§1 Differentiation (ii): The Mean-Value Theorems and Applications · 미분 (ii): 평균값 정리와 그 응용

DEF 1.35 극대 Local Maximum
한국어

$f$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.

English

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 $d(p, q) \lt \delta$.

NOTE
한국어

마찬가지 방법으로 극소를 정의할 수 있다.

English

Similarly, we can define a local minimum.

EX 1.36 극소의 정의 Defining a Local Minimum
한국어

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

$$f(q) \geq f(p)$$

인 것이다.

English

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

$$f(q) \geq f(p)$$

for all $q \in X$ with $d(p, q) \lt \delta$.

THM 1.37 내부 극대점에서의 도함수 The Derivative at an Interior Local Maximum
한국어

$f$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

$$f'(x) = 0.$$

정의 1.35에 의해 어떤 $\delta_0 > 0$가 존재하여

$$f(t) \leq f(x)$$

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

$$(x - \delta_1, x + \delta_1) \subset (a, b).$$

$\delta := \min\{\delta_0, \delta_1\}$로 놓자. 그러면

$$a \lt x - \delta \lt x \lt x + \delta \lt b$$

이고

$$f(t) \leq f(x)$$

가 $(x - \delta, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 따라서 $(x - \delta, x)$의 모든 $t$에 대해

$$\frac{f(t) - f(x)}{t - x} \geq 0$$

이고, 한편 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해

$$\frac{f(t) - f(x)}{t - x} \leq 0.$$

$f'(x)$가 존재하고

$$\lim_{t \to x^+} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x^-} \frac{f(t) - f(x)}{t - x},$$

이므로 마침내

$$0 \geq \lim_{t \to x^+} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x^-} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} \geq 0$$

를 얻고, 이는 명백히 $f'(x) = 0$을 함의한다.

English

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

$$f'(x) = 0.$$

By Definition 1.35, there exists a $\delta_0 > 0$ such that

$$f(t) \leq f(x)$$

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

$$(x - \delta_1, x + \delta_1) \subset (a, b).$$

Set $\delta := \min\{\delta_0, \delta_1\}$. Then

$$a \lt x - \delta \lt x \lt x + \delta \lt b$$

and

$$f(t) \leq f(x)$$

for all $t \in (x - \delta, x + \delta)$. Thus for all $t \in (x - \delta, x)$, we have

$$\frac{f(t) - f(x)}{t - x} \geq 0$$

and on the other hand for all $t \in (x, x + \delta)$

$$\frac{f(t) - f(x)}{t - x} \leq 0.$$

Since $f'(x)$ exists and

$$\lim_{t \to x^+} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x^-} \frac{f(t) - f(x)}{t - x},$$

we finally have

$$0 \geq \lim_{t \to x^+} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} = \lim_{t \to x^-} \frac{f(t) - f(x)}{t - x} \geq 0$$

and it clearly implies that $f'(x) = 0$.

COR 1.38 내부 극소점에서의 도함수 The Derivative at an Interior Local Minimum
한국어

$f$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

$$f'(x) = 0.$$

$g(x) = -f(x)$로 정의하자. 그러면 명백히 $g$는 점 $x$에서 극대를 갖는다. 따라서 정리 1.37에 의해

$$-f'(x) = g'(x) = 0.$$
English

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

$$f'(x) = 0.$$

Define $g(x) = -f(x)$. Then obviously $g$ has a local maximum at the point $x$. Therefore by Theorem 1.37, we have

$$-f'(x) = g'(x) = 0.$$
EX 1.39 극소와 도함수의 소멸 A Local Minimum and the Vanishing Derivative
한국어

$f$가 점 $x \in (a, b)$에서 극소를 가지면

$$f'(x) = 0.$$

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

$$-f'(x) = g'(x) = 0,$$

즉 $f'(x) = 0$이다.

English

Prove or disprove that if $f$ has a local minimum at a point $x \in (a, b)$, then

$$f'(x) = 0.$$

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,

$$-f'(x) = g'(x) = 0,$$

that is, $f'(x) = 0$.

THM 1.40 롤의 정리 Rolle’s theorem
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하며

$$f(a) = f(b).$$

라고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$f'(x) = 0.$$

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.
English

Let $f$ be a real-valued function on $[a, b]$. Assume that $f$ is continuous on $[a, b]$, differentiable on $(a, b)$, and

$$f(a) = f(b).$$

Then there exists a $x \in (a, b)$ such that

$$f'(x) = 0.$$

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 $x \in [a, b]$.
THM 1.41 평균값 정리 Mean-value theorem
한국어

$f$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

$$\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(x).$$

다음과 같이 정의하자.

$$h(t) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(t - a) + f(a) - f(t) \qquad (a \leq t \leq b).$$

그러면 명백히 $h$는 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다. 게다가

$$h(a) = h(b).$$

따라서 롤의 정리에 의해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$h'(x) = 0,$$

이고 이는

$$\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(x).$$

를 함의한다. 정리가 증명되었다.

