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04 실함수의 극한

5.3 평균값 정리

미분계수는 기하학적으로는 그래프에 접하는 직선의 기울기이다. 따라서 미분을 이용하면 함수의 그래프와 관 련된 여러 가지 성질을 알아낼 수 있다.

정의 5.3.1 함수의 극값

함수  의 정의역이

이고 ∈

라고 하자.

(ⅰ) 만약 의 열린근방

가 존재하여 ∈

일 때마다   ≤  가 성립하면 ‘ 는 에서 극댓  를 가진다’라고 말한다.

(ⅱ) 만약 의 열린근방

가 존재하여 ∈

일 때마다   ≥  가 성립하면 ‘ 는 에서 극솟  를 가진다’라고 말한다.

(ⅲ) 극댓값과 극솟값을 통틀어 극값이라고 부른다.

정의에 의하면 최댓값은 극댓값이고 최솟값은 극솟값이다.

보기

5.3.2  ≔ 

  로 정의된 함수   ℝ → ℝ의 그래프는 다음과 같다.

이때  는 ℝ에서 최댓값이나 최솟값을 갖지 않는다. 그러나 열린구간   에서는 최댓값 을 가진다. 즉

는   에서 극댓값    을 가진다. 또한  는  에서 최솟값 을 가진다. 즉  는   에서 극솟

값    을 가진다. □

보조정리

5.3.3 함수     → ℝ가 ∈  에서 극값을 가지며 미분 가능하면  ′  이다.

증명

일반성을 잃지 않고  가 에서 극댓값을 가진다고 하자. 그러면 양수 가 존재하여 ∈

일 때마다

   ≤  가 성립한다. 즉   이고   ∈  일 때마다        ≤ 이 성립한다.

따라서

    일 때 

      

≤ 이고,      일 때 

      

≥  이므로

′ 

lim

 →  

      

≤  그리고 ′  

lim

 →  

      

≥ 

이다. 그런데  는 에서 미분 가능하므로  ′  ′  ′이다. 따라서  ′  이다. ■

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5.3 평균값 정리 참고

5.3.4 정리 5.3.3의 역은 성립하지 않는다. 즉  ′  일지라도  는 에서 극값을 갖지 않을 수도

있다. 예를 들어   ≔ 으로 정의된 함수   ℝ → ℝ에 대하여  ′  이지만  는 에서 극값을 갖 지 않는다. 또한    로 정의된 함수 는 에서 미분 가능하지 않지만 극솟값을 가진다. □

함수  가  에서 미분 가능하고  에서 연속이라고 하자. 그리고 두 점   와   를 잇 는 선분을 생각하자. 이 선분을 위쪽과 아래쪽으로 움직이다 보면  의 그래프와 접할 때가 생긴다.

그때 접하는 점 중 하나를   라고 하면

 ′     

    

가 된다. 특히 는  에 존재하게 된다. 이 사실을 증명해보자.

보조정리

5.3.5

함수 가  에서 미분 가능하고  에서 연속이며   이면  ′  을 만 족시키는 점 ∈  가 존재한다. 이 명제를 (Rolle)의 정리라고 부른다.

증명

가  에서 상수함수인 경우는 자명하다. 이제 가 상수함수가 아니라고 하자. 그리고  에서

의 최댓값을

, 최솟값을 이라고 하자. 그러면

 이거나    중 하나 이상이 성립 한다.

 인 경우   

인 ∈  가 존재하는데 이때 는 에서 극댓값을 가지므로 보 조정리 5.3.3에 의하여 ′  이 된다.   인 경우   인 ∈  가 존재하는데 이

때 는 에서 극솟값을 가지므로 ′  이 된다. ■

정리 5.3.6 평균값 정리

함수  가  에서 미분 가능하고  에서 연속이며   라고 하자.

(ⅰ)        ′  인 점 ∈  가 존재한다.

(ⅱ) 만약 함수 가  에서 미분 가능하고  에서 연속이면

′      ′     

인 점 ∈  가 존재한다.

증명

(ⅱ)  ≔             라고 하자. 그러면

′   ′       ′    

이므로 는  에서 연속이고  에서 미분 가능하며   이다. 따라서 롤의 정리에 의 하여 ′  인 점 ∈  가 존재한다.

(ⅰ)   ≔ 라고 하고 (ⅱ)를 이용하면 된다. ■

정리 5.3.6의 (ⅱ)를 일반화된 평균값 정리 또는 코시(Cauchy)의 평균값 정리라고 부르기도 한다. 코시의 평균값 정리는 주로 도함수를 이용하여 두 함수의 차를 비교할 때 사용된다.

정리 5.3.7 도함수와 그래프의 기울기

함수  가  에서 연속이고  에서 미분 가능하다고 하자.

(ⅰ) 임의의 ∈  에 대하여  ′ ≥ 이면  는  에서 증가한다.

(ⅱ) 임의의 ∈  에 대하여  ′ ≤ 이면  는  에서 감소한다.

