§1 Differentiation (iii): L’Hospital’s Rule and Taylor’s Theorem · 미분 (iii): 로피탈 법칙과 테일러 정리

DEF 1.61 무한대 극한 Infinite limits
한국어

$f$를 $a \lt b$인 열린 구간 $(a, b)$에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $c \in (a, b)$에 대하여, 다음과 같이 쓴다

$$\lim_{x \to c} f(x) = \infty$$

또는 $x \to c$일 때 $f(x) \to \infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M > 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) > M$$

$(c - \delta, c) \cup (c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여. 한편, 다음과 같이 쓴다

$$\lim_{x \to c} f(x) = -\infty$$

또는 $x \to c$일 때 $f(x) \to -\infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M \lt 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) \lt M$$

$(c - \delta, c) \cup (c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여. 마찬가지로, $c \in [a, b)$에 대하여

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

또는 $x \downarrow c$일 때 $f(x) \to \infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M > 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) > M$$

$(c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on an open interval $(a, b)$ with $a \lt b$. For $c \in (a, b)$, we write

$$\lim_{x \to c} f(x) = \infty$$

or $f(x) \to \infty$ as $x \to c$ iff for any $M > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) > M$$

for all $y \in (c - \delta, c) \cup (c, c + \delta)$. On the other hand, we write

$$\lim_{x \to c} f(x) = -\infty$$

or $f(x) \to -\infty$ as $x \to c$ iff for any $M \lt 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) \lt M$$

for all $y \in (c - \delta, c) \cup (c, c + \delta)$. Similarly, for $c \in [a, b)$

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

or $f(x) \to \infty$ as $x \downarrow c$ iff for any $M > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) > M$$

for all $y \in (c, c + \delta)$.

EX 1.62 나머지 무한대 극한의 정의 Defining the remaining infinite limits
한국어

다음을 정의하라.

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = -\infty, \quad \lim_{x \to c^-} f(x) = \infty,$$

그리고

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = -\infty.$$

$c \in [a, b)$에 대하여, 다음과 같이 정의한다.

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = -\infty$$

또는 $x \downarrow c$일 때 $f(x) \to -\infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M \lt 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) \lt M$$

$(c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여.

마찬가지로, $c \in (a, b]$에 대하여, 다음과 같이 정의한다.

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = \infty$$

또는 $x \uparrow c$일 때 $f(x) \to \infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M > 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) > M$$

$(c - \delta, c)$의 모든 $y$에 대하여.

끝으로, $c \in (a, b]$에 대하여, 다음과 같이 정의한다.

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = -\infty$$

또는 $x \uparrow c$일 때 $f(x) \to -\infty$라고 쓰는 것은, 임의의 $M \lt 0$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

$$f(y) \lt M$$

$(c - \delta, c)$의 모든 $y$에 대하여.

English

Define

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = -\infty, \quad \lim_{x \to c^-} f(x) = \infty,$$

and

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = -\infty.$$

For $c \in [a, b)$, we define

$$\lim_{x \to c^+} f(x) = -\infty$$

or $f(x) \to -\infty$ as $x \downarrow c$ iff for any $M \lt 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) \lt M$$

for all $y \in (c, c + \delta)$.

Similarly, for $c \in (a, b]$, we define

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = \infty$$

or $f(x) \to \infty$ as $x \uparrow c$ iff for any $M > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) > M$$

for all $y \in (c - \delta, c)$.

Finally, for $c \in (a, b]$, we define

$$\lim_{x \to c^-} f(x) = -\infty$$

or $f(x) \to -\infty$ as $x \uparrow c$ iff for any $M \lt 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) \lt M$$

for all $y \in (c - \delta, c)$.

EX 1.63 무한 우극한의 동치 표현 Equivalent formulations of an infinite right limit
한국어

$f$를 $a \lt b$인 열린 구간 $(a, b)$에서 정의된 실숫값 함수라 하고 $c \in (a, b)$라 하자. 다음을 증명하라.

  • (i)
    $$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

    인 것은, 모든 $M \in \mathbb{R}$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것과 동치이다

    $$f(y) > M$$

    $(c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여.

