§1 Differentiation (ii): The Mean-Value Theorems and Applications · 미분 (ii): 평균값 정리와 그 응용
$f$를 거리 $d$를 갖는 거리공간 $X$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 점 $p \in X$에서 극대를 가진다는 것의 필요충분조건은 어떤 $\delta > 0$가 존재하여 $d(p, q) \lt \delta$인 모든 $q \in X$에 대해 $f(q) \leq f(p)$인 것이다.
Let $f$ be a real-valued function defined on a metric space $X$ with the metric $d$. We say that $f$ has a local maximum at a point $p \in X$ iff there exists $\delta > 0$ such that $f(q) \leq f(p)$ for all $q \in X$ with $d(p, q) \lt \delta$.
마찬가지 방법으로 극소를 정의할 수 있다.
Similarly, we can define a local minimum.
극소를 정의하라.
정의 1.35에서 부등호의 방향만 뒤집으면 된다. $f$를 거리 $d$를 갖는 거리공간 $X$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 점 $p \in X$에서 극소를 가진다는 것의 필요충분조건은 어떤 $\delta > 0$가 존재하여 $d(p, q) \lt \delta$인 모든 $q \in X$에 대해
인 것이다.
Define a local minimum.
We simply reverse the direction of the inequality in Definition 1.35. Let $f$ be a real-valued function defined on a metric space $X$ with the metric $d$. We say that $f$ has a local minimum at a point $p \in X$ iff there exists $\delta > 0$ such that
for all $q \in X$ with $d(p, q) \lt \delta$.
$f$를 $[a, b]$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 점 $x \in (a, b)$에서 극대를 가지고 $f$가 $x$에서 미분가능하다고 가정하자. 그러면
정의 1.35에 의해 어떤 $\delta_0 > 0$가 존재하여
가 $(x - \delta_0, x + \delta_0) \cap [a, b]$의 모든 $t$에 대해 성립한다. $x \in (a, b)$이고 $(a, b)$는 열린집합이므로, 어떤 $\delta_1 > 0$가 존재하여
$\delta := \min\{\delta_0, \delta_1\}$로 놓자. 그러면
이고
가 $(x - \delta, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 따라서 $(x - \delta, x)$의 모든 $t$에 대해
이고, 한편 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해
$f'(x)$가 존재하고
이므로 마침내
를 얻고, 이는 명백히 $f'(x) = 0$을 함의한다.
Let $f$ be a real-valued function defined on $[a, b]$. Assume that $f$ has a local maximum at a point $x \in (a, b)$ and $f$ is differentiable at $x$. Then
By Definition 1.35, there exists a $\delta_0 > 0$ such that
for all $t \in (x - \delta_0, x + \delta_0) \cap [a, b]$. Since $x \in (a, b)$ and $(a, b)$ is an open set, there exists an $\delta_1 > 0$ such that
Set $\delta := \min\{\delta_0, \delta_1\}$. Then
and
for all $t \in (x - \delta, x + \delta)$. Thus for all $t \in (x - \delta, x)$, we have
and on the other hand for all $t \in (x, x + \delta)$
Since $f'(x)$ exists and
we finally have
and it clearly implies that $f'(x) = 0$.
$f$를 $[a, b]$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 점 $x \in (a, b)$에서 극소를 가지고 $f$가 $x$에서 미분가능하다고 가정하자. 그러면
$g(x) = -f(x)$로 정의하자. 그러면 명백히 $g$는 점 $x$에서 극대를 갖는다. 따라서 정리 1.37에 의해
Let $f$ be a real-valued function defined on $[a, b]$. Assume that $f$ has a local minimum at a point $x \in (a, b)$ and $f$ is differentiable at $x$. Then
Define $g(x) = -f(x)$. Then obviously $g$ has a local maximum at the point $x$. Therefore by Theorem 1.37, we have
$f$가 점 $x \in (a, b)$에서 극소를 가지면
인지 증명하거나 반증하라.
참이다. $g(x) := -f(x)$로 정의하자. $f$가 점 $x \in (a, b)$에서 극소를 가지므로 명백히 $g$는 점 $x$에서 극대를 가진다. 따라서 정리 1.37에 의해
즉 $f'(x) = 0$이다.
Prove or disprove that if $f$ has a local minimum at a point $x \in (a, b)$, then
It is true. Define $g(x) := -f(x)$. Since $f$ has a local minimum at the point $x \in (a, b)$, obviously $g$ has a local maximum at $x$. Therefore by Theorem 1.37,
that is, $f'(x) = 0$.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하며
라고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
다음 세 경우 중 하나가 반드시 성립한다:
(i) 어떤 $t \in (a, b)$가 존재하여 $f(t) > f(a) = f(b)$
(ii) 어떤 $t \in (a, b)$가 존재하여 $f(t) \lt f(a) = f(b)$
(iii) 모든 $t \in (a, b)$에 대해 $f(t) = f(a) = f(b)$.
경우에 따라 정리를 증명한다. 진행하기 전에, $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $[a, b]$가 콤팩트집합이므로 $f$가 어떤 $x_1 \in [a, b]$에서 최댓값을, 어떤 $x_2 \in [a, b]$에서 최솟값을 가짐에 주목하자.
- (경우 (i)) 어떤 $t \in (a, b)$가 존재하여 $f(t) > f(a) = f(b)$이므로 $x_1 \in (a, b)$이다. 따라서 정리 1.37에 의해
$$f'(x_1) = 0.$$
- (경우 (ii)) 어떤 $t \in (a, b)$가 존재하여 $f(t) \lt f(a)$이므로 $x_2 \in (a, b)$이다. 따라서 다시 정리 1.37에 의해
$$f'(x_2) = 0$$
- (경우 (iii)) $f$가 상수함수이므로 모든 $x \in [a, b]$에 대해 $f'(x) = 0$이다.
Let $f$ be a real-valued function on $[a, b]$. Assume that $f$ is continuous on $[a, b]$, differentiable on $(a, b)$, and
Then there exists a $x \in (a, b)$ such that
One of the following three cases must be satisfied:
(i) there exists a $t \in (a, b)$ such that $f(t) > f(a) = f(b)$
(ii) there exists a $t \in (a, b)$ such that $f(t) \lt f(a) = f(b)$
(iii) $f(t) = f(a) = f(b)$ for all $t \in (a, b)$.
We prove the theorem depending on a case. Before going further, note that $f$ has a maximum at $x_1 \in [a, b]$ and a minimum at $x_2 \in [a, b]$ since $f$ is continuous on $[a, b]$ and $[a, b]$ is a compact set.
- (Case (i)) Since there exists a $t \in (a, b)$ such that $f(t) > f(a) = f(b)$, we have $x_1 \in (a, b)$. Thus by Theorem 1.37,
$$f'(x_1) = 0.$$
- (Case(ii)) Since there exists a $t \in (a, b)$ such that $f(t) \lt f(a)$, we have $x_2 \in (a, b)$. Thus by Theorem 1.37 again,
$$f'(x_2) = 0$$
- (Case(iii)) Since $f$ is a constant function, $f'(x) = 0$ for all $x \in [a, b]$.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
다음과 같이 정의하자.
그러면 명백히 $h$는 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다. 게다가
따라서 롤의 정리에 의해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
이고 이는
를 함의한다. 정리가 증명되었다.
Let $f$ be a real-valued function on $[a, b]$. Assume that $f$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Then there exists a $x \in (a, b)$ such that
Define
Then obviously $h$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Moreover,
Therefore by Rolle’s theorem, there exists a $x \in (a, b)$ such that
which implies
The theorem is proved.
