코시 평균값 정리
매개곡선 ( g ( t ) , f ( t ) ) (g(t), f(t)) ( g ( t ) , f ( t )) 위에 할선과 평행한 접선이 존재합니다. f ( t ) = t 2 f(t) = t^2 f ( t ) = t 2 , g ( t ) = t 3 g(t) = t^3 g ( t ) = t 3 인 경우 그 점은 ξ = 14 / 9 \xi = 14/9 ξ = 14/9 입니다.
f ′ ( ξ ) g ′ ( ξ ) = f ( b ) − f ( a ) g ( b ) − g ( a ) \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} = \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} g ′ ( ξ ) f ′ ( ξ ) = g ( b ) − g ( a ) f ( b ) − f ( a )
ξ = 14 9 ≈ 1.556 \xi = \frac{14}{9} \approx 1.556 ξ = 9 14 ≈ 1.556
예제
보통의 평균값 정리가 g ( x ) = x g(x) = x g ( x ) = x 인 경우의 코시 평균값 정리임을 증명하세요.
f ( b ) − f ( a ) g ( b ) − g ( a ) = f ′ ( ξ ) g ′ ( ξ ) → g ( x ) = x f ′ ( ξ ) = f ( b ) − f ( a ) b − a \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} = \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} \xrightarrow{g(x)=x} f'(\xi) = \frac{f(b)-f(a)}{b-a} g ( b ) − g ( a ) f ( b ) − f ( a ) = g ′ ( ξ ) f ′ ( ξ ) g ( x ) = x f ′ ( ξ ) = b − a f ( b ) − f ( a )
ξ = 14 / 9 ≈ 1.56 \xi = 14/9 \approx 1.56 ξ = 14/9 ≈ 1.56 : 접선 비율 2 / ( 3 ξ ) = 3 / 7 2/(3\xi) = 3/7 2/ ( 3 ξ ) = 3/7 이 할선 기울기와 일치합니다.
증명 보기
코시 평균값 정리: f , g f, g f , g 가 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 에서 연속, ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 에서 미분가능하고 g ′ ≠ 0 g' \neq 0 g ′ = 0 이면, 어떤 ξ ∈ ( a , b ) \xi \in (a, b) ξ ∈ ( a , b ) 에 대해 f ( b ) − f ( a ) g ( b ) − g ( a ) = f ′ ( ξ ) g ′ ( ξ ) \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)} = \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} g ( b ) − g ( a ) f ( b ) − f ( a ) = g ′ ( ξ ) f ′ ( ξ ) 입니다.
g ( x ) = x g(x) = x g ( x ) = x 를 대입하면 g ( b ) − g ( a ) = b − a g(b) - g(a) = b - a g ( b ) − g ( a ) = b − a , g ′ ( ξ ) = 1 g'(\xi) = 1 g ′ ( ξ ) = 1 이므로 식은 f ( b ) − f ( a ) b − a = f ′ ( ξ ) 1 = f ′ ( ξ ) \frac{f(b)-f(a)}{b-a} = \frac{f'(\xi)}{1} = f'(\xi) b − a f ( b ) − f ( a ) = 1 f ′ ( ξ ) = f ′ ( ξ ) 이 됩니다.
이것이 바로 보통의 평균값 정리입니다 — 코시 형태에서 g ( x ) = x g(x) = x g ( x ) = x 를 택한 특수 경우입니다.
코시 평균값 정리로 lim x → 0 sin x x = 1 \lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1 lim x → 0 x s i n x = 1 을 증명하세요.
sin x − sin 0 x − 0 = cos ξ x 1 , 0 < ξ x < x ⇒ cos ξ x → 1 \frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} = \frac{\cos \xi_x}{1}, \quad 0 < \xi_x < x \;\Rightarrow\; \cos \xi_x \to 1 x − 0 sin x − sin 0 = 1 cos ξ x , 0 < ξ x < x ⇒ cos ξ x → 1
ξ = 14 / 9 ≈ 1.56 \xi = 14/9 \approx 1.56 ξ = 14/9 ≈ 1.56 — 비율이 할선 기울기 3 7 \frac37 7 3 와 일치하는 정리점입니다.
증명 보기
x > 0 x > 0 x > 0 일 때 sin x x = sin x − sin 0 x − 0 \frac{\sin x}{x} = \frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} x s i n x = x − 0 s i n x − s i n 0 입니다. f ( t ) = sin t f(t) = \sin t f ( t ) = sin t , g ( t ) = t g(t) = t g ( t ) = t 에 구간 [ 0 , x ] [0, x] [ 0 , x ] 에서 코시 평균값 정리를 적용하면 (g ′ = 1 ≠ 0 g' = 1 \neq 0 g ′ = 1 = 0 ) 어떤 ξ x ∈ ( 0 , x ) \xi_x \in (0, x) ξ x ∈ ( 0 , x ) 에 대해 sin x − sin 0 x − 0 = cos ξ x 1 = cos ξ x \frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} = \frac{\cos \xi_x}{1} = \cos \xi_x x − 0 s i n x − s i n 0 = 1 c o s ξ x = cos ξ x 입니다.