English

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

$$\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(x).$$

Define

$$h(t) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(t - a) + f(a) - f(t) \qquad (a \leq t \leq b).$$

Then obviously $h$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Moreover,

$$h(a) = h(b).$$

Therefore by Rolle’s theorem, there exists a $x \in (a, b)$ such that

$$h'(x) = 0,$$

which implies

$$\frac{f(b) - f(a)}{b - a} = f'(x).$$

The theorem is proved.

THM 1.42 코시 평균값 정리 Cauchy’s mean-value theorem
한국어

$f$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

$$[f(b) - f(a)]g'(x) = [g(b) - g(a)]f'(x).$$

다음과 같이 정의하자.

$$h(t) = [f(b) - f(a)](g(t) - g(a)) - [g(b) - g(a)](f(t) - f(a)) \qquad (a \leq t \leq b).$$

그러면 명백히 $h$는 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다. 게다가

$$h(a) = h(b).$$

임을 쉽게 확인할 수 있다. 따라서 롤의 정리에 의해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$h'(x) = 0,$$

이고 이는

$$[f(b) - f(a)]g'(x) - [g(b) - g(a)]f'(x) = 0.$$

을 함의한다.

English

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

$$[f(b) - f(a)]g'(x) = [g(b) - g(a)]f'(x).$$

Define

$$h(t) = [f(b) - f(a)](g(t) - g(a)) - [g(b) - g(a)](f(t) - f(a)) \qquad (a \leq t \leq b).$$

Then obviously $h$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Moreover, one can easily check that

$$h(a) = h(b).$$

Therefore by Rolle’s theorem, there exists a $x \in (a, b)$ such that

$$h'(x) = 0,$$

which implies

$$[f(b) - f(a)]g'(x) - [g(b) - g(a)]f'(x) = 0.$$
DEF 1.43 단조함수와 순단조함수 Monotonically and Strictly Monotonic Functions
한국어

$f$를 $\mathbb{R}$의 부분집합 $I$ 위의 실숫값 함수라 하자. 다음과 같이 정의한다.

(i) $f$가 $I$ 위에서 단조증가한다는 것의 필요충분조건은

$$f(x) \leq f(y)$$

가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.

(ii) $f$가 $I$ 위에서 순증가한다는 것의 필요충분조건은

$$f(x) \lt f(y)$$

가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.

(iii) $f$가 $I$ 위에서 단조감소한다는 것의 필요충분조건은

$$f(x) \geq f(y)$$

가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.

(iv) $f$가 $I$ 위에서 순감소한다는 것의 필요충분조건은

$$f(x) > f(y)$$

가 $x, y \in I$이고 $x \lt y$일 때마다 성립하는 것이다.

English

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

$$f(x) \leq f(y)$$

whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.

(ii) $f$ is strictly increasing on $I$ iff

$$f(x) \lt f(y)$$

whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.

(iii) $f$ is monotonically decreasing on $I$ iff

$$f(x) \geq f(y)$$

whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.

(iv) $f$ is strictly decreasing on $I$ iff

$$f(x) > f(y)$$

whenever $x, y \in I$ and $x \lt y$.

THM 1.44 도함수의 부호와 단조성 The Sign of the Derivative and Monotonicity
한국어

$f$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

$$f(y) - f(x) = (y - x)f'(z). \tag{1.6}$$

명제 (i), (ii), (iii)은 모두 (1.6)으로부터 쉽게 얻어진다.

English

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

$$f(y) - f(x) = (y - x)f'(z). \tag{1.6}$$

All assertions (i), (ii), and (iii) are easily obtained from (1.6).

EX 1.45 미분가능함수의 단조성과 도함수의 부호 Monotonicity of a Differentiable Function and the Sign of Its Derivative
한국어

$f$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

$$|\phi(t) - L| \lt \varepsilon$$

가 $0 \lt |t - x| \lt \delta$인 $(a, b)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히

$$\phi(t) \lt L + \varepsilon = L - \frac{L}{2} = \frac{L}{2} \lt 0$$

이고, 이는 $\phi(t) \geq 0$에 모순이다. 따라서 $L \geq 0$, 즉

$$f'(x) \geq 0$$

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

$$\phi(t) > L - \varepsilon = \frac{L}{2} > 0,$$

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.

