코시 평균값 정리

매개곡선 (g(t),f(t))(g(t), f(t)) 위에 할선과 평행한 접선이 존재합니다. f(t)=t2f(t) = t^2, g(t)=t3g(t) = t^3인 경우 그 점은 ξ=14/9\xi = 14/9입니다.

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)}
ξ=149≈1.556\xi = \frac{14}{9} \approx 1.556

이 씬이 포함된 학습 경로

예제

보통의 평균값 정리가 g(x)=xg(x) = x인 경우의 코시 평균값 정리임을 증명하세요.

f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(ξ)g′(ξ)→g(x)=xf′(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}
ξ=14/9≈1.56\xi = 14/9 \approx 1.56: 접선 비율 2/(3ξ)=3/72/(3\xi) = 3/7이 할선 기울기와 일치합니다.
증명 보기
  1. 코시 평균값 정리: f,gf, g가 [a,b][a, b]에서 연속, (a,b)(a, b)에서 미분가능하고 g′≠0g' \neq 0이면, 어떤 ξ∈(a,b)\xi \in (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)}입니다.
  2. g(x)=xg(x) = x를 대입하면 g(b)−g(a)=b−ag(b) - g(a) = b - a, g′(ξ)=1g'(\xi) = 1이므로 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)이 됩니다.
  3. 이것이 바로 보통의 평균값 정리입니다 — 코시 형태에서 g(x)=xg(x) = x를 택한 특수 경우입니다.

코시 평균값 정리로 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1을 증명하세요.

sin⁡x−sin⁡0x−0=cos⁡ξx1,0<ξx<x  ⇒  cos⁡ξx→1\frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} = \frac{\cos \xi_x}{1}, \quad 0 < \xi_x < x \;\Rightarrow\; \cos \xi_x \to 1
ξ=14/9≈1.56\xi = 14/9 \approx 1.56 — 비율이 할선 기울기 37\frac37와 일치하는 정리점입니다.
증명 보기
  1. x>0x > 0일 때 sin⁡xx=sin⁡x−sin⁡0x−0\frac{\sin x}{x} = \frac{\sin x - \sin 0}{x - 0}입니다. f(t)=sin⁡tf(t) = \sin t, g(t)=tg(t) = t에 구간 [0,x][0, x]에서 코시 평균값 정리를 적용하면 (g′=1≠0g' = 1 \neq 0) 어떤 ξx∈(0,x)\xi_x \in (0, x)에 대해 sin⁡x−sin⁡0x−0=cos⁡ξx1=cos⁡ξx\frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} = \frac{\cos \xi_x}{1} = \cos \xi_x입니다.
  2. 0<ξx<x0 < \xi_x < x이므로 x→0+x \to 0^+일 때 조임으로 ξx→0\xi_x \to 0입니다. cos⁡\cos는 연속이므로 (미분가능 ⇒ 연속) cos⁡ξx→cos⁡0=1\cos \xi_x \to \cos 0 = 1입니다.
  3. x<0x < 0일 때는 [x,0][x, 0] 구간에 같은 정리를 적용하면 ξx∈(x,0)\xi_x \in (x, 0)을 얻고 마찬가지로 cos⁡ξx→1\cos \xi_x \to 1입니다. 따라서 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} = 1입니다.

lim⁡x→0ex−1−xx2=12\lim_{x \to 0}\frac{e^x - 1 - x}{x^2} = \frac12를 코시 평균값 정리를 두 번 써서 증명하세요. (0/00/0 가정을 명시하세요.)

ex−1−xx2=eξ−12ξ=eξ22→x→0+12\frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac{e^{\xi}-1}{2\xi} = \frac{e^{\xi_2}}{2} \xrightarrow{x \to 0^+} \frac12
ξ=14/9≈1.56\xi = 14/9 \approx 1.56 — 정리점이 하나뿐인 이유를 보세요: 비율 2/(3t)2/(3t)가 단조감소하기 때문입니다.
증명 보기
  1. f(x)=ex−1−xf(x) = e^x - 1 - x, g(x)=x2g(x) = x^2라 두면 f(0)=g(0)=0f(0) = g(0) = 0이고, [0,x][0, x](x>0x > 0)에서 연속, (0,x)(0, x)에서 미분가능하며 g′(t)=2t≠0g'(t) = 2t \neq 0입니다.
  2. 코시 평균값 정리에 의해 어떤 ξ∈(0,x)\xi \in (0, x)에 대해 f(x)g(x)=f′(ξ)g′(ξ)=eξ−12ξ\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} = \frac{e^{\xi}-1}{2\xi}입니다. 다시 f1(t)=et−1f_1(t) = e^t - 1, g1(t)=2tg_1(t) = 2t에 [0,ξ][0, \xi]에서 적용하면 (f1(0)=g1(0)=0f_1(0) = g_1(0) = 0, g1′=2≠0g_1' = 2 \neq 0) 어떤 ξ2∈(0,ξ)\xi_2 \in (0, \xi)에 대해 eξ−12ξ=eξ22\frac{e^{\xi}-1}{2\xi} = \frac{e^{\xi_2}}{2}를 얻습니다.
  3. 0<ξ2<ξ<x0 < \xi_2 < \xi < x이므로 x→0+x \to 0^+일 때 ξ2→0\xi_2 \to 0이고, ete^t의 연속성에 의해 eξ2→1e^{\xi_2} \to 1입니다. 따라서 비율은 12\frac12로 수렴합니다. x<0x < 0도 [x,0][x, 0]에서 같은 논리로 성립하므로 lim⁡x→0ex−1−xx2=12\lim_{x \to 0}\frac{e^x-1-x}{x^2} = \frac12입니다.

9. 미분