$f$와 $g$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $f$와 $g$가 모두 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
다음과 같이 정의하자.
그러면 명백히 $h$는 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다. 게다가
임을 쉽게 확인할 수 있다. 따라서 롤의 정리에 의해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
이고 이는
을 함의한다.
Let $f$ and $g$ be real-valued functions on $[a, b]$. Assume that both $f$ and $g$ are continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Then there exists a $x \in (a, b)$ such that
Define
Then obviously $h$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Moreover, one can easily check that
Therefore by Rolle’s theorem, there exists a $x \in (a, b)$ such that
which implies
$f$를 $\mathbb{R}$의 부분집합 $I$ 위의 실숫값 함수라 하자. 다음과 같이 정의한다.
(i) $f$가 $I$ 위에서 단조증가한다는 것의 필요충분조건은
가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.
(ii) $f$가 $I$ 위에서 순증가한다는 것의 필요충분조건은
가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.
(iii) $f$가 $I$ 위에서 단조감소한다는 것의 필요충분조건은
가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.
(iv) $f$가 $I$ 위에서 순감소한다는 것의 필요충분조건은
가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.
Let $f$ be a real-valued function on a subset $I$ of $\mathbb{R}$. We say that
(i) $f$ is monotonically increasing on $I$ iff
whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.
(ii) $f$ is strictly increasing on $I$ iff
whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.
(iii) $f$ is monotonically decreasing on $I$ iff
whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.
(iv) $f$ is strictly decreasing on $I$ iff
whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.
$f$를 $(a, b)$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 그러면 다음 세 명제가 성립한다:
(i) 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \geq 0$이면 $f$는 $(a, b)$ 위에서 단조증가한다.
(ii) 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \leq 0$이면 $f$는 $(a, b)$ 위에서 단조감소한다.
(iii) 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) = 0$이면 $f$는 상수이다.
$a \lt x \lt y \lt b$라 하자. 그러면 $f$는 $(x, y)$ 위에서 미분가능하고 $[x, y]$ 위에서 연속이다. 따라서 평균값 정리에 의해 어떤 $z \in (x, y)$가 존재하여
명제 (i), (ii), (iii)은 모두 (1.6)으로부터 쉽게 얻어진다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $(a, b)$. Then the following three statements hold:
(i) If $f'(x) \geq 0$ for all $x \in (a, b)$, then $f$ is monotonically increasing on $(a, b)$.
(ii) If $f'(x) \leq 0$ for all $x \in (a, b)$, then $f$ is monotonically decreasing on $(a, b)$.
(iii) If $f'(x) = 0$ for all $x = (a, b)$, then $f$ is a constant.
Let $a \lt x \lt y \lt b$. Then $f$ is differentiable on $(x, y)$ and continuous on $[x, y]$. Thus by the mean-value theorem, there exists a $z \in (x, y)$ such that
All assertions (i), (ii), and (iii) are easily obtained from (1.6).
$f$를 $(a, b)$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 다음 명제들이 성립하는지 증명하거나 반증하라:
(i) $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조증가하면 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \geq 0$이다.
(ii) $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조감소하면 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \leq 0$이다.
두 명제 모두 참이다.
(i) $x \in (a, b)$를 임의로 고정하자. $\phi(t) := \dfrac{f(t) - f(x)}{t - x}$ ($t \in (a, b)$, $t \neq x$)로 두자.
- $t > x$이면 $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조증가하므로 $f(t) \geq f(x)$, 즉 $f(t) - f(x) \geq 0$이고 $t - x > 0$이므로 $\phi(t) \geq 0$이다.
- $t \lt x$이면 마찬가지로 $f(x) \geq f(t)$, 즉 $f(t) - f(x) \leq 0$이고 $t - x \lt 0$이므로 역시 $\phi(t) \geq 0$이다.
따라서 $(a, b) \setminus \{x\}$의 모든 $t$에 대해 $\phi(t) \geq 0$이다. $f$가 $x$에서 미분가능하므로 $L := f'(x) = \lim_{t \to x} \phi(t)$가 존재한다. $L \lt 0$이라 가정하고 모순을 유도하자. $\varepsilon := -\dfrac{L}{2} > 0$으로 두면, 극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $0 \lt |t - x| \lt \delta$인 $(a, b)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히
이고, 이는 $\phi(t) \geq 0$에 모순이다. 따라서 $L \geq 0$, 즉
이다. $x \in (a, b)$가 임의였으므로 (i)이 증명되었다.
(ii) 마찬가지로 $x \in (a, b)$를 임의로 고정하고 $\phi(t) := \dfrac{f(t) - f(x)}{t - x}$로 두자. $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조감소하므로, $t > x$이면 $f(t) \leq f(x)$이고 $t - x > 0$이므로 $\phi(t) \leq 0$이며, $t \lt x$이면 $f(t) \geq f(x)$이고 $t - x \lt 0$이므로 역시 $\phi(t) \leq 0$이다. 즉 $(a, b) \setminus \{x\}$의 모든 $t$에 대해 $\phi(t) \leq 0$이다. $L := f'(x) = \lim_{t \to x} \phi(t)$가 존재하므로, $L > 0$이라 가정하면 $\varepsilon := \dfrac{L}{2} > 0$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여 $0 \lt |t - x| \lt \delta$인 모든 $t$에 대해 $|\phi(t) - L| \lt \varepsilon$이고, 따라서
이는 $\phi(t) \leq 0$에 모순이다. 따라서 $L \leq 0$, 즉 $f'(x) \leq 0$이다. $x \in (a, b)$가 임의였으므로 (ii)도 증명되었다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $(a, b)$. Prove or disprove the following statements hold:
(i) If $f$ is monotonically increasing on $(a, b)$, then $f'(x) \geq 0$ for all $x \in (a, b)$.
(ii) If $f$ is monotonically decreasing on $(a, b)$, then $f'(x) \leq 0$ for all $x \in (a, b)$.
Both statements are true.
(i) Fix an arbitrary $x \in (a, b)$. Put $\phi(t) := \dfrac{f(t) - f(x)}{t - x}$ for $t \in (a, b)$, $t \neq x$.
- If $t > x$, since $f$ is monotonically increasing on $(a, b)$, $f(t) \geq f(x)$, i.e. $f(t) - f(x) \geq 0$, and $t - x > 0$, so $\phi(t) \geq 0$.
- If $t \lt x$, similarly $f(x) \geq f(t)$, i.e. $f(t) - f(x) \leq 0$, and $t - x \lt 0$, so again $\phi(t) \geq 0$.
Thus $\phi(t) \geq 0$ for all $t \in (a, b) \setminus \{x\}$. Since $f$ is differentiable at $x$, $L := f'(x) = \lim_{t \to x} \phi(t)$ exists. Assume for contradiction that $L \lt 0$. Put $\varepsilon := -\dfrac{L}{2} > 0$. By the definition of the limit, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $t \in (a, b)$ with $0 \lt |t - x| \lt \delta$. In particular,
which contradicts $\phi(t) \geq 0$. Therefore $L \geq 0$, that is,
Since $x \in (a, b)$ was arbitrary, (i) is proved.