(ⅲ) 임의의 ∈  에 대하여  ′  이면  는  에서 순증가한다.

(ⅳ) 임의의 ∈  에 대하여  ′  이면  는  에서 순감소한다.

증명

 ≤  ≤ 라고 하자.  가 미분 가능하므로 평균값 정리에 의하여

 

 

 ′

를 만족시키는 점 ∈  가 존재한다.

(ⅰ)  ′ ≥ 이면      ≥ 이므로  는 증가한다.

(ⅱ)  ′ ≤ 이면      ≤ 이므로  는 감소한다.

(ⅲ)  ′  이면       이므로  는 순증가한다.

(ⅳ)  ′  이면       이므로  는 순감소한다. ■

따름정리

5.3.8 함수  가  에서 연속이고  에서 미분 가능하며  ′  이면  는  에서 상수

함수이다.

증명

∈  라고 하자.  ′ ≥ 이므로 정리 5.3.7에 의하여      ≥ 이다. 또한  ′ ≤ 이므로 정리 5.3.7에 의하여      ≤ 이다. 따라서       이다. 는  의 임의의 점이

므로  는  에서 상수이다. ■

따름정리

5.3.9 두 함수  , 가  에서 연속이고  에서 미분 가능하며  ′   ′이면 상수 가 존재

하여 임의의 ∈  에 대하여       를 만족시킨다.

증명

 ≔   라고 하면 는  에서 연속이고  에서 미분 가능하며  ′  이다. 따라서 따름정리 5.3.8에 의하여 는  에서 상수함수이다.  ≕ 라고 하면       를 얻는다. ■

따름정리

5.3.10 함수  가  에서 

급이고 ∈  이며 ′ ≠ 이라고 하자. 그러면 의 열린근 방

가 존재하여  는

에서 일대일대응이 되고 역함수 를 가지며 는  

에서

급이고

′    ′

이 성립한다. 이 정리를 역함수 정리(inverse function theorem)라고 부른다.

증명

 ′  인 경우를 증명하자.  ≔  ′라고 하면   이므로 양수 가 존재하여     일 때마다  ′   ′  이 성립한다. 이 식에    ′를 대입하여 변형하면  ′  을 얻는 다. 즉  는

에서 순증가하므로 일대일대응이다. 따라서  는

에서 역함수 를 가지며, 정 리 5.2.7에 의하여 는  에서 미분 가능하고 정리의 등식이 성립한다. 특히  ′과  이 연속함수 이고  ′   ′  이므로  ′도 연속이다. ■

143

5.3 평균값 정리 예제

5.3.11 임의의 양수 에 대하여     

임을 보여라.

풀이

   ≔  라고 하면  ′   이다.   일 때  ′  이므로 정리 5.3.7에 의하여  는  ∞ 에서 순증가한다. 따라서   일 때          이 성립한다. □

예제 2.3.5에서 살펴보았던 베르누이 부등식을 지수가 실수인 경우로 확장할 수 있다.

정리 5.3.12 베르누이 부등식

  ,  ≥ 이라고 하자.

(ⅰ)    ≤ 이면   ≤   가 성립한다.

(ⅱ)  ≥ 이면   ≥   가 성립한다.

풀이

(ⅰ)   ≔ , ∈   ∞ 라고 하자. 그러면  ′    이므로   ,     이라고 두고 평균값 정리를 이용하면 과    사이에 가 존재하여

           (5) 을 만족시킴을 알 수 있다.

만약   이면   이다. 그런데    ≤ 이므로   ≤ 이고   ≤ 이다. 따라서 (5)에 의하여

             ≤         (6) 를 얻는다.

만약   ≤  ≤ 이면  ≤ 이므로   ≥ 이다. 그런데  ≤ 이므로   ≤ 이다. 따라서 같은 방법으로 (6)을 얻는다.

(ⅱ)는 (ⅰ)과 같은 방법으로 증명된다. 꼭 직접 증명해보기 바란다. ■

참고

5.3.13 함수  가 미분 가능한 경우  ′은 항상

사잇값 성질을 가진다. 즉  가  에서 미분 가능하 고  ′ ≠  ′이며 이  ′와  ′ 사이의 실수이면  ′  을 만족시키는 ∈  가 존 재한다. 이 명제를 다르부(Darboux)의 정리라고 부른다.

증명

일반성을 잃지 않고  ′    ′라고 하자. 그리고 ∈  에 대하여

 ≔     라고 하자. 그러면

는  에서 미분 가능하다.

′    ′   이므로

는 의 근방에서 감소한다. 즉 충분히 작은 양수 에 대하여

   

  이 성립한다. 따라서

는 에서 극솟 값을 갖지 않는다. 같은 방법으로

가 에서도 극솟값을 갖지 않음을 알 수 있다.

는  에서 연속이므로 극솟값을 가진다.

가 에서 극솟값을 가진다고 하자. 그러면 ≠ ,

≠ 이므로 ∈  이다. 이때 롤의 정리에 의하여

′   이 성립한다. ■