English

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

$$|\phi(t) - L| \lt \varepsilon$$

for all $t \in (a, b)$ with $0 \lt |t - x| \lt \delta$. In particular,

$$\phi(t) \lt L + \varepsilon = L - \frac{L}{2} = \frac{L}{2} \lt 0,$$

which contradicts $\phi(t) \geq 0$. Therefore $L \geq 0$, that is,

$$f'(x) \geq 0.$$

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

$$\phi(t) > L - \varepsilon = \frac{L}{2} > 0,$$

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.

EX 1.46 연속함수에 대한 동일한 명제 The Same Statements for a Continuous Function
한국어

$f$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.

$$f(x) := x + |x| \qquad (x \in (-1, 1)),$$

$$f(x) = \begin{cases} 2x & (x \geq 0) \\ 0 & (x \lt 0). \end{cases}$$

$f$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

$$\frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = \frac{0 - 0}{t} = 0$$

이므로

$$\lim_{t \to 0^-} \frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = 0,$$

이고, $t > 0$인 경우

$$\frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = \frac{2t}{t} = 2$$

이므로

$$\lim_{t \to 0^+} \frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = 2.$$

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.

$$g(x) := -x - |x| \qquad (x \in (-1, 1)).$$

즉 $g = -f$이고

$$g(x) = \begin{cases} -2x & (x \geq 0) \\ 0 & (x \lt 0). \end{cases}$$

$g$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

$$\lim_{t \to 0^-} \frac{g(t) - g(0)}{t - 0} = 0 \neq -2 = \lim_{t \to 0^+} \frac{g(t) - g(0)}{t - 0}$$

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.

English

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

$$f(x) := x + |x| \qquad (x \in (-1, 1)),$$

that is,

$$f(x) = \begin{cases} 2x & (x \geq 0) \\ 0 & (x \lt 0). \end{cases}$$

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 $t \lt 0$,

$$\frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = \frac{0 - 0}{t} = 0,$$

so

$$\lim_{t \to 0^-} \frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = 0,$$

and for $t > 0$,

$$\frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = \frac{2t}{t} = 2,$$

so

$$\lim_{t \to 0^+} \frac{f(t) - f(0)}{t - 0} = 2.$$

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

$$g(x) := -x - |x| \qquad (x \in (-1, 1)),$$

that is, $g = -f$ and

$$g(x) = \begin{cases} -2x & (x \geq 0) \\ 0 & (x \lt 0). \end{cases}$$

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),

$$\lim_{t \to 0^-} \frac{g(t) - g(0)}{t - 0} = 0 \neq -2 = \lim_{t \to 0^+} \frac{g(t) - g(0)}{t - 0},$$

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).

EX 1.47 소멸하지 않는 도함수와 순단조성 A Nonvanishing Derivative and Strict Monotonicity
한국어

$f$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

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x).$$

$z \in (x, y) \subset (a, b)$이므로 가정에 의해 $f'(z) > 0$이고, $y - x > 0$이므로

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x) > 0,$$

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

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x).$$

가정에 의해 $f'(z) \lt 0$이고 $y - x > 0$이므로

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x) \lt 0,$$

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.

English

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

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x).$$

Since $z \in (x, y) \subset (a, b)$, the assumption gives $f'(z) > 0$, and since $y - x > 0$,

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x) > 0,$$

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

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x).$$

By assumption $f'(z) \lt 0$ and $y - x > 0$, so

$$f(y) - f(x) = f'(z)(y - x) \lt 0,$$

that is, $f(x) > f(y)$. Since $x, y \in (a, b)$ with $x \lt y$ were arbitrary, $f$ is strictly decreasing on $(a, b)$.

NOTE
한국어

상한과 하한의 정의를 상기하자.

English

Recall the definition of the supremum and the infimum.

DEF 1.48 상계와 하계, 상한과 하한 Upper and Lower Bounds, the Supremum and the Infimum
한국어

$A \subset \mathbb{R}$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.
    $$\inf A := \overline{\ell}.$$
English

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
    $$\inf A := \overline{\ell}.$$
REM 1.49 상한과 하한의 존재성 Existence of the Supremum and the Infimum
한국어
  • 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
    $$y \lt \inf A + \varepsilon.$$
English
  • 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
    $$y \lt \inf A + \varepsilon.$$
LEM 1.50 준위 이하 집합의 상한이 열린 구간에 속함 The Supremum of a Sublevel Set Lies in the Open Interval
한국어

$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

라고 가정하자.