(ii) Similarly, fix an arbitrary $x \in (a, b)$ and put $\phi(t) := \dfrac{f(t) - f(x)}{t - x}$. Since $f$ is monotonically decreasing on $(a, b)$, if $t > x$ then $f(t) \leq f(x)$ and $t - x > 0$, so $\phi(t) \leq 0$; and if $t \lt x$ then $f(t) \geq f(x)$ and $t - x \lt 0$, so again $\phi(t) \leq 0$. Thus $\phi(t) \leq 0$ for all $t \in (a, b) \setminus \{x\}$. Since $L := f'(x) = \lim_{t \to x} \phi(t)$ exists, assume that $L > 0$. Then for $\varepsilon := \dfrac{L}{2} > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that $|\phi(t) - L| \lt \varepsilon$ for all $t$ with $0 \lt |t - x| \lt \delta$, and hence
which contradicts $\phi(t) \leq 0$. Therefore $L \leq 0$, that is, $f'(x) \leq 0$. Since $x \in (a, b)$ was arbitrary, (ii) is also proved.
$f$를 $(a, b)$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 다음 두 명제가 성립하는지 증명하거나 반증하라:
(i) $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조증가하면 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \geq 0$이다.
(ii) $f$가 $(a, b)$ 위에서 단조감소하면 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \leq 0$이다.
두 명제 모두 거짓이다.
(i) 다음과 같이 정의하자.
즉
$f$는 $(-1, 1)$ 위에서 연속이다. 또한 $x_1 \lt x_2$인 $x_1, x_2 \in (-1, 1)$에 대해 $f(x_1) \leq f(x_2)$임을 쉽게 확인할 수 있으므로(두 점이 모두 $0$ 미만이거나, 모두 $0$ 이상이거나, $x_1 \lt 0 \leq x_2$인 각 경우를 따로 보면 된다) $f$는 $(-1, 1)$ 위에서 단조증가한다. 그러나 $t \lt 0$인 경우
이므로
이고, $t > 0$인 경우
이므로
좌극한과 우극한이 서로 다르므로 $f'(0)$는 존재하지 않는다. 따라서 $f$는 $(-1, 1)$ 위에서 연속이고 단조증가하지만, "모든 $x \in (-1, 1)$에 대해 $f'(x) \geq 0$이다"라는 명제는 $x = 0$에서 $f'(x)$ 자체가 존재하지 않으므로 성립하지 않는다. 이는 (i)에 대한 반례이다.
(ii) 다음과 같이 정의하자.
즉 $g = -f$이고
$g$는 $(-1, 1)$ 위에서 연속이고, (i)과 마찬가지 방식으로 $x_1 \lt x_2$인 $x_1, x_2 \in (-1, 1)$에 대해 $g(x_1) \geq g(x_2)$임을 확인할 수 있으므로 $g$는 $(-1, 1)$ 위에서 단조감소한다. (i)의 계산과 마찬가지로
이므로 $g'(0)$는 존재하지 않는다. 따라서 $g$는 $(-1, 1)$ 위에서 연속이고 단조감소하지만, "모든 $x \in (-1, 1)$에 대해 $g'(x) \leq 0$이다"라는 명제는 $x = 0$에서 성립하지 않는다. 이는 (ii)에 대한 반례이다.
Let $f$ be a real-valued continuous function on $(a, b)$. Prove or disprove the following two statements hold:
(i) If $f$ is monotonically increasing on $(a, b)$, then $f'(x) \geq 0$ for all $x \in (a, b)$.
(ii) If $f$ is monotonically decreasing on $(a, b)$, then $f'(x) \leq 0$ for all $x \in (a, b)$.
Both statements are false.
(i) Define
that is,
Then $f$ is continuous on $(-1, 1)$. Moreover, one can easily check that $f(x_1) \leq f(x_2)$ whenever $x_1 \lt x_2$ in $(-1, 1)$ (consider the cases where both points are negative, both are nonnegative, and $x_1 \lt 0 \leq x_2$ separately), so $f$ is monotonically increasing on $(-1, 1)$. However, for $t \lt 0$,
so
and for $t > 0$,
so
Since the left and right limits differ, $f'(0)$ does not exist. Thus $f$ is continuous and monotonically increasing on $(-1, 1)$, yet the statement "$f'(x) \geq 0$ for all $x \in (-1, 1)$" fails, since $f'(x)$ itself does not exist at $x = 0$. This is a counterexample for (i).
(ii) Define
that is, $g = -f$ and
Then $g$ is continuous on $(-1, 1)$, and as in (i), one can check that $g(x_1) \geq g(x_2)$ whenever $x_1 \lt x_2$ in $(-1, 1)$, so $g$ is monotonically decreasing on $(-1, 1)$. As in the computation for (i),
so $g'(0)$ does not exist. Thus $g$ is continuous and monotonically decreasing on $(-1, 1)$, yet the statement "$g'(x) \leq 0$ for all $x \in (-1, 1)$" fails at $x = 0$. This is a counterexample for (ii).
$f$를 $(a, b)$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 다음 두 명제가 성립하는지 증명하거나 반증하라:
(i) 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) > 0$이면 $f$는 $(a, b)$ 위에서 순증가한다.
(ii) 모든 $x \in (a, b)$에 대해 $f'(x) \lt 0$이면 $f$는 $(a, b)$ 위에서 순감소한다.
두 명제 모두 참이다.
(i) $x, y \in (a, b)$이고 $x \lt y$라 하자. $[x, y] \subset (a, b)$이므로 $f$는 $[x, y]$ 위에서 미분가능하고, 정리 1.21에 의해 $f$는 $[x, y]$ 위에서 연속이다. 따라서 평균값 정리(정리 1.41)에 의해 어떤 $z \in (x, y)$가 존재하여
$z \in (x, y) \subset (a, b)$이므로 가정에 의해 $f'(z) > 0$이고, $y - x > 0$이므로
즉 $f(x) \lt f(y)$이다. $x, y \in (a, b)$가 $x \lt y$를 만족하는 임의의 점들이었으므로, $f$는 $(a, b)$ 위에서 순증가한다.
(ii) 마찬가지로 $x, y \in (a, b)$이고 $x \lt y$라 하자. (i)과 같은 이유로 $f$는 $[x, y]$ 위에서 연속이고 $(x, y)$ 위에서 미분가능하므로, 평균값 정리에 의해 어떤 $z \in (x, y)$가 존재하여
가정에 의해 $f'(z) \lt 0$이고 $y - x > 0$이므로
즉 $f(x) > f(y)$이다. $x, y \in (a, b)$가 $x \lt y$를 만족하는 임의의 점들이었으므로, $f$는 $(a, b)$ 위에서 순감소한다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $(a, b)$. Prove or disprove the following two statements hold:
(i) If $f'(x) > 0$ for all $x \in (a, b)$, then $f$ is strictly increasing on $(a, b)$.
(ii) If $f'(x) \lt 0$ for all $x \in (a, b)$, then $f$ is strictly decreasing on $(a, b)$.
Both statements are true.
(i) Let $x, y \in (a, b)$ with $x \lt y$. Since $[x, y] \subset (a, b)$, $f$ is differentiable on $[x, y]$, and by Theorem 1.21, $f$ is continuous on $[x, y]$. Thus by the mean-value theorem (Theorem 1.41), there exists a $z \in (x, y)$ such that
Since $z \in (x, y) \subset (a, b)$, the assumption gives $f'(z) > 0$, and since $y - x > 0$,
that is, $f(x) \lt f(y)$. Since $x, y \in (a, b)$ with $x \lt y$ were arbitrary, $f$ is strictly increasing on $(a, b)$.