0 < ξ x < x 0 < \xi_x < x 0 < ξ x < x 이므로 x → 0 + x \to 0^+ x → 0 + 일 때 조임으로 ξ x → 0 \xi_x \to 0 ξ x → 0 입니다. cos \cos cos 는 연속이므로 (미분가능 ⇒ 연속) cos ξ x → cos 0 = 1 \cos \xi_x \to \cos 0 = 1 cos ξ x → cos 0 = 1 입니다.
x < 0 x < 0 x < 0 일 때는 [ x , 0 ] [x, 0] [ x , 0 ] 구간에 같은 정리를 적용하면 ξ x ∈ ( x , 0 ) \xi_x \in (x, 0) ξ x ∈ ( x , 0 ) 을 얻고 마찬가지로 cos ξ x → 1 \cos \xi_x \to 1 cos ξ x → 1 입니다. 따라서 lim x → 0 sin x x = 1 \lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1 lim x → 0 x s i n x = 1 입니다.
lim x → 0 e x − 1 − x x 2 = 1 2 \lim_{x \to 0}\frac{e^x - 1 - x}{x^2} = \frac12 lim x → 0 x 2 e x − 1 − x = 2 1 를 코시 평균값 정리를 두 번 써서 증명하세요. (0 / 0 0/0 0/0 가정을 명시하세요.)
e x − 1 − x x 2 = e ξ − 1 2 ξ = e ξ 2 2 → x → 0 + 1 2 \frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac{e^{\xi}-1}{2\xi} = \frac{e^{\xi_2}}{2} \xrightarrow{x \to 0^+} \frac12 x 2 e x − 1 − x = 2 ξ e ξ − 1 = 2 e ξ 2 x → 0 + 2 1
ξ = 14 / 9 ≈ 1.56 \xi = 14/9 \approx 1.56 ξ = 14/9 ≈ 1.56 — 정리점이 하나뿐인 이유를 보세요: 비율 2 / ( 3 t ) 2/(3t) 2/ ( 3 t ) 가 단조감소하기 때문입니다.
증명 보기
f ( x ) = e x − 1 − x f(x) = e^x - 1 - x f ( x ) = e x − 1 − x , g ( x ) = x 2 g(x) = x^2 g ( x ) = x 2 라 두면 f ( 0 ) = g ( 0 ) = 0 f(0) = g(0) = 0 f ( 0 ) = g ( 0 ) = 0 이고, [ 0 , x ] [0, x] [ 0 , x ] (x > 0 x > 0 x > 0 )에서 연속, ( 0 , x ) (0, x) ( 0 , x ) 에서 미분가능하며 g ′ ( t ) = 2 t ≠ 0 g'(t) = 2t \neq 0 g ′ ( t ) = 2 t = 0 입니다.
코시 평균값 정리에 의해 어떤 ξ ∈ ( 0 , x ) \xi \in (0, x) ξ ∈ ( 0 , x ) 에 대해 f ( x ) g ( x ) = f ′ ( ξ ) g ′ ( ξ ) = e ξ − 1 2 ξ \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} = \frac{e^{\xi}-1}{2\xi} g ( x ) f ( x ) = g ′ ( ξ ) f ′ ( ξ ) = 2 ξ e ξ − 1 입니다. 다시 f 1 ( t ) = e t − 1 f_1(t) = e^t - 1 f 1 ( t ) = e t − 1 , g 1 ( t ) = 2 t g_1(t) = 2t g 1 ( t ) = 2 t 에 [ 0 , ξ ] [0, \xi] [ 0 , ξ ] 에서 적용하면 (f 1 ( 0 ) = g 1 ( 0 ) = 0 f_1(0) = g_1(0) = 0 f 1 ( 0 ) = g 1 ( 0 ) = 0 , g 1 ′ = 2 ≠ 0 g_1' = 2 \neq 0 g 1 ′ = 2 = 0 ) 어떤 ξ 2 ∈ ( 0 , ξ ) \xi_2 \in (0, \xi) ξ 2 ∈ ( 0 , ξ ) 에 대해 e ξ − 1 2 ξ = e ξ 2 2 \frac{e^{\xi}-1}{2\xi} = \frac{e^{\xi_2}}{2} 2 ξ e ξ − 1 = 2 e ξ 2 를 얻습니다.
0 < ξ 2 < ξ < x 0 < \xi_2 < \xi < x 0 < ξ 2 < ξ < x 이므로 x → 0 + x \to 0^+ x → 0 + 일 때 ξ 2 → 0 \xi_2 \to 0 ξ 2 → 0 이고, e t e^t e t 의 연속성에 의해 e ξ 2 → 1 e^{\xi_2} \to 1 e ξ 2 → 1 입니다. 따라서 비율은 1 2 \frac12 2 1 로 수렴합니다. x < 0 x < 0 x < 0 도 [ x , 0 ] [x, 0] [ x , 0 ] 에서 같은 논리로 성립하므로 lim x → 0 e x − 1 − x x 2 = 1 2 \lim_{x \to 0}\frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12 lim x → 0 x 2 e x − 1 − x = 2 1 입니다.
9. 미분