정의

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) \leq \lambda\}.$$

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

$$f(y) > \lambda. \tag{1.7}$$

임에 주목하자. $\varepsilon > 0$가 주어졌다고 하자. $f$가 $x$에서 연속이므로 어떤 $\delta > 0$가 존재하여

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon \tag{1.8}$$

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

$$\frac{\lambda}{2} + \frac{f(a)}{2} = \lambda - \frac{\lambda - f(a)}{2} \lt f(y) - \frac{\lambda - f(a)}{2} = f(y) - \varepsilon \lt f(x) = f(a).$$

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

$$x - \delta \lt y.$$

그러면 (1.8)과 $A$의 정의에 의해

$$f(b) = f(x) \lt f(y) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon = \lambda + \frac{f(b) - \lambda}{2} = \frac{f(b) + \lambda}{2}.$$

따라서

$$f(b) \lt \lambda,$$

를 얻고 이는 모순이다. 보조정리가 증명되었다.

English

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

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

Define

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) \leq \lambda\}.$$

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 $y \in (x, b]$,

$$f(y) > \lambda. \tag{1.7}$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is continuous at $x$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon \tag{1.8}$$

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)

$$\frac{\lambda}{2} + \frac{f(a)}{2} = \lambda - \frac{\lambda - f(a)}{2} \lt f(y) - \frac{\lambda - f(a)}{2} = f(y) - \varepsilon \lt f(x) = f(a).$$

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

$$x - \delta \lt y.$$

Thus by (1.8) and the definition of $A$,

$$f(b) = f(x) \lt f(y) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon = \lambda + \frac{f(b) - \lambda}{2} = \frac{f(b) + \lambda}{2}.$$

Therefore, we have

$$f(b) \lt \lambda,$$

which is contradiction. The lemma is proved.

THM 1.51 중간값 정리 Intermediate value theorem
한국어

$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

라고 가정하자. 그러면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$f(x) = \lambda.$$

다음과 같이 정의하고

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) \leq \lambda\}.$$

$x = \sup A$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

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon \tag{1.9}$$

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

$$x - \delta \lt y^* \leq x.$$

$A$의 정의에 의해

$$f(y^*) \leq \lambda. \tag{1.10}$$

(1.9)와 (1.10)을 결합하면

$$f(x) \lt f(y^*) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon. \tag{1.11}$$

한편 $x \in (a, b)$이므로 어떤 $y^{**} \in (x, x + \delta) \cap [a, b]$가 존재한다. $y^{**} > x = \sup A$이므로

$$f(y^{**}) > \lambda \tag{1.12}$$

(1.9)와 (1.12)를 결합하면

$$\lambda - \varepsilon \lt f(y^{**}) - \varepsilon \lt f(x). \tag{1.13}$$

마지막으로 (1.11)과 (1.13)은

$$\lambda - \varepsilon \lt f(x) \lt \lambda + \varepsilon.$$

을 함의한다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수일 수 있으므로

$$f(x) = \lambda.$$

를 결론짓는다. 정리가 증명되었다.

English

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

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

Then there is a $x \in (a, b)$ such that

$$f(x) = \lambda.$$

Define

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) \leq \lambda\}.$$

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

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon \tag{1.9}$$

for all $y \in (x - \delta, x + \delta) \cap [a, b]$. Moreover, since $x = \sup A$, there exists a $y^* \in A$ such that

$$x - \delta \lt y^* \leq x.$$

By the definition of $A$, we have

$$f(y^*) \leq \lambda. \tag{1.10}$$

Combining (1.9) and (1.10), we have

$$f(x) \lt f(y^*) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon. \tag{1.11}$$

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

$$f(y^{**}) > \lambda \tag{1.12}$$

Combining (1.9) and (1.12), we obtain

$$\lambda - \varepsilon \lt f(y^{**}) - \varepsilon \lt f(x). \tag{1.13}$$

Finally (1.11) and (1.13) imply

$$\lambda - \varepsilon \lt f(x) \lt \lambda + \varepsilon.$$

Since $\varepsilon > 0$ can be any arbitrary positive constant, we conclude that

$$f(x) = \lambda.$$

The theorem is proved.

EX 1.52 하한을 이용한 중간값 정리 The Intermediate Value Theorem via the Infimum
한국어

$f$를 $a \lt b$인 $[a, b]$ 위의 실숫값 연속함수라 하자. 어떤 실수 $\lambda$가 존재하여

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

라고 가정하자.