(ii) Similarly, let $x, y \in (a, b)$ with $x \lt y$. As in (i), $f$ is continuous on $[x, y]$ and differentiable on $(x, y)$, so by the mean-value theorem, there exists a $z \in (x, y)$ such that
By assumption $f'(z) \lt 0$ and $y - x > 0$, so
that is, $f(x) > f(y)$. Since $x, y \in (a, b)$ with $x \lt y$ were arbitrary, $f$ is strictly decreasing on $(a, b)$.
상한과 하한의 정의를 상기하자.
Recall the definition of the supremum and the infimum.
$A \subset \mathbb{R}$라 하자.
- 실수 $u \in \mathbb{R}$가 $A$의 상계라 불린다는 것의 필요충분조건은
$$a \leq u \qquad \forall a \in A.$$인 것이다.
- 실수 $\ell \in \mathbb{R}$가 $A$의 하계라 불린다는 것의 필요충분조건은
$$\ell \leq a \qquad \forall a \in A.$$인 것이다.
- 집합 $A$가 위로 유계라 불린다는 것의 필요충분조건은 $A$가 상계를 가지는 것, 즉 $A$의 상계가 존재하는 것이다.
- 집합 $A$가 아래로 유계라 불린다는 것의 필요충분조건은 $A$가 하계를 가지는 것, 즉 $A$의 하계가 존재하는 것이다.
- $A$의 상계 $\underline{u}$가 최소상계 또는 상한이라 불린다는 것의 필요충분조건은 $A$의 모든 상계 $u$에 대해
$$\underline{u} \leq u$$인 것이다. 이때 다음과 같이 쓴다.$$\sup A := \underline{u}.$$
- $A$의 하계 $\overline{\ell}$가 최대하계 또는 하한이라 불린다는 것의 필요충분조건은 $A$의 모든 하계 $\ell$에 대해
$$\ell \leq \overline{\ell}$$인 것이다. 이때 다음과 같이 쓴다.$$\inf A := \overline{\ell}.$$
Let $A \subset \mathbb{R}$.
- A real number $u \in \mathbb{R}$ is called upper bound of $A$ iff
$$a \leq u \qquad \forall a \in A.$$
- A real number $\ell \in \mathbb{R}$ is called lower bound of $A$ iff
$$\ell \leq a \qquad \forall a \in A.$$
- A set $A$ is called bounded above iff $A$ has an upper bound, i.e. there exists an upper bound of $A$.
- A set $A$ is called bounded below iff $A$ has an lower bound, i.e. there exists an lower bound of $A$.
- An upper bound $\underline{u}$ of $A$ is called the least upper bound or the supremum of $A$ iff
$$\underline{u} \leq u$$for all upper bounds $u$ of $A$. We write$$\sup A := \underline{u}.$$
- An lower bound $\overline{\ell}$ of $A$ is called the greatest lower bound or the infimum of $A$ iff
$$\ell \leq \overline{\ell}$$for all lower bounds $\ell$ of $A$. We write$$\inf A := \overline{\ell}.$$
- 공집합이 아니고 위로 유계인 $\mathbb{R}$의 임의의 부분집합 $A$는 $\mathbb{R}$에서 상한을 가진다, 즉 $\sup A$가 $\mathbb{R}$에서 존재한다. 게다가 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 어떤 $y \in A$가 존재하여
$$\sup A - \varepsilon \lt y.$$
- 공집합이 아니고 아래로 유계인 $\mathbb{R}$의 임의의 부분집합 $A$는 하한을 가진다, 즉 $\inf A$가 존재한다. 게다가 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 어떤 $y \in A$가 존재하여
$$y \lt \inf A + \varepsilon.$$
- Any subset $A \subset \mathbb{R}$ which is nonempty and bounded above has a supremum in $\mathbb{R}$, i.e. $\sup A$ exists in $\mathbb{R}$. Moreover, for any $\varepsilon > 0$, there exists a $y \in A$ such that
$$\sup A - \varepsilon \lt y.$$
- Any subset $A \subset \mathbb{R}$ which is nonempty and bounded below has a infimum, i.e. $\inf A$ exists. Moreover, for any $\varepsilon > 0$, there exists a $y \in A$ such that
$$y \lt \inf A + \varepsilon.$$
$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여
라고 가정하자.
정의
그러면 $\sup A \in (a, b)$이다.
$a \in A$이고 $A \subset [a, b]$이므로 명백히 $A$는 공집합이 아니고 위로 유계이다. 따라서 $\sup A$가 $\mathbb{R}$에서 존재한다. $x = \sup A$로 놓자. 그러면 $x$가 $A$의 상계이고 $b$도 $A$의 상계이므로 $x \in [a, b]$이다. 모든 $y \in (x, b]$에 대해
임에 주목하자. $\varepsilon > 0$가 주어졌다고 하자. $f$가 $x$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. 증명을 완성하기 위해 귀류법을 사용한다. 먼저 $x = a$라고 가정하자. $\varepsilon = \frac{\lambda - f(a)}{2}$로 두고, (1.8)이 성립하도록 $\delta > 0$와 $y \in (a, a + \delta) \cap [a, b]$를 선택하자. 그러면 (1.7)과 (1.8)에 의해
따라서 $\lambda \lt f(a)$이고 이는 모순이다. 다음으로 $x = b$라고 가정하자. $\varepsilon = \frac{f(b) - \lambda}{2}$로 두고, (1.8)이 성립하도록 $\delta > 0$를 선택하자. $x = \sup A$이므로 어떤 $y \in A$가 존재하여
그러면 (1.8)과 $A$의 정의에 의해
따라서
를 얻고 이는 모순이다. 보조정리가 증명되었다.
Let $f$ be a real-valued continuous function on $[a, b]$ with $a \lt b$. Assume that there is a real number $\lambda$ such that
Define
Then $\sup A \in (a, b)$.
Obviously, $A$ is nonempty and bounded above since $a \in A$ and $A \subset [a, b]$. Thus $\sup A$ exists in $\mathbb{R}$. Put $x = \sup A$. Then $x \in [a, b]$ since $x$ is an upper bound of $A$ and $b$ is an upper bound of $A$. Observe that for all $y \in (x, b]$,
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is continuous at $x$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $y \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$. To complete the proof, we use the reduction to absurdity. First assume that $x = a$. Take $\varepsilon = \frac{\lambda - f(a)}{2}$ and choose a $\delta > 0$ and a $y \in (a, a + \delta) \cap [a, b]$ so that (1.8) holds. Thus by (1.7) and (1.8)
Therefore, we have $\lambda \lt f(a)$ and it is contradiction. Next we assume $x = b$. Take $\varepsilon = \frac{f(b) - \lambda}{2}$ and choose a $\delta > 0$ so that (1.8) holds. Since $x = \sup A$, there exists a $y \in A$ such that
Thus by (1.8) and the definition of $A$,
Therefore, we have
which is contradiction. The lemma is proved.
$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여
라고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
다음과 같이 정의하고
$x = \sup A$로 놓자. 그러면 보조정리 1.50에 의해 $x \in (a, b)$이다. 따라서 $f(x) = \lambda$임을 보이면 충분하다. $\varepsilon$을 임의의 양의 상수라 하자. $f$가 $x$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. 게다가 $x = \sup A$이므로 어떤 $y^* \in A$가 존재하여
$A$의 정의에 의해
(1.9)와 (1.10)을 결합하면
한편 $x \in (a, b)$이므로 어떤 $y^{**} \in (x, x + \delta) \cap [a, b]$가 존재한다. $y^{**} > x = \sup A$이므로
(1.9)와 (1.12)를 결합하면
마지막으로 (1.11)과 (1.13)은
을 함의한다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수일 수 있으므로
를 결론짓는다. 정리가 증명되었다.