  • (ii)
    $$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

    인 것은, 어떤 $M_0 \in \mathbb{R}$이 존재하여 모든 $M > M_0$에 대해 다음을 만족하는 $\delta > 0$을 찾을 수 있는 것과 동치이다

    $$f(y) > M$$

    $(c, c + \delta)$의 모든 $y$에 대하여.

  • (i) (⟸) 임의의 $M \in \mathbb{R}$에 대하여 조건이 성립한다고 가정하면, 특히 임의의 $M > 0$에 대해서도 성립하므로, 이는 정의 1.61의 우극한 조건과 정확히 일치한다. 따라서 $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$이다.

    (⟹) $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$라 가정하자. 정의 1.61을 $M' = 1 > 0$에 적용하면, 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

    $$f(y) > 1 \qquad \forall y \in (c, c + \delta).$$

    이제 임의의 $M \in \mathbb{R}$을 택하자. $M \leq 0$이면 $M \leq 0 \lt 1$이므로 $f(y) > 1 > M$이 $(c, c+\delta)$의 모든 $y$에 대하여 성립하며, 즉 위의 $\delta$가 이 $M$에 대해서도 그대로 작동한다. $M > 0$이면, $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$라는 가정을 정의 1.61에서 이 $M$에 직접 적용하여 $f(y) > M$을 만족하는 $\delta > 0$을 얻는다. 두 경우 모두 원하는 $\delta$가 존재하므로, 모든 $M \in \mathbb{R}$에 대하여 $f(y) > M$을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다. 이로써 (i)이 증명되었다.

  • (ii) (⟹) $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$라 가정하고 $M_0 := 0$이라 하자. 그러면 임의의 $M > M_0 = 0$에 대하여, 정의 1.61에 의해 $f(y) > M$을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

    (⟸) 어떤 $M_0 \in \mathbb{R}$이 존재하여, 모든 $M > M_0$에 대해 $f(y) > M$을 만족하는 $\delta > 0$을 찾을 수 있다고 가정하자. 임의의 $M' > 0$이 주어졌다고 하자. $M := \max\{M', M_0 + 1\}$이라 하면 $M \geq M_0 + 1 > M_0$이므로, 가정에 의해 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

    $$f(y) > M \qquad \forall y \in (c, c+\delta).$$

    $M \geq M'$이므로 $f(y) > M \geq M'$, 즉 $f(y) > M'$이 $(c, c+\delta)$의 모든 $y$에 대하여 성립한다. 따라서 이 $\delta$는 $M'$에 대한 정의 1.61의 조건을 만족시키므로 $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$이다. 이로써 (ii)도 증명되었다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on an open interval $(a, b)$ with $a \lt b$ and $c \in (a, b)$. Prove

  • (i)
    $$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

    iff for all $M \in \mathbb{R}$, there exists a $\delta > 0$ such that

    $$f(y) > M$$

    for all $y \in (c, c + \delta)$.

  • (ii)
    $$\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$$

    iff there exists $M_0 \in \mathbb{R}$ such that for all $M > M_0$, one can find a $\delta > 0$ such that

    $$f(y) > M$$

    for all $y \in (c, c + \delta)$.

  • (i) ($\Leftarrow$) Suppose the condition holds for all $M \in \mathbb{R}$; in particular it holds for all $M > 0$, which is exactly the condition for the right limit in Definition 1.61. Hence $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$.

    ($\Rightarrow$) Suppose $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$. Applying Definition 1.61 with $M' = 1 > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

    $$f(y) > 1 \qquad \forall y \in (c, c + \delta).$$

    Now let $M \in \mathbb{R}$ be arbitrary. If $M \leq 0$, then since $M \leq 0 \lt 1$, we have $f(y) > 1 > M$ for all $y \in (c, c+\delta)$, that is, the $\delta$ above works for this $M$ as well. If $M > 0$, then applying the assumption $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$ directly to this $M$ in Definition 1.61, we obtain a $\delta > 0$ such that $f(y) > M$. In either case, the desired $\delta$ exists, so for all $M \in \mathbb{R}$, there exists a $\delta > 0$ such that $f(y) > M$. This proves (i).

  • (ii) ($\Rightarrow$) Suppose $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$ and let $M_0 := 0$. Then for any $M > M_0 = 0$, by Definition 1.61 there exists a $\delta > 0$ such that $f(y) > M$.