정의

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) > \lambda\}.$$

$\inf A$가 $\mathbb{R}$에서 존재하고

$$f(x) = \lambda.$$

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

$$f(y) \leq \lambda$$

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

$$|f(a) - f(y)| \lt \varepsilon$$

가 $[a, a + \delta) \cap [a, b]$의 모든 $y$에 대해 성립한다. 이때

$$f(y) \lt f(a) + \varepsilon = f(a) + \frac{\lambda - f(a)}{2} = \frac{f(a) + \lambda}{2} \lt \lambda$$

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

$$|f(b) - f(y)| \lt \varepsilon$$

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

$$f(y) > f(b) - \varepsilon = f(b) - \frac{f(b) - \lambda}{2} = \frac{f(b) + \lambda}{2} > \lambda$$

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

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

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

$$f(x) > f(y^*) - \varepsilon > \lambda - \varepsilon.$$

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

$$f(x) \lt f(y^{**}) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon.$$

따라서

$$\lambda - \varepsilon \lt f(x) \lt \lambda + \varepsilon$$

이고, $\varepsilon > 0$이 임의였으므로

$$f(x) = \lambda$$

를 결론짓는다.

English

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

$$f(a) \lt \lambda \lt f(b).$$

Define

$$A := \{t \in [a, b] : f(t) > \lambda\}.$$

Prove that $\inf A$ exists in $\mathbb{R}$ and

$$f(x) = \lambda.$$

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 $y \in [a, x)$,

$$f(y) \leq \lambda.$$

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

$$|f(a) - f(y)| \lt \varepsilon$$

for all $y \in [a, a + \delta) \cap [a, b]$. Then

$$f(y) \lt f(a) + \varepsilon = f(a) + \frac{\lambda - f(a)}{2} = \frac{f(a) + \lambda}{2} \lt \lambda,$$

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

$$|f(b) - f(y)| \lt \varepsilon$$

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,

$$f(y) > f(b) - \varepsilon = f(b) - \frac{f(b) - \lambda}{2} = \frac{f(b) + \lambda}{2} > \lambda,$$

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

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

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,

$$f(x) > f(y^*) - \varepsilon > \lambda - \varepsilon.$$

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,

$$f(x) \lt f(y^{**}) + \varepsilon \leq \lambda + \varepsilon.$$

Therefore

$$\lambda - \varepsilon \lt f(x) \lt \lambda + \varepsilon,$$

and since $\varepsilon > 0$ was arbitrary, we conclude

$$f(x) = \lambda.$$
NOTE
한국어

다음 함수의 도함수가

$$f(x) = \begin{cases} x^2 \sin\frac{1}{x} & (x \neq 0) \\ 0 & (x = 0). \end{cases}$$

다음과 같이 주어짐을 상기하자.

$$f'(x) = \begin{cases} 2x \sin\frac{1}{x} - \cos\frac{1}{x} & (x \neq 0) \\ 0 & (x = 0). \end{cases}$$

명백히 $f'(x)$는 $x$에서 연속이 아니다. 그러나 $f'(x)$는 중간값 성질을 만족한다, 즉 모든 $a \lt b$와

$$f'(a) \lt \lambda \lt f'(b),$$

를 만족하는 $\lambda \in \mathbb{R}$에 대해 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$f'(x) = \lambda.$$

따라서 이것이 우연인지 묻는 것은 자연스럽다. 이 질문에 답하기 위해서는 다음 보조정리가 필요하다.

English

Recall that the derivative of

$$f(x) = \begin{cases} x^2 \sin\frac{1}{x} & (x \neq 0) \\ 0 & (x = 0). \end{cases}$$

is given by

$$f'(x) = \begin{cases} 2x \sin\frac{1}{x} - \cos\frac{1}{x} & (x \neq 0) \\ 0 & (x = 0). \end{cases}$$

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

$$f'(a) \lt \lambda \lt f'(b),$$

there exists a $x \in (a, b)$ such that

$$f'(x) = \lambda.$$

Thus it is natural to ask if it is coincidence? To answer this question, we need the following lemma.

LEM 1.53 끝점에서의 도함수의 부호 The Sign of the Derivative at an Endpoint
한국어

$f$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

$$f'(a) = \lim_{t \to a^+} \frac{f(t) - f(a)}{t - a}$$

와 우극한에 의해, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여

$$\left| \frac{f(t) - f(a)}{t - a} - f'(a) \right| \lt \varepsilon$$

가 $(a, a + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히 $\varepsilon = -\frac{f'(a)}{2}$에 대해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여

$$\left| \frac{f(t) - f(a)}{t - a} - f'(a) \right| \lt -\frac{f'(a)}{2} \tag{1.14}$$

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

$$\frac{f(t_1) - f(a)}{t_1 - a} \lt \frac{f'(a)}{2} \lt 0.$$

을 함의한다. 마지막으로 $t_1 > a$이므로 $f(t_1) \lt f(a)$이다.