Let $f$ be a real-valued continuous function on $[a, b]$ with $a \lt b$. Assume that there is a real number $\lambda$ such that
Then there is a $x \in (a, b)$ such that
Define
and put $x = \sup A$. Then by Lemma 1.50, $x \in (a, b)$. Thus it is sufficient to show that $f(x) = \lambda$. Let $\varepsilon$ be an arbitrary positive constant. Since $f$ is continuous at $x$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $y \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$. Moreover, since $x = \sup A$, there exists a $y^* \in A$ such that
By the definition of $A$, we have
Combining (1.9) and (1.10), we have
On the other hand, since $x \in (a, b)$ there exists a $y^{**} \in (x, x + \delta) \cap [a, b]$. Since $y^{**} > x = \sup A$, we have
Combining (1.9) and (1.12), we obtain
Finally (1.11) and (1.13) imply
Since $\varepsilon > 0$ can be any arbitrary positive constant, we conclude that
The theorem is proved.
$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여
라고 가정하자.
정의
$\inf A$가 $\mathbb{R}$에서 존재하고
임을 증명하라.
$\inf A$의 존재. $f(b) > \lambda$이므로 $b \in A$이고, 따라서 $A$는 공집합이 아니다. 또한 $A \subset [a, b]$이므로 $a$는 $A$의 하계이고, $A$는 아래로 유계이다. 따라서 주의 1.49에 의해 $\inf A$가 $\mathbb{R}$에서 존재한다. $x = \inf A$로 놓자.
$x \in (a, b)$의 증명. $A \subset [a, b]$이므로 $a$는 $A$의 하계이고, $x = \inf A$는 $A$의 최대하계이므로 $a \leq x$이다. 또한 $b \in A$이고 $x$는 $A$의 하계이므로 $x \leq b$이다. 따라서 $x \in [a, b]$이다. 먼저 모든 $y \in [a, x)$에 대해
임에 주목하자. 실제로 $y \lt x = \inf A$이면 $y$는 $A$의 원소일 수 없다(그렇지 않다면 $\inf A \leq y \lt x = \inf A$가 되어 모순이다). 따라서 $A$의 정의에 의해 $f(y) \leq \lambda$이다.
이제 귀류법을 사용하여 $x \neq a$이고 $x \neq b$임을 보인다.
먼저 $x = a$라고 가정하자. $f(a) \lt \lambda$이므로 $\varepsilon := \dfrac{\lambda - f(a)}{2} > 0$으로 두자. $f$가 $a$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $[a, a + \delta) \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. 이때
이므로 $[a, a + \delta) \cap [a, b]$의 어떤 점도 $A$에 속하지 않는다. 그러나 $x = a = \inf A$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y^* \in A$가 존재하여 $y^* \lt a + \delta$이고, $A \subset [a, b]$이므로 $y^* \in [a, a + \delta) \cap [a, b]$이다. 이는 방금 보인 사실에 모순이다. 따라서 $x \neq a$이다.
다음으로 $x = b$라고 가정하자. $f(b) > \lambda$이므로 $\varepsilon := \dfrac{f(b) - \lambda}{2} > 0$으로 두자. $f$가 $b$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(b - \delta, b] \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. $y \in (b - \delta, b) \cap [a, b]$를 하나 고르면 $y \lt b = x$이므로 앞서 보인 바에 의해 $f(y) \leq \lambda$이다. 한편
이므로 $f(y) > \lambda$를 얻고, 이는 $f(y) \leq \lambda$에 모순이다. 따라서 $x \neq b$이다.
따라서 $x \in (a, b)$이다.
$f(x) = \lambda$의 증명. $\varepsilon > 0$을 임의로 고정하자. $f$가 $x$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. $x = \inf A$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y^* \in A$가 존재하여 $y^* \lt x + \delta$이다. $x$가 $A$의 하계이므로 $y^* \geq x$이고, 따라서 $y^* \in [x, x + \delta)$이다. 또한 $y^* \in A \subset [a, b]$이므로 $y^* \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$이다. $y^* \in A$이므로 $f(y^*) > \lambda$이고, 이를 위 연속성 부등식과 결합하면
한편 $x \in (a, b)$이므로 어떤 $y^{**} \in (x - \delta, x) \cap [a, b]$가 존재한다. $y^{**} \lt x$이므로 앞서 보인 바에 의해 $f(y^{**}) \leq \lambda$이고, 이를 연속성 부등식과 결합하면
따라서
이고, $\varepsilon > 0$이 임의였으므로
를 결론짓는다.
Let $f$ be a real-valued continuous function on $[a, b]$ with $a \lt b$. Assume that there is a real number $\lambda$ such that
Define
Prove that $\inf A$ exists in $\mathbb{R}$ and
Existence of $\inf A$. Since $f(b) > \lambda$, we have $b \in A$, so $A$ is nonempty. Also $A \subset [a, b]$, so $a$ is a lower bound of $A$ and $A$ is bounded below. Thus by Remark 1.49, $\inf A$ exists in $\mathbb{R}$. Put $x = \inf A$.
Proof that $x \in (a, b)$. Since $A \subset [a, b]$, $a$ is a lower bound of $A$, and since $x = \inf A$ is the greatest lower bound, $a \leq x$. Also $b \in A$ and $x$ is a lower bound of $A$, so $x \leq b$. Thus $x \in [a, b]$. First observe that for all $y \in [a, x)$,
Indeed, if $y \lt x = \inf A$, then $y$ cannot be an element of $A$ (otherwise $\inf A \leq y \lt x = \inf A$, a contradiction). Thus by the definition of $A$, $f(y) \leq \lambda$.
We now use the reduction to absurdity to show $x \neq a$ and $x \neq b$.
First assume $x = a$. Since $f(a) \lt \lambda$, put $\varepsilon := \dfrac{\lambda - f(a)}{2} > 0$. Since $f$ is continuous at $a$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $y \in [a, a + \delta) \cap [a, b]$. Then
so no point of $[a, a + \delta) \cap [a, b]$ belongs to $A$. However, since $x = a = \inf A$, by Remark 1.49 there exists a $y^* \in A$ such that $y^* \lt a + \delta$, and since $A \subset [a, b]$, $y^* \in [a, a + \delta) \cap [a, b]$. This contradicts what we just showed. Hence $x \neq a$.
Next assume $x = b$. Since $f(b) > \lambda$, put $\varepsilon := \dfrac{f(b) - \lambda}{2} > 0$. Since $f$ is continuous at $b$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $y \in (b - \delta, b] \cap [a, b]$. Choose a $y \in (b - \delta, b) \cap [a, b]$. Since $y \lt b = x$, the fact shown above gives $f(y) \leq \lambda$. On the other hand,
so $f(y) > \lambda$, which contradicts $f(y) \leq \lambda$. Hence $x \neq b$.
Therefore $x \in (a, b)$.
