간은 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 및 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 와 공통인 점이 없으므로 이는 불가능하다. 따라서 f(x)f(x) 는 두 개보다 많은 근을 가지지 않는다.

그림

  • f(x)f(x) 는 적어도 두 개의 근을 가지고 두 개보다 많은 근은 가지지 않으므로, f(x)f(x) 는 근을 정확히 두 개 가진다.
원본 교재 풀이(영어)

We are asked to find the number of solutions to the equation x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x. The figure below contains the graphs of y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x. The solutions to x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x are precisely the xx's where y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x cross.

figure

From the figure, it sure looks like there are two crossings. Since the function −sin⁡x-\sin x has range [−1,1][-1,1], if the two functions cross, then also −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 . This portion of the quadratic function is highlighted in blue in the figure. The xx coordinates of the end points of the blue arcs are found by solving x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1, i.e. x=0x=0, −5-5, and (using the quadratic equation) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2}.

We are now in a position to exploit the intuition that we have built using the above figure to write a concise argument showing that f(x)f(x) has exactly two roots. Remember that, in general, if we want to show that a function has nn roots, we need to show that there exist nn distinct roots somewhere, and that there do not exist n+1n+1 distinct roots. This argument is given below, in blue text.

  • f(x)f(x) is continuous over all real numbers
  • f(x)=0f(x)=0 only when −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1, which only happens when ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1. Thus, f(x)f(x) only has roots in the intervals [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] and [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right].
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0, and f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right).
  • f(0)=1>0f(0)=1>0, and f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right).
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5. If f′(x)=0f'(x)=0, then 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x, so ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1. So, the only interval that can contain roots of f′(x)f'(x) is [−3,−2][-3,-2].
  • Suppose f(x)f(x) has more than two roots. Then it has two roots in the interval [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] OR it has two roots in the interval [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right]. Since f(x)f(x) is differentiable for all real numbers, Rolle's Theorem tells us that f′(x)f'(x) has a root in (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or in (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right). However, since all roots of f′(x)f'(x) are in the interval [−3,−2][-3,-2], and this interval shares no points with (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right), this cannot be the case. Therefore f(x)f(x) does not have more than two roots.

figure

  • Since f(x)f(x) has at least two roots, and not more than two roots, f(x)f(x) has exactly two roots.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.13절 · 8번우리말 번역

f(x)=ex+(1−e)x2−1f(x)=e^x + (1-e)x^2 - 1 이라 하자. f′(c)=0f'(c)=0 인 실수 cc 가 존재함을 보이세요.

다 풀었으면 정답 확인

f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(이 함수는 모든 실수에서 미분가능하다) 다음을 만족하는 c∈(0,1)c\in (0,1) 이 존재함을 얻는다. f′(c)=f(1)−f(0)1−0=0.f'(c)=\frac{f(1)- f(0)}{1 - 0} = 0.

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