English

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

$$f'(a) = \lim_{t \to a^+} \frac{f(t) - f(a)}{t - a}$$

and the right limit, for any $\varepsilon > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$\left| \frac{f(t) - f(a)}{t - a} - f'(a) \right| \lt \varepsilon$$

for all $t \in (a, a + \delta)$. In particular, for $\varepsilon = -\frac{f'(a)}{2}$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$\left| \frac{f(t) - f(a)}{t - a} - f'(a) \right| \lt -\frac{f'(a)}{2} \tag{1.14}$$

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

$$\frac{f(t_1) - f(a)}{t_1 - a} \lt \frac{f'(a)}{2} \lt 0.$$

Finally we have $f(t_1) \lt f(a)$ since $t_1 > a$.

EX 1.54 보조정리 1.53의 (ii)를 두 가지 방법으로 증명하기 Proving (ii) of Lemma 1.53 in Two Ways
한국어

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

$$f'(b) = \lim_{t \to b^-} \frac{f(t) - f(b)}{t - b}.$$

$f'(b) > 0$이므로 $\varepsilon := \dfrac{f'(b)}{2} > 0$으로 두자. 극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여($\delta \leq b - a$로 잡아도 좋다)

$$\left| \frac{f(t) - f(b)}{t - b} - f'(b) \right| \lt \varepsilon$$

가 $(b - \delta, b)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히

$$\frac{f(t) - f(b)}{t - b} > f'(b) - \varepsilon = \frac{f'(b)}{2} > 0$$

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

$$f(t_2) - f(b) \lt 0,$$

즉 $f(t_2) \lt f(b)$이다.

(2) 명제 (i)를 적용하여. 다음과 같이 정의하자.

$$g(t) := f(a + b - t) \qquad (t \in [a, b]).$$

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

$$\frac{g(\tau) - g(t)}{\tau - t} = \frac{f(\sigma) - f(s)}{(a + b - \sigma) - (a + b - s)} = \frac{f(\sigma) - f(s)}{s - \sigma} = -\frac{f(\sigma) - f(s)}{\sigma - s}.$$

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

$$g'(t) = -f'(s) = -f'(a + b - t)$$

를 얻는다. 특히 $g$는 $[a, b]$ 위에서 미분가능하다.

$t = a$를 대입하면

$$g'(a) = -f'(b) \lt 0$$

이다($f'(b) > 0$이라는 가정에 의해). 따라서 명제 (i)를 $g$에 적용하면 어떤 $t_1 \in (a, b)$가 존재하여

$$g(t_1) \lt g(a).$$

$g$의 정의에 의해 $g(a) = f(a + b - a) = f(b)$이고 $g(t_1) = f(a + b - t_1)$이므로

$$f(a + b - t_1) \lt f(b).$$

$t_2 := a + b - t_1$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

$$f(t_2) \lt f(b)$$

를 얻는다.

English

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),

$$f'(b) = \lim_{t \to b^-} \frac{f(t) - f(b)}{t - b}.$$

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

$$\left| \frac{f(t) - f(b)}{t - b} - f'(b) \right| \lt \varepsilon$$

for all $t \in (b - \delta, b)$. In particular,

$$\frac{f(t) - f(b)}{t - b} > f'(b) - \varepsilon = \frac{f'(b)}{2} > 0.$$

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

$$f(t_2) - f(b) \lt 0,$$

that is, $f(t_2) \lt f(b)$.

(2) By applying the statement (i). Define

$$g(t) := f(a + b - t) \qquad (t \in [a, b]).$$

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

$$\frac{g(\tau) - g(t)}{\tau - t} = \frac{f(\sigma) - f(s)}{(a + b - \sigma) - (a + b - s)} = \frac{f(\sigma) - f(s)}{s - \sigma} = -\frac{f(\sigma) - f(s)}{\sigma - s}.$$

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

$$g'(t) = -f'(s) = -f'(a + b - t).$$

In particular, $g$ is differentiable on $[a, b]$.