Proof that $f(x) = \lambda$. Fix an arbitrary $\varepsilon > 0$. Since $f$ is continuous at $x$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $y \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$. Since $x = \inf A$, by Remark 1.49 there exists a $y^* \in A$ such that $y^* \lt x + \delta$. Since $x$ is a lower bound of $A$, $y^* \geq x$, so $y^* \in [x, x + \delta)$; moreover $y^* \in A \subset [a, b]$, hence $y^* \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$. Since $y^* \in A$, $f(y^*) > \lambda$, and combining this with the continuity inequality above,
On the other hand, since $x \in (a, b)$, there exists a $y^{**} \in (x - \delta, x) \cap [a, b]$. Since $y^{**} \lt x$, the fact shown above gives $f(y^{**}) \leq \lambda$, and combining this with the continuity inequality,
Therefore
and since $\varepsilon > 0$ was arbitrary, we conclude
다음 함수의 도함수가
다음과 같이 주어짐을 상기하자.
명백히 $f'(x)$는 $x$에서 연속이 아니다. 그러나 $f'(x)$는 중간값 성질을 만족한다, 즉 모든 $a \lt b$와
를 만족하는 $\lambda \in \mathbb{R}$에 대해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
따라서 이것이 우연인지 묻는 것은 자연스럽다. 이 질문에 답하기 위해서는 다음 보조정리가 필요하다.
Recall that the derivative of
is given by
Obviously $f'(x)$ is not continuous at $x$. However, $f'(x)$ satisfies the intermediate value property, i.e. for all $a \lt b$ and $\lambda \in \mathbb{R}$ such that
there exists a $x \in (a, b)$ such that
Thus it is natural to ask if it is coincidence? To answer this question, we need the following lemma.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 그러면
(i) $f'(a) \lt 0$이면 어떤 $t_1 \in (a, b)$가 존재하여 $f(t_1) \lt f(a)$이다.
(ii) $f'(b) > 0$이면 어떤 $t_2 \in (a, b)$가 존재하여 $f(t_2) \lt f(b)$이다.
유사성에 의해 명제 $(i)$만 증명한다. 도함수의 정의
와 우극한에 의해, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(a, a + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히 $\varepsilon = -\frac{f'(a)}{2}$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(a, a + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 따라서 $t = t_1$에서 (1.14)가 성립하도록 하는 $t_1 \in (a, a + \delta)$를 찾을 수 있고, (1.14)는
을 함의한다. 마지막으로 $t_1 > a$이므로 $f(t_1) \lt f(a)$이다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Then
(i) if $f'(a) \lt 0$ then there exists a $t_1 \in (a, b)$ such that $f(t_1) \lt f(a)$.
(ii) if $f'(b) > 0$ then there exists a $t_2 \in (a, b)$ such that $f(t_2) \lt f(b)$.
Due to the similarity, we only prove the statement $(i)$. By the definition of the derivative
and the right limit, for any $\varepsilon > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $t \in (a, a + \delta)$. In particular, for $\varepsilon = -\frac{f'(a)}{2}$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $t \in (a, a + \delta)$. Thus one can find a $t_1 \in (a, a + \delta)$ so that (1.14) holds with $t = t_1$ and (1.14) implies
Finally we have $f(t_1) \lt f(a)$ since $t_1 > a$.
보조정리 1.53의 (ii)를 다음 두 가지 방법으로 증명하라:
(1) 도함수의 정의로부터
(2) 명제 (i)를 적용하여.
(1) 도함수의 정의로부터. $f$가 $b$에서 미분가능하므로, 도함수의 정의(좌극한)에 의해
$f'(b) > 0$이므로 $\varepsilon := \dfrac{f'(b)}{2} > 0$으로 두자. 극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여($\delta \leq b - a$로 잡아도 좋다)
가 $(b - \delta, b)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히
이다. $t_2 \in (b - \delta, b)$를 하나 고르면 $t_2 \in (a, b)$이고 $\dfrac{f(t_2) - f(b)}{t_2 - b} > 0$인데, $t_2 \lt b$이므로 $t_2 - b \lt 0$이고, 따라서
즉 $f(t_2) \lt f(b)$이다.
(2) 명제 (i)를 적용하여. 다음과 같이 정의하자.
사상 $t \mapsto a + b - t$는 $[a, b]$를 그 자신으로 보내는 순감소 전단사이므로 $g$는 $[a, b]$ 위에서 잘 정의된다. $t \in [a, b]$를 고정하고 $s := a + b - t \in [a, b]$로 두자. $\tau \neq t$인 $\tau \in [a, b]$에 대해 $\sigma := a + b - \tau \in [a, b]$라 하면 $\sigma \neq s$이고
사상 $\tau \mapsto \sigma = a + b - \tau$는 순감소하므로, $\tau$가 $t$의 한쪽에서 접근하면 $\sigma$는 $s$의 반대쪽에서 접근한다(예를 들어 $t = a$이면 $s = b$이고 $\tau \to a^+$일 때 $\sigma \to b^-$이다). $f$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하므로 $s$에서의(해당하는 좌·우 또는 양쪽) 극한 $f'(s) = \lim \dfrac{f(\sigma) - f(s)}{\sigma - s}$가 존재하고, 따라서 위 식의 극한도 존재하여
를 얻는다. 특히 $g$는 $[a, b]$ 위에서 미분가능하다.
$t = a$를 대입하면
이다($f'(b) > 0$이라는 가정에 의해). 따라서 명제 (i)를 $g$에 적용하면 어떤 $t_1 \in (a, b)$가 존재하여
$g$의 정의에 의해 $g(a) = f(a + b - a) = f(b)$이고 $g(t_1) = f(a + b - t_1)$이므로
$t_2 := a + b - t_1$로 놓자. $t_1 \in (a, b)$이므로 $t_1 > a$이고 $t_1 \lt b$이며, 따라서 $t_2 = a + b - t_1 \lt b$이고 $t_2 > a$이다. 즉 $t_2 \in (a, b)$이고
를 얻는다.
Prove (ii) in Lemma 1.53 in the following two ways:
(1) from the definition of the derivative
(2) by applying the statement (i).
(1) From the definition of the derivative. Since $f$ is differentiable at $b$, by the definition of the derivative (the left limit),
Since $f'(b) > 0$, put $\varepsilon := \dfrac{f'(b)}{2} > 0$. By the definition of the limit, there exists a $\delta > 0$ (which we may take $\leq b - a$) such that
for all $t \in (b - \delta, b)$. In particular,
Choose a $t_2 \in (b - \delta, b)$; then $t_2 \in (a, b)$ and $\dfrac{f(t_2) - f(b)}{t_2 - b} > 0$. Since $t_2 \lt b$, we have $t_2 - b \lt 0$, and hence
that is, $f(t_2) \lt f(b)$.
(2) By applying the statement (i). Define
The map $t \mapsto a + b - t$ is a strictly decreasing bijection of $[a, b]$ onto itself, so $g$ is well-defined on $[a, b]$. Fix $t \in [a, b]$ and put $s := a + b - t \in [a, b]$. For $\tau \in [a, b]$ with $\tau \neq t$, let $\sigma := a + b - \tau \in [a, b]$, so $\sigma \neq s$, and
Since $\tau \mapsto \sigma = a + b - \tau$ is decreasing, as $\tau$ approaches $t$ from one side, $\sigma$ approaches $s$ from the opposite side (for instance, if $t = a$ then $s = b$, and $\sigma \to b^-$ as $\tau \to a^+$). Since $f$ is differentiable on $[a, b]$, the corresponding (one-sided or two-sided) limit $f'(s) = \lim \dfrac{f(\sigma) - f(s)}{\sigma - s}$ exists, and so does the limit of the expression above, giving
In particular, $g$ is differentiable on $[a, b]$.