    ($\Leftarrow$) Suppose there exists $M_0 \in \mathbb{R}$ such that for all $M > M_0$, one can find a $\delta > 0$ such that $f(y) > M$. Let $M' > 0$ be given. Let $M := \max\{M', M_0 + 1\}$. Then $M \geq M_0 + 1 > M_0$, so by the assumption there exists a $\delta > 0$ such that

    $$f(y) > M \qquad \forall y \in (c, c+\delta).$$

    Since $M \geq M'$, we have $f(y) > M \geq M'$, that is, $f(y) > M'$ for all $y \in (c, c+\delta)$. Hence this $\delta$ satisfies the condition of Definition 1.61 for $M'$, so $\lim_{x \to c^+} f(x) = \infty$. This proves (ii).

REM 1.64 비유계 구간에서의 무한대 극한 Infinite limits on unbounded intervals
한국어

$f$를 $-\infty \leq a \lt b \leq \infty$인 열린 구간 $(a, b)$ 위의 실숫값 함수라 하자. $a = -\infty$이거나 $b = \infty$인 경우에도 모든 극한을 같은 방식으로 정의할 수 있다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on an open interval $(a, b)$, where $-\infty \leq a \lt b \leq \infty$. We can define all limits in a similar way even though $a = -\infty$ or $b = \infty$.

LEM 1.65 한쪽 극한에 대한 부등식 판정법 An inequality criterion for a one-sided limit
한국어

$f$를 $-\infty \leq a \lt b \leq \infty$인 열린 구간 $(a, b)$에서 정의된 실숫값 함수라 하고 $A \in \mathbb{R}$라 하자. 그러면

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = A$$

인 것은, $q_1 \lt A \lt q_2$를 만족하는 모든 실수 $q_1$, $q_2$에 대하여 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재하는 것과 동치이다

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2.$$

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여.

$-\infty \lt a$인 경우만 다루고 $a = -\infty$인 경우는 연습문제로 남겨둔다. 먼저 "$\Leftarrow$ 방향"을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 다음을 만족하도록 $q_1$과 $q_2$를 택한다.

$$q_1 \in (A - \varepsilon, A) \tag{1.16}$$

그리고

$$q_2 \in (A, A + \varepsilon). \tag{1.17}$$

그러면 가정에 의해 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재한다.

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2$$

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여. 따라서

$$f(y) - A \lt q_2 - A \tag{1.18}$$

그리고

$$A - f(y) \lt A - q_1 \tag{1.19}$$

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여. (1.18), (1.19), (1.16), (1.17)을 적용하면

$$|f(y) - A| \lt \max\{q_2 - A, A - q_1\} \lt \varepsilon$$

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여. 마지막으로 $\delta = c - a$로 두면

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

$(a, a + \delta)$의 모든 $y$에 대하여. 다음으로 "$\Rightarrow$ 방향"을 증명한다. $q_1 \lt A \lt q_2$라 하자. 다음을 정의한다.

$$\varepsilon = \min\{A - q_1, q_2 - A\}.$$

그러면 자명하게 $\varepsilon > 0$이고, 이 $\varepsilon$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

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

$(a, a + \delta)$의 모든 $y$에 대하여. $c \in (a, a + \delta) \cap (a, b)$를 택하자. 그러면

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

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여. 이 부등식으로부터

$$f(y) = f(y) - A + A \leq |f(y) - A| + A \lt \varepsilon + A \leq q_2 - A + A = q_2$$

그리고

$$f(y) = f(y) - A + A > -\varepsilon + A \geq -(A - q_1) + A = q_1$$

$(a, c)$의 모든 $y$에 대하여. 이로써 보조정리가 증명되었다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on an open interval $(a, b)$ with $-\infty \leq a \lt b \leq \infty$ and $A \in \mathbb{R}$. Then

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = A$$

iff for all real numbers $q_1$ and $q_2$ such that $q_1 \lt A \lt q_2$, there exist exists a $c \in (a, b)$ such that

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2.$$

for all $y \in (a, c)$.