Setting $t = a$,

$$g'(a) = -f'(b) \lt 0$$

by the assumption $f'(b) > 0$. Thus applying the statement (i) to $g$, there exists a $t_1 \in (a, b)$ such that

$$g(t_1) \lt g(a).$$

By the definition of $g$, $g(a) = f(a + b - a) = f(b)$ and $g(t_1) = f(a + b - t_1)$, so

$$f(a + b - t_1) \lt f(b).$$

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

$$f(t_2) \lt f(b).$$
THM 1.55 다르부 정리 Darboux Theorem
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 그러면 도함수 $f'(x)$는 중간값 성질을 만족한다, 즉 다음을 만족하는 임의의 $\lambda$에 대해

$$f'(a) \lt \lambda \lt f'(b),$$

$f'(x) = \lambda$를 만족하는 어떤 $x \in (a, b)$가 존재한다.

다음과 같이 정의하자.

$$g(t) := f(t) - \lambda t \qquad (t \in [a, b]).$$

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

$$f'(x) = \lambda.$$

정리가 증명되었다.

English

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

$$f'(a) \lt \lambda \lt f'(b),$$

there exists a $x \in (a, b)$ satisfying $f'(x) = \lambda$.

Define

$$g(t) := f(t) - \lambda t \qquad (t \in [a, b]).$$

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

$$f'(x) = \lambda.$$

The theorem is proved.

EX 1.56 감소하는 경우의 다르부 성질 The Darboux Property in the Decreasing Case
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 미분가능함수라 하자. 다음을 만족하는 임의의 $\lambda$에 대해

$$f'(b) \lt \lambda \lt f'(a),$$

$f'(x) = \lambda$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

$$f'(b) \lt \lambda \lt f'(a)$$

의 양변에 $-1$을 곱하면

$$-f'(a) \lt -\lambda \lt -f'(b),$$

$$g'(a) \lt -\lambda \lt g'(b)$$

이다. 따라서 다르부 정리(정리 1.55)를 $g$와 $-\lambda$에 적용하면 어떤 $x \in (a, b)$가 존재하여

$$g'(x) = -\lambda.$$

$g'(x) = -f'(x)$이므로 $-f'(x) = -\lambda$, 즉

$$f'(x) = \lambda$$

를 얻는다.

English

Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Prove that for any $\lambda$ such that

$$f'(b) \lt \lambda \lt f'(a),$$

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

$$f'(b) \lt \lambda \lt f'(a)$$

by $-1$ gives

$$-f'(a) \lt -\lambda \lt -f'(b),$$

that is,

$$g'(a) \lt -\lambda \lt g'(b).$$

Thus applying the Darboux Theorem (Theorem 1.55) to $g$ and $-\lambda$, there exists an $x \in (a, b)$ such that

$$g'(x) = -\lambda.$$

Since $g'(x) = -f'(x)$, we have $-f'(x) = -\lambda$, that is,

$$f'(x) = \lambda.$$
COR 1.57 도함수의 우극한의 부존재 Non-existence of the Right Limit of a Derivative
한국어

$f$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

$$\lim_{t \to x^+} f'(t) \quad \text{존재한다.}$$

가 존재한다고 가정하자. $f'$가 우연속이 아니므로

$$f'(x) \neq \lim_{t \to x^+} f'(t).$$

함수 $-f$를 대신 생각할 수 있으므로 일반성을 잃지 않고

$$f'(x) \lt \lim_{t \to x^+} f'(t)$$

라고 추가로 가정하자. 다음을 만족하는 $\lambda$를 선택하자.

$$f'(x) \lt \lambda \lt \lim_{t \to x^+} f'(t).$$

그러면 어떤 $\delta > 0$가 존재하여

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t) \tag{1.15}$$

가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 그러나 정리 1.55에 의해 어떤 $x_1 \in (x, x + \delta)$가 존재하여

$$f'(x_1) = \lambda,$$

이고, 이는 (1.15)에 의해 $f'(x_1) \lt f'(x_1)$이라는 모순으로 이어진다.

English

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

$$\lim_{t \to x^+} f'(t) \quad \text{exists.}$$

Since $f'$ is not right continuous,

$$f'(x) \neq \lim_{t \to x^+} f'(t).$$

We additionally assume that

$$f'(x) \lt \lim_{t \to x^+} f'(t)$$

without loss of generality since we can consider the function $-f$. Choose a $\lambda$ such that

$$f'(x) \lt \lambda \lt \lim_{t \to x^+} f'(t).$$

Then there exists a $\delta > 0$ such that

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t) \tag{1.15}$$

for all $t \in (x, x + \delta)$. However, by Theorem 1.55, there exists a $x_1 \in (x, x + \delta)$ such that

$$f'(x_1) = \lambda,$$

which leads to contradiction that $f'(x_1) \lt f'(x_1)$ due to (1.15).