Setting $t = a$,
by the assumption $f'(b) > 0$. Thus applying the statement (i) to $g$, there exists a $t_1 \in (a, b)$ such that
By the definition of $g$, $g(a) = f(a + b - a) = f(b)$ and $g(t_1) = f(a + b - t_1)$, so
Put $t_2 := a + b - t_1$. Since $t_1 \in (a, b)$, we have $t_1 > a$ and $t_1 \lt b$, so $t_2 = a + b - t_1 \lt b$ and $t_2 > a$. That is, $t_2 \in (a, b)$ and
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 그러면 도함수 $f'(x)$는 중간값 성질을 만족한다, 즉 다음을 만족하는 임의의 $\lambda$에 대해
$f'(x) = \lambda$를 만족하는 어떤 $x \in (a, b)$가 존재한다.
다음과 같이 정의하자.
그러면 $g$는 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 정리 1.21에 의해 $g$는 $[a, b]$ 위에서 연속이다. 따라서 $[a, b]$가 콤팩트집합이므로 $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\}$인 어떤 $x \in [a, b]$가 존재한다. 게다가 $g'(a) = f'(a) - \lambda \lt 0$이고 $g'(b) = f'(b) - \lambda > 0$임을 쉽게 확인할 수 있다. 따라서 보조정리 1.53에 의해 $g(t_1) \lt g(a)$이고 $g(t_2) \lt g(b)$인 $t_1 \in (a, b)$와 $t_2 \in (a, b)$가 존재한다. 이 두 부등식은 $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\} \leq g(t_1) \lt g(a)$이고 $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\} \leq g(t_2) \lt g(b)$임을 함의한다. 따라서 $x \in (a, b)$이고 $g$는 $x \in (a, b)$에서 극소를 가진다. 마지막으로 정리 1.37에 의해 $g'(x) = 0$이고, 따라서
정리가 증명되었다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Then the derivative $f'(x)$ satisfies the intermediate value property, i.e. for any $\lambda$ such that
there exists a $x \in (a, b)$ satisfying $f'(x) = \lambda$.
Define
Then $g$ is differentiable on $[a, b]$ and by Theorem 1.21, $g$ is continuous on $[a, b]$. Thus there exists a $x \in [a, b]$ such that $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\}$ since $[a, b]$ is a compact set. Moreover, one can easily check that $g'(a) = f'(a) - \lambda \lt 0$ and $g'(b) = f'(b) - \lambda > 0$. Thus by Lemma 1.53, there exist $t_1 \in (a, b)$ and $t_2 \in (a, b)$ such that $g(t_1) \lt g(a)$ and $g(t_2) \lt g(b)$. These two inequalities imply that $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\} \leq g(t_1) \lt g(a)$ and $g(x) = \min\{g(t) : t \in [a, b]\} \leq g(t_2) \lt g(b)$. Therefore $x \in (a, b)$ and $g$ has a local minimum at $x \in (a, b)$. Finally, by Theorem 1.37, we have $g'(x) = 0$ and thus
The theorem is proved.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 다음을 만족하는 임의의 $\lambda$에 대해
$f'(x) = \lambda$를 만족하는 어떤 $x \in (a, b)$가 존재함을 증명하라.
$g := -f$로 정의하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하므로 $g$도 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 $g'(t) = -f'(t)$ ($t \in [a, b]$)이다. 가정
의 양변에 $-1$을 곱하면
즉
이다. 따라서 다르부 정리(정리 1.55)를 $g$와 $-\lambda$에 적용하면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여
$g'(x) = -f'(x)$이므로 $-f'(x) = -\lambda$, 즉
를 얻는다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Prove that for any $\lambda$ such that
there exists a $x \in (a, b)$ satisfying $f'(x) = \lambda$.
Define $g := -f$. Since $f$ is differentiable on $[a, b]$, so is $g$, with $g'(t) = -f'(t)$ for $t \in [a, b]$. Multiplying the assumption
by $-1$ gives
that is,
Thus applying the Darboux Theorem (Theorem 1.55) to $g$ and $-\lambda$, there exists an $x \in (a, b)$ such that
Since $g'(x) = -f'(x)$, we have $-f'(x) = -\lambda$, that is,
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. $f'$가 $x \in [a, b]$에서 우연속이 아니라고 가정하자. 그러면 우극한 $\lim_{t \to x^+} f'(t)$는 존재하지 않는다.
$x = b$이면 $x$에서의 $f$의 우극한을 정의할 수 없으므로 명백히 우극한은 존재하지 않는다. 따라서 $x \in [a, b)$라고 가정해도 좋다. 귀류법을 사용하여, 즉
가 존재한다고 가정하자. $f'$가 우연속이 아니므로
함수 $-f$를 대신 생각할 수 있으므로 일반성을 잃지 않고
라고 추가로 가정하자. 다음을 만족하는 $\lambda$를 선택하자.
그러면 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 그러나 정리 1.55에 의해 어떤 $x_1 \in (x, x + \delta)$가 존재하여
이고, 이는 (1.15)에 의해 $f'(x_1) \lt f'(x_1)$이라는 모순으로 이어진다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Assume that $f'$ is not right continuous at $x \in [a, b]$. Then the right limit $\lim_{t \to x^+} f'(t)$ does not exist.
If $x = b$, then the right limit of $f$ at $x$ cannot be defined and thus obviously the right limit does not exist. So we may assume $x \in [a, b)$. We use the reduction to absurdity, that is, assume that
Since $f'$ is not right continuous,
We additionally assume that
without loss of generality since we can consider the function $-f$. Choose a $\lambda$ such that
Then there exists a $\delta > 0$ such that
for all $t \in (x, x + \delta)$. However, by Theorem 1.55, there exists a $x_1 \in (x, x + \delta)$ such that
which leads to contradiction that $f'(x_1) \lt f'(x_1)$ due to (1.15).
$f$를 $[a, b)$ 위의 실숫값 함수라 하고 $x \in [a, b)$에서 $\lim_{t \to x^+} f(t)$가 존재한다고 가정하자. 그러면 $\lambda \lt \lim_{t \to x^+} f(t)$인 임의의 $\lambda$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여
가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립함을 증명하라.
$L := \lim_{t \to x^+} f(t)$로 두자. $\lambda \lt L$이므로 $\varepsilon := L - \lambda > 0$으로 두자. 우극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여($\delta \leq b - x$로 잡아도 좋다)
가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히 이러한 모든 $t$에 대해
이다. 따라서 $\lambda \lt f(t)$가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다.
Let $f$ be a real-valued function on $[a, b)$ and assume that $\lim_{t \to x^+} f(t)$ exists at $x \in [a, b)$. Then for any $\lambda \lt \lim_{t \to x^+} f(t)$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $t \in (x, x + \delta)$.
Put $L := \lim_{t \to x^+} f(t)$. Since $\lambda \lt L$, put $\varepsilon := L - \lambda > 0$. By the definition of the right limit, there exists a $\delta > 0$ (which we may take $\leq b - x$) such that
for all $t \in (x, x + \delta)$. In particular, for all such $t$,
Thus $\lambda \lt f(t)$ for all $t \in (x, x + \delta)$.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. $f'$가 $x \in [a, b]$에서 좌연속이 아니라고 가정하자. 좌극한 $\lim_{t \to x^-} f'(t)$가 존재하지 않음을 증명하라.