We only consider the case $-\infty \lt a$ and leave the case $a = -\infty$ as an exercise. First we prove “the if part ($\Leftarrow$)”. Let $\varepsilon > 0$ be given. Choose $q_1$ and $q_2$ so that

$$q_1 \in (A - \varepsilon, A) \tag{1.16}$$

and

$$q_2 \in (A, A + \varepsilon). \tag{1.17}$$

Then by the assumption, there exists a $c \in (a, b)$ such that

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2$$

for all $y \in (a, c)$. Thus

$$f(y) - A \lt q_2 - A \tag{1.18}$$

and

$$A - f(y) \lt A - q_1 \tag{1.19}$$

for all $y \in (a, c)$. Applying (1.18), (1.19), (1.16), and (1.17), we have

$$|f(y) - A| \lt \max\{q_2 - A, A - q_1\} \lt \varepsilon$$

for all $y \in (a, c)$. Finally taking $\delta = c - a$, we have

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

for all $y \in (a, a + \delta)$. Next we prove “the only if part ($\Rightarrow$)”. Let $q_1 \lt A \lt q_2$. Define

$$\varepsilon = \min\{A - q_1, q_2 - A\}.$$

Then obviously $\varepsilon > 0$ and for this $\varepsilon$, there exists a $\delta > 0$ such that

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

for all $y \in (a, a + \delta)$. Choose a $c \in (a, a + \delta) \cap (a, b)$. Then

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

for all $y \in (a, c)$. This inequality implies

$$f(y) = f(y) - A + A \leq |f(y) - A| + A \lt \varepsilon + A \leq q_2 - A + A = q_2$$

and

$$f(y) = f(y) - A + A > -\varepsilon + A \geq -(A - q_1) + A = q_1$$

for all $y \in (a, c)$. The lemma is proved.

EX 1.66 무한대 극한을 갖는 끝점 근방에서의 비교 Comparison near an endpoint with an infinite limit
한국어

$f$를 열린 구간 $(a, b)$ 위의 실숫값 함수라 하자. 다음을 가정하자.

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = \infty.$$

임의의 $x \in (a, b)$에 대하여 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재함을 보여라.

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, c).$$

$x \in (a, b)$를 임의로 택하자. $\lim_{t \to a^+} f(t) = \infty$이므로, 연습문제 1.63(i)를 왼쪽 끝점 $a$에 적용하면, 임의의 $M \in \mathbb{R}$에 대하여 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다 (연습문제 1.63은 그 점이 $(a,b)$에 있는 경우로 서술되었으나, 그 증명은 정의 1.61의 우극한 조건만을 사용하며 정의 1.61 자체가 $c \in [a,b)$, 즉 끝점 $a$까지 포함하므로 (i)의 동치관계는 끝점 $a$에서도 그대로 성립한다).

$$f(y) > M \qquad \forall y \in (a, a + \delta).$$

$M := f(x)$로 두면, 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, a + \delta).$$

필요하면 $\delta$를 더 작게 잡아 $a + \delta \lt b$가 되도록 할 수 있다 (이렇게 $\delta$를 줄여도 $(a, a+\delta)$가 더 작은 구간으로 바뀔 뿐이므로 위 부등식은 그대로 성립한다). $c := a + \delta$라 하면 $c \in (a, b)$이고

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, c)$$

가 성립한다. $x \in (a,b)$가 임의였으므로 증명이 완성되었다.

English

Let $f$ be a real-valued function on an open interval $(a, b)$. Suppose that

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = \infty.$$

Show that for any $x \in (a, b)$, there exists $c \in (a, b)$ such that

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, c).$$

Let $x \in (a, b)$ be arbitrary. Since $\lim_{t \to a^+} f(t) = \infty$, applying Exercise 1.63(i) at the left endpoint $a$, for any $M \in \mathbb{R}$ there exists a $\delta > 0$ such that (Exercise 1.63 is stated for a point of $(a,b)$, but its proof uses only the right-limit condition of Definition 1.61, and Definition 1.61 itself covers $c \in [a,b)$, i.e. includes the endpoint $a$, so the equivalence in (i) holds equally well at the endpoint $a$).

$$f(y) > M \qquad \forall y \in (a, a + \delta).$$

Take $M := f(x)$. Then there exists a $\delta > 0$ such that

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, a + \delta).$$

If necessary, we may shrink $\delta$ so that $a + \delta \lt b$ (shrinking $\delta$ only makes $(a, a+\delta)$ a smaller interval, so the above inequality still holds). Let $c := a + \delta$. Then $c \in (a, b)$ and

$$f(y) > f(x) \qquad \forall y \in (a, c)$$

holds. Since $x \in (a,b)$ was arbitrary, the proof is complete.