EX 1.58 우극한 근방에서의 엄격한 하계 A Strict Lower Bound Near a Right Limit
한국어

$f$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

$$\lambda \lt f(t)$$

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)

$$|f(t) - L| \lt \varepsilon$$

가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다. 특히 이러한 모든 $t$에 대해

$$f(t) > L - \varepsilon = L - (L - \lambda) = \lambda$$

이다. 따라서 $\lambda \lt f(t)$가 $(x, x + \delta)$의 모든 $t$에 대해 성립한다.

English

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

$$\lambda \lt f(t)$$

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

$$|f(t) - L| \lt \varepsilon$$

for all $t \in (x, x + \delta)$. In particular, for all such $t$,

$$f(t) > L - \varepsilon = L - (L - \lambda) = \lambda.$$

Thus $\lambda \lt f(t)$ for all $t \in (x, x + \delta)$.

EX 1.59 도함수의 좌극한의 부존재 Non-existence of the Left Limit of a Derivative
한국어

$f$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

$$\lim_{t \to x^-} f'(t) \quad \text{존재한다.}$$

고 가정하자. $f'$가 좌연속이 아니므로

$$f'(x) \neq \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

함수 $-f$를 대신 생각할 수 있으므로 일반성을 잃지 않고

$$f'(x) \lt \lim_{t \to x^-} f'(t)$$

라고 추가로 가정하자. 다음을 만족하는 $\lambda$를 선택하자.

$$f'(x) \lt \lambda \lt \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

좌극한의 정의에 의해 어떤 $\delta > 0$가 존재하여($\delta \leq x - a$로 잡아도 좋다)

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t) \tag{*}$$

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

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t')$$

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

$$f'(x_1) = \lambda.$$

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.

English

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

$$\lim_{t \to x^-} f'(t) \quad \text{exists.}$$

Since $f'$ is not left continuous,

$$f'(x) \neq \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

We additionally assume that

$$f'(x) \lt \lim_{t \to x^-} f'(t)$$

without loss of generality since we can consider the function $-f$. Choose a $\lambda$ such that

$$f'(x) \lt \lambda \lt \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

By the definition of the left limit, there exists a $\delta > 0$ (which we may take $\leq x - a$) such that

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t) \tag{*}$$

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 (*)

$$f'(x) \lt \lambda \lt f'(t'),$$

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

$$f'(x_1) = \lambda.$$

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.

EX 1.60 도함수의 극한의 부존재 Non-existence of the Limit of a Derivative
한국어

$f$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

$$\lim_{t \to x^+} f'(t) = L = \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

우극한이 존재하므로, 따름정리 1.57의 대우에 의해 $f'$는 $x$에서 우연속이어야 한다, 즉

$$f'(x) = \lim_{t \to x^+} f'(t) = L.$$

좌극한이 존재하므로, 연습문제 1.59의 대우에 의해 $f'$는 $x$에서 좌연속이어야 한다, 즉

$$f'(x) = \lim_{t \to x^-} f'(t) = L.$$

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f'$가 $x$에서 좌연속이고 우연속이므로 어떤 $\delta_1, \delta_2 > 0$가 존재하여

$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon \qquad (t \in (x - \delta_1, x)),$$
$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon \qquad (t \in (x, x + \delta_2)).$$

$\delta := \min\{\delta_1, \delta_2\}$로 두면, $t = x$일 때도 $|f'(t) - f'(x)| = 0 \lt \varepsilon$이 자명하게 성립하므로

$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon$$

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.

English

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,

$$\lim_{t \to x^+} f'(t) = L = \lim_{t \to x^-} f'(t).$$

Since the right limit exists, by the contrapositive of Corollary 1.57, $f'$ must be right continuous at $x$, that is,

$$f'(x) = \lim_{t \to x^+} f'(t) = L.$$

Since the left limit exists, by the contrapositive of Exercise 1.59, $f'$ must be left continuous at $x$, that is,

$$f'(x) = \lim_{t \to x^-} f'(t) = L.$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f'$ is left continuous and right continuous at $x$, there exist $\delta_1, \delta_2 > 0$ such that

$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon \qquad (t \in (x - \delta_1, x)),$$
$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon \qquad (t \in (x, x + \delta_2)).$$

Put $\delta := \min\{\delta_1, \delta_2\}$. Since $|f'(t) - f'(x)| = 0 \lt \varepsilon$ trivially holds at $t = x$ as well,

$$|f'(t) - f'(x)| \lt \varepsilon$$

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.