$x = a$이면 $x$에서의 $f'$의 좌극한을 정의할 수 없으므로 명백히 좌극한은 존재하지 않는다. 따라서 $x \in (a, b]$라고 가정해도 좋다. 귀류법을 사용하여, 즉
고 가정하자. $f'$가 좌연속이 아니므로
함수 $-f$를 대신 생각할 수 있으므로 일반성을 잃지 않고
라고 추가로 가정하자. 다음을 만족하는 $\lambda$를 선택하자.
좌극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여($\delta \leq x - a$로 잡아도 좋다)
가 $(x - \delta, x)$의 모든 $t$에 대해 성립한다(첫 부등호 $f'(x) \lt \lambda$는 $t$와 무관하게 이미 성립한다). $t' \in (x - \delta, x)$를 하나 고르면 $t' \lt x$이고 (*)에 의해 $f'(t') > \lambda$이다. $f$는 $[t', x] \subset [a, b]$ 위에서 미분가능하고, (*)에 의해
이므로, 연습문제 1.56을 구간 $[t', x]$에 적용하면(즉 연습문제 1.56을 $a := t'$, $b := x$로 놓고 적용하면) 어떤 $x_1 \in (t', x)$가 존재하여
그런데 $x_1 \in (t', x) \subset (x - \delta, x)$이므로 (*)에 의해 $\lambda \lt f'(x_1)$이다. $f'(x_1) = \lambda$였으므로 $\lambda \lt \lambda$라는 모순을 얻는다. 따라서 좌극한 $\lim_{t \to x^-} f'(t)$는 존재하지 않는다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Assume that $f'$ is not left continuous at $x \in [a, b]$. Prove that the left limit $\lim_{t \to x^-} f'(t)$ does not exist.
If $x = a$, then the left limit of $f'$ at $x$ cannot be defined and thus obviously the left limit does not exist. So we may assume $x \in (a, b]$. We use the reduction to absurdity, that is, assume that
Since $f'$ is not left continuous,
We additionally assume that
without loss of generality since we can consider the function $-f$. Choose a $\lambda$ such that
By the definition of the left limit, there exists a $\delta > 0$ (which we may take $\leq x - a$) such that
for all $t \in (x - \delta, x)$ (the first inequality $f'(x) \lt \lambda$ already holds regardless of $t$). Choose a $t' \in (x - \delta, x)$; then $t' \lt x$ and by (*), $f'(t') > \lambda$. Since $f$ is differentiable on $[t', x] \subset [a, b]$ and by (*)
applying Exercise 1.56 to the interval $[t', x]$ (that is, applying Exercise 1.56 with $a := t'$ and $b := x$), there exists an $x_1 \in (t', x)$ such that
However $x_1 \in (t', x) \subset (x - \delta, x)$, so by (*), $\lambda \lt f'(x_1)$. Since $f'(x_1) = \lambda$, we obtain the contradiction $\lambda \lt \lambda$. Therefore the left limit $\lim_{t \to x^-} f'(t)$ does not exist.
$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. $f'$가 $x \in [a, b]$에서 연속이 아니라고 가정하자. 극한 $\lim_{t \to x} f'(t)$가 존재하지 않음을 증명하라.
귀류법을 사용하여 $L := \lim_{t \to x} f'(t)$가 존재한다고 가정하자.
($x = a$인 경우) $f'$의 정의역이 $[a, b]$이므로 $a$ 근방에는 $a$보다 작은 점이 없고, 따라서 $\lim_{t \to a} f'(t)$가 존재한다는 것은 우극한 $\lim_{t \to a^+} f'(t)$가 존재한다는 것과 같다. 그런데 $f'$가 $a$에서 연속이 아니므로 특히 $f'$는 $a$에서 우연속이 아니고, 따름정리 1.57에 의해 우극한 $\lim_{t \to a^+} f'(t)$는 존재하지 않는다. 이는 모순이다.
($x = b$인 경우) 마찬가지로 $\lim_{t \to b} f'(t)$가 존재한다는 것은 좌극한 $\lim_{t \to b^-} f'(t)$가 존재한다는 것과 같다. $f'$가 $b$에서 연속이 아니므로 특히 $f'$는 $b$에서 좌연속이 아니고, 연습문제 1.59에 의해 좌극한 $\lim_{t \to b^-} f'(t)$는 존재하지 않는다. 이는 모순이다.
($x \in (a, b)$인 경우) $L = \lim_{t \to x} f'(t)$가 존재하므로 좌극한과 우극한도 모두 존재하고 $L$과 같다, 즉
우극한이 존재하므로, 따름정리 1.57의 대우에 의해 $f'$는 $x$에서 우연속이어야 한다, 즉
좌극한이 존재하므로, 연습문제 1.59의 대우에 의해 $f'$는 $x$에서 좌연속이어야 한다, 즉
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f'$가 $x$에서 좌연속이고 우연속이므로 어떤 $\delta_1, \delta_2 > 0$가 존재하여
$\delta := \min\{\delta_1, \delta_2\}$로 두면, $t = x$일 때도 $|f'(t) - f'(x)| = 0 \lt \varepsilon$이 자명하게 성립하므로
가 $(x - \delta, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. $\varepsilon > 0$이 임의였으므로 $f'$는 $x$에서 연속이다. 이는 $f'$가 $x$에서 연속이 아니라는 가정에 모순이다.
세 경우 모두 모순이 발생하므로, $\lim_{t \to x} f'(t)$는 존재하지 않는다.
Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Assume that $f'$ is not continuous at $x \in [a, b]$. Prove that the limit $\lim_{t \to x} f'(t)$ does not exist.
We use the reduction to absurdity: assume that $L := \lim_{t \to x} f'(t)$ exists.
(Case $x = a$) Since the domain of $f'$ is $[a, b]$, there are no points less than $a$ near $a$, so the existence of $\lim_{t \to a} f'(t)$ is the same as the existence of the right limit $\lim_{t \to a^+} f'(t)$. But $f'$ is not continuous at $a$, so in particular $f'$ is not right continuous at $a$, and by Corollary 1.57, the right limit $\lim_{t \to a^+} f'(t)$ does not exist. This is a contradiction.
(Case $x = b$) Similarly, the existence of $\lim_{t \to b} f'(t)$ is the same as the existence of the left limit $\lim_{t \to b^-} f'(t)$. Since $f'$ is not continuous at $b$, in particular $f'$ is not left continuous at $b$, and by Exercise 1.59, the left limit $\lim_{t \to b^-} f'(t)$ does not exist. This is a contradiction.
(Case $x \in (a, b)$) Since $L = \lim_{t \to x} f'(t)$ exists, both the left and right limits exist and equal $L$, that is,
Since the right limit exists, by the contrapositive of Corollary 1.57, $f'$ must be right continuous at $x$, that is,
Since the left limit exists, by the contrapositive of Exercise 1.59, $f'$ must be left continuous at $x$, that is,
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f'$ is left continuous and right continuous at $x$, there exist $\delta_1, \delta_2 > 0$ such that
Put $\delta := \min\{\delta_1, \delta_2\}$. Since $|f'(t) - f'(x)| = 0 \lt \varepsilon$ trivially holds at $t = x$ as well,
for all $t \in (x - \delta, x + \delta)$. Since $\varepsilon > 0$ was arbitrary, $f'$ is continuous at $x$. This contradicts the assumption that $f'$ is not continuous at $x$.
Since all three cases lead to a contradiction, $\lim_{t \to x} f'(t)$ does not exist.