EX 1.67 비유계 끝점에 대한 보조정리 1.65 Lemma 1.65 for an unbounded endpoint
한국어

$a = -\infty$일 때 보조정리 1.65를 증명하라.

$a = -\infty$인 경우를 다룬다. 주의 1.64에 의해 $-\infty$의 근방은 $(-\infty, c)$ ($c \in \mathbb{R}$) 꼴로 주어지므로, 정의 1.6(ii)의 패턴을 그대로 따라 $A \in \mathbb{R}$에 대하여

$$\lim_{t \to -\infty} f(t) = A$$

라는 것은, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대하여 다음을 만족하는 $c \in \mathbb{R}$이 존재하는 것과 동치로 정의된다.

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

이 정의 아래, 보조정리 1.65의 증명을 $(a, a + \delta)$를 $(-\infty, c)$로 바꾸고 "$\delta = c - a$로 둔다"는 과정을 생략한 채 그대로 따라간다.

먼저 "$\Leftarrow$ 방향"을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 다음을 만족하도록 $q_1$과 $q_2$를 택한다.

$$q_1 \in (A - \varepsilon, A) \quad \text{그리고} \quad q_2 \in (A, A + \varepsilon).$$

그러면 가정에 의해 다음을 만족하는 $c \in (a, b) = (-\infty, b)$가 존재한다.

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c) = (-\infty, c).$$

따라서

$$f(y) - A \lt q_2 - A \quad \text{그리고} \quad A - f(y) \lt A - q_1 \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

이를 종합하면

$$|f(y) - A| \lt \max\{q_2 - A, A - q_1\} \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

$(-\infty, c)$ 위에서 이미 원하는 형태를 얻었으므로 ($a$가 유한한 경우처럼 $\delta = c - a$로 바꾸는 과정이 필요 없다), $|f(y) - A| \lt \varepsilon$이 $(-\infty, c)$의 모든 $y$에 대하여 성립한다.

다음으로 "$\Rightarrow$ 방향"을 증명한다. $q_1 \lt A \lt q_2$라 하자. 다음을 정의한다.

$$\varepsilon = \min\{A - q_1, q_2 - A\}.$$

그러면 자명하게 $\varepsilon > 0$이고, 이 $\varepsilon$에 대하여 다음을 만족하는 $c_0 \in \mathbb{R}$이 존재한다.

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c_0).$$

$c \in (-\infty, c_0) \cap (a, b)$를 택하자 (이는 $(-\infty, c_0)$와 $(a, b) = (-\infty, b)$가 모두 $-\infty$ 방향으로 뻗은 열린 구간이므로 공집합이 아니다). 그러면

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (a, c) = (-\infty, c).$$

이 부등식으로부터

$$f(y) = f(y) - A + A \leq |f(y) - A| + A \lt \varepsilon + A \leq q_2 - A + A = q_2$$

그리고

$$f(y) = f(y) - A + A > -\varepsilon + A \geq -(A - q_1) + A = q_1$$

이 $(-\infty, c)$의 모든 $y$에 대하여 성립한다. 이로써 $a = -\infty$인 경우의 보조정리가 증명되었다.

English

Prove lemma 1.65 when $a = -\infty$.

We consider the case $a = -\infty$. By Remark 1.64, a neighborhood of $-\infty$ has the form $(-\infty, c)$ for $c \in \mathbb{R}$, so, following the pattern of Definition 1.6(ii), for $A \in \mathbb{R}$ we define

$$\lim_{t \to -\infty} f(t) = A$$

to mean that for any $\varepsilon > 0$, there exists $c \in \mathbb{R}$ such that

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

Under this definition, we follow the proof of Lemma 1.65 verbatim, replacing $(a, a+\delta)$ by $(-\infty, c)$ and omitting the step of "taking $\delta = c - a$".

