문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분의 활용

함수의 평균값

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

CLP-2 · 2.2절 · 28번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 는 양의 값을 갖는 연속함수이고 lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0 이라 하자. 또 A(x)A(x) 를 [0,x][0,x] 에서 f(x)f(x) 의 평균이라 하자.

lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0 은 참인지 거짓인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a positive, continuous function with lim⁡x→∞f(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} f(x)=0, and let A(x)A(x) be the average of f(x)f(x) on [0,x][0,x].

True or false: lim⁡x→∞A(x)=0\lim\limits_{x \to \infty} A(x) = 0.

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이 명제는 참일 것 같다. xx 가 무한대로 커짐에 따라 ff 가 0에 점점 가까워지면, 시간이 지날수록 뒤쪽의 값들이 우리가 보는 전체 구간에서 차지하는 비중이 점점 커지므로, xx 가 클 때 평균은 f(x)f(x), 즉 0과 점점 비슷해질 것이다. 이는 출발점이 되는 직관일 뿐 엄밀한 논증은 아니다. 놓친 것이 없는지 확인하기 위해 평균의 정의를 이용하여 A(x)A(x) 를 나타내 보자.

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dt만약 ∫0∞f(t) dt 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. f(x) 가 양수이므로 lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{만약 $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ 가 수렴하면 이 극한은 0이므로 명제는 참이다. 그러므로 수렴하지 않는다고 하자. $f(x)$ 가 양수이므로 $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$ 이고, 따라서 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 분자를 미분할 때는 미적분의 기본 정리 1부를 사용한다.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

따라서 ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t 가 수렴하든 수렴하지 않든 명제는 참이다.

원본 교재 풀이(영어)

This seems like it might be true: if ff is getting closer and closer to zero, as xx grows towards infinity, then over time the later values will become a larger and larger portion of the total interval we're looking at, and so the average should look more and more like f(x)f(x) when xx is large–that is, like 0. That's some intuition to start us out, but it isn't a rigorous argument. To be sure we haven't overlooked something, let's use the definition of an average to express A(x)A(x).

A(x)=1x∫0xf(t) dtlim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞1x∫0xf(t) dtIf ∫0∞f(t) dt converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since f(x) is positive, that means lim⁡x→∞∫0xf(t) d(t)=∞, so we can use l’Hoˆpital’s rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.lim⁡x→∞A(x)=lim⁡x→∞∫0xf(t) dtx=lim⁡x→∞f(t)1=0\begin{aligned} A(x)&=\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t\\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{1}{x}\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t \\ \text{If $\int_0^\infty f(t) \,\mathrm{d}t$ converges, then this limit is 0, and the statement is true. So, suppose it does not converge. Since $f(x)$ is positive, that means $\lim\limits_{x \to \infty} \int_0^x f(t)\,\mathrm{d}(t) = \infty$, so we can use l'H\^{o}pital's rule. To differentiate the numerator, we use the Fundamental Theorem of Calculus part 1.} \\ \lim_{x \to \infty}A(x)&=\lim_{x \to \infty}\frac{\int_0^x f(t)\,\mathrm{d}t}{x} = \lim_{x \to \infty}\frac{f(t)}{1}=0 \end{aligned}

So, the statement is true whether ∫0xf(t) dt\int_0^xf(t)\,\mathrm{d}t converges or not.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 2.2절 · 25번우리말 번역

f(x)f(x) 가 구간 [a,b][a,b] 의 모든 수에서 정의된 함수이고, 이 구간에서의 평균값이 AA 라 하자. 구간 [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값을 구하세요.

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구간 [a,b][a,b] 에서 함수 g(x)=f(a+b−x)g(x)=f(a+b-x) 는 함수 f(x)f(x) 의 좌우를 뒤집은 것이며, g(a)=f(b)g(a)=f(b) 이고 g(b)=f(a)g(b)=f(a) 이다. 따라서 ∫abf(a+b−x) dx=∫abf(x) dx\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이고, 그러므로 1b−a∫abf(a+b−x) dx=1b−a∫abf(x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x = \frac{1}{b-a}\int_a^bf(x)\,\mathrm{d}x 이므로, [a,b][a,b] 에서 f(a+b−x)f(a+b-x) 의 평균값은 AA 이다.

다른 방법으로, 치환 u=a+b−xu=a+b-x, dx=−dx\mathrm{d}x=-\mathrm{d}x 를 써서 1b−a∫abf(a+b−x) dx\frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x 를 직접 계산할 수도 있다.

1b−a∫abf(a+b−x) dx=−1b−a∫u(a)u(b)f(u) du=−1b−a∫baf(u) du=1b−a∫abf(u) du=A\begin{aligned} \frac{1}{b-a}\int_a^b f(a+b-x)\,\mathrm{d}x&=\frac{-1}{b-a}\int_{u(a)}^{u(b)} f(u)\,\mathrm{d}u\\ &=\frac{-1}{b-a}\int_{b}^{a} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=\frac{1}{b-a}\int_{a}^{b} f(u)\,\mathrm{d}u \\&=A \end{aligned}

이 문제로 이어서 풀기
# 함수의 평균값개념 확인도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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