First we prove "the if part ($\Leftarrow$)". Let $\varepsilon > 0$ be given. Choose $q_1$ and $q_2$ so that

$$q_1 \in (A - \varepsilon, A) \quad \text{and} \quad q_2 \in (A, A + \varepsilon).$$

Then by the assumption, there exists a $c \in (a, b) = (-\infty, b)$ such that

$$q_1 \lt f(y) \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c) = (-\infty, c).$$

Thus

$$f(y) - A \lt q_2 - A \quad \text{and} \quad A - f(y) \lt A - q_1 \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

Combining these, we have

$$|f(y) - A| \lt \max\{q_2 - A, A - q_1\} \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c).$$

Since we already obtained the desired form on $(-\infty, c)$ (there is no need for the step of converting to $\delta = c - a$ as in the finite-$a$ case), $|f(y) - A| \lt \varepsilon$ holds for all $y \in (-\infty, c)$.

Next we prove "the only if part ($\Rightarrow$)". Let $q_1 \lt A \lt q_2$. Define

$$\varepsilon = \min\{A - q_1, q_2 - A\}.$$

Then obviously $\varepsilon > 0$ and for this $\varepsilon$, there exists $c_0 \in \mathbb{R}$ such that

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (-\infty, c_0).$$

Choose $c \in (-\infty, c_0) \cap (a, b)$ (this is nonempty since both $(-\infty, c_0)$ and $(a, b) = (-\infty, b)$ are open intervals extending toward $-\infty$). Then

$$|f(y) - A| \lt \varepsilon \qquad \forall y \in (a, c) = (-\infty, c).$$

This inequality implies

$$f(y) = f(y) - A + A \leq |f(y) - A| + A \lt \varepsilon + A \leq q_2 - A + A = q_2$$

and

$$f(y) = f(y) - A + A > -\varepsilon + A \geq -(A - q_1) + A = q_1$$

for all $y \in (-\infty, c)$. This proves the lemma for the case $a = -\infty$.

THM 1.68 로피탈 법칙 L’Hospital’s rule
한국어

$f$와 $g$를 다음을 만족하는 $(a, b)$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수라 하자.

$$-\infty \leq a \lt b \leq \infty.$$

모든 $x \in (a, b)$에 대하여 $g'(x) \neq 0$이고, 어떤 $A \in [-\infty, \infty] := \mathbb{R} \cup \{-\infty, \infty\}$에 대하여

$$\lim_{t \to a^+} \frac{f'(t)}{g'(t)} = A, \tag{1.20}$$

가 성립한다고 가정하자. 추가로 다음을 가정하자.

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = \lim_{t \to a^+} g(t) = 0 \tag{1.21}$$

또는

$$\lim_{t \to a^+} g(t) = \infty. \tag{1.22}$$

그러면

$$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = A.$$

증명을 여러 단계로 나눈다.

  • (i) $-\infty \leq A \lt \infty$라 하자. 이 단계에서는 $A \lt q_2$인 임의의 실수 $q_2$에 대하여 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재함을 증명한다.
    $$\frac{f(y)}{g(y)} \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c).$$

    $A \lt q_2$라 하고 $r \in (A, q_2)$를 택하자. (1.20)에 의해 다음을 만족하는 $c_0 \in (a, b)$가 존재한다.

    $$\frac{f'(t)}{g'(t)} \lt r \qquad \forall t \in (a, c_0).$$

    $a \lt x \lt y \lt c_0$라 하자. 그러면 코시 평균값 정리에 의해 다음을 만족하는 $t_0 \in (a, c_0)$가 존재한다.

    $$\frac{f(x) - f(y)}{g(x) - g(y)} = \frac{f'(t_0)}{g'(t_0)} \lt r. \tag{1.23}$$

    (1.21)이 성립한다고 하자. 그러면 (1.23)에서 $x \downarrow a$로 두면

    $$\frac{f(y)}{g(y)} \leq r \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c_0).$$

    다음으로 (1.22)가 성립한다고 하자. (1.23)에서 $y$를 고정하고 $x$를 $a$에 충분히 가깝게 잡아

    $$g(x) > 0 \quad \text{and} \quad g(x) > g(y), \tag{1.24}$$

    즉, (1.24)가 모든 $x \in (a, c_1)$에 대해 성립하도록 하는 $c_1 \in (a, y)$가 존재한다. 이러한 $x$에 대하여 (1.23)의 양변에 $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)}$를 곱하면

    $$\frac{f(x) - f(y)}{g(x)} \lt r \frac{g(x) - g(y)}{g(x)}.$$

    이고, 따라서

    $$\frac{f(x)}{g(x)} \lt r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)}.$$

    (1.22)가 성립하므로, $x$가 $a$에 충분히 가까우면

    $$-r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} \lt q_2 - r,$$

    즉, 다음이 모든 $x \in (a, c_2)$에 대해 성립하도록 하는

    $$\frac{f(x)}{g(x)} \lt r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} \lt q_2 \tag{1.25}$$

    $c_2 \in (a, c_1) \subset (a, b)$가 존재한다.

  • (ii) $-\infty \lt A \leq \infty$라 하자. 이 단계에서는 $q_1 \lt A$인 임의의 실수 $q_1$에 대하여 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재함을 증명한다.
    $$q_1 \lt \frac{f(y)}{g(y)} \qquad \forall y \in (a, c).$$

    이 단계는 (i)의 증명을 따라 쉽게 증명할 수 있으므로 자세한 내용은 생략한다.

  • (iii) 이 단계에서 증명을 완성한다. $A = -\infty$이면 (i)에 의해
    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = -\infty = A.$$

    $A = \infty$이면 (ii)에 의해

    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = \infty = A.$$

    $A \in \mathbb{R}$이면 (i), (ii), 그리고 보조정리 1.65에 의해

    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = A.$$
English

Let $f$ and $g$ be real-valued differentiable functions on $(a, b)$, where

$$-\infty \leq a \lt b \leq \infty.$$

Assume that $g'(x) \neq 0$ for all $x \in (a, b)$ and

$$\lim_{t \to a^+} \frac{f'(t)}{g'(t)} = A, \tag{1.20}$$

for some $A \in [-\infty, \infty] := \mathbb{R} \cup \{-\infty, \infty\}$. Additionally, suppose that

$$\lim_{t \to a^+} f(t) = \lim_{t \to a^+} g(t) = 0 \tag{1.21}$$

or

$$\lim_{t \to a^+} g(t) = \infty. \tag{1.22}$$

Then

$$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = A.$$

We divide the proof into several steps.

  • (i) Assume $-\infty \leq A \lt \infty$. In this step, we prove for any real number $q_2$ such that $A \lt q_2$, there exists a $c \in (a, b)$ such that
    $$\frac{f(y)}{g(y)} \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c).$$

    Let $A \lt q_2$ and choose $r \in (A, q_2)$. By (1.20), there exists a $c_0 \in (a, b)$ such that

    $$\frac{f'(t)}{g'(t)} \lt r \qquad \forall t \in (a, c_0).$$

    Let $a \lt x \lt y \lt c_0$. Then by Cauchy’s mean-value theorem, there exists a $t_0 \in (a, c_0)$ such that

    $$\frac{f(x) - f(y)}{g(x) - g(y)} = \frac{f'(t_0)}{g'(t_0)} \lt r. \tag{1.23}$$

    Suppose (1.21) holds. Then taking $x \downarrow a$ in (1.23), we have

    $$\frac{f(y)}{g(y)} \leq r \lt q_2 \qquad \forall y \in (a, c_0).$$

    Next suppose (1.22) holds. Fix $y$ in (1.23) and take $x$ close enough to $a$ so that

    $$g(x) > 0 \quad \text{and} \quad g(x) > g(y), \tag{1.24}$$

    that is, there exists $c_1 \in (a, y)$ such that (1.24) holds for all $x \in (a, c_1)$. For these $x$, multiplying (1.23) by $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)}$, we have

    $$\frac{f(x) - f(y)}{g(x)} \lt r \frac{g(x) - g(y)}{g(x)}.$$

    and thus

    $$\frac{f(x)}{g(x)} \lt r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)}.$$

    Since (1.22) holds, if $x$ is close enough to $a$, then

    $$-r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} \lt q_2 - r,$$

    that is, there exist $c_2 \in (a, c_1) \subset (a, b)$ such that

    $$\frac{f(x)}{g(x)} \lt r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} \lt q_2 \tag{1.25}$$

    for all $x \in (a, c_2)$.

  • (ii) Assume $-\infty \lt A \leq \infty$. In this step, we prove for any real number $q_1$ such that $q_1 \lt A$, there exists a $c \in (a, b)$ such that
    $$q_1 \lt \frac{f(y)}{g(y)} \qquad \forall y \in (a, c).$$

    One can easily prove this step following the proof of (i) and thus we skip the details.

  • (iii) We complete the proof in this step. If $A = -\infty$, then by (i)
    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = -\infty = A.$$

    If $A = \infty$, then by (ii)

    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = \infty = A.$$

    If $A \in \mathbb{R}$, then by (i), (ii), and Lemma 1.65,

    $$\lim_{t \to a^+} \frac{f(t)}{g(t)} = A.$$
EX 1.69 정리 1.68 증명의 (ii)단계 완성 Completing step (ii) in the proof of Theorem 1.68
한국어

정리 1.68의 증명에서 (ii)를 완전히 증명하라.

$-\infty \lt A \leq \infty$라 하자. $q_1 \lt A$인 임의의 실수 $q_1$에 대하여, 다음을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재함을 보인다.

$$q_1 \lt \frac{f(y)}{g(y)} \qquad \forall y \in (a, c).$$

$q_1 \lt A$라 하고 $r \in (q_1, A)$를 택하자. (1.20)에 의해 다음을 만족하는 $c_0 \in (a, b)$가 존재한다.

$$\frac{f'(t)}{g'(t)} > r \qquad \forall t \in (a, c_0).$$

$a \lt x \lt y \lt c_0$라 하자. 그러면 코시 평균값 정리에 의해 다음을 만족하는 $t_0 \in (a, c_0)$가 존재한다.

$$\frac{f(x) - f(y)}{g(x) - g(y)} = \frac{f'(t_0)}{g'(t_0)} > r.$$

(1.21)이 성립한다고 하자. 그러면 위 부등식에서 $x \downarrow a$로 두면

$$\frac{f(y)}{g(y)} \geq r > q_1 \qquad \forall y \in (a, c_0).$$

다음으로 (1.22)가 성립한다고 하자. $y$를 고정하고 $x$를 $a$에 충분히 가깝게 잡아

$$g(x) > 0 \quad \text{and} \quad g(x) > g(y),$$

즉, 위 조건이 모든 $x \in (a, c_1)$에 대해 성립하도록 하는 $c_1 \in (a, y)$가 존재한다. 이러한 $x$에 대하여, $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)} > 0$이므로 위 부등식의 양변에 $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)}$를 곱하면 (부등호 방향이 유지되어)

$$\frac{f(x) - f(y)}{g(x)} > r \frac{g(x) - g(y)}{g(x)}.$$

이고, 따라서

$$\frac{f(x)}{g(x)} > r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)}.$$

(1.22)가 성립하므로, $x$가 $a$에 충분히 가까우면

$$-r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} > q_1 - r,$$

즉, 다음이 모든 $x \in (a, c_2)$에 대해 성립하도록 하는

$$\frac{f(x)}{g(x)} > r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} > q_1$$

$c_2 \in (a, c_1) \subset (a, b)$가 존재한다.

두 경우 모두에서 원하는 $c$ ((1.21)의 경우 $c = c_0$, (1.22)의 경우 $c = c_2$)가 존재하므로, (ii)단계의 증명이 완성된다.

English

Completely prove (ii) in the proof of Theorem 1.68.

Assume $-\infty \lt A \leq \infty$. For any real number $q_1$ such that $q_1 \lt A$, we show that there exists a $c \in (a, b)$ such that

$$q_1 \lt \frac{f(y)}{g(y)} \qquad \forall y \in (a, c).$$

Let $q_1 \lt A$ and choose $r \in (q_1, A)$. By (1.20), there exists a $c_0 \in (a, b)$ such that

$$\frac{f'(t)}{g'(t)} > r \qquad \forall t \in (a, c_0).$$

Let $a \lt x \lt y \lt c_0$. Then by Cauchy's mean-value theorem, there exists a $t_0 \in (a, c_0)$ such that

$$\frac{f(x) - f(y)}{g(x) - g(y)} = \frac{f'(t_0)}{g'(t_0)} > r.$$

Suppose (1.21) holds. Then taking $x \downarrow a$ in the above inequality, we have

$$\frac{f(y)}{g(y)} \geq r > q_1 \qquad \forall y \in (a, c_0).$$

Next suppose (1.22) holds. Fix $y$ and take $x$ close enough to $a$ so that

$$g(x) > 0 \quad \text{and} \quad g(x) > g(y),$$

that is, there exists $c_1 \in (a, y)$ such that this holds for all $x \in (a, c_1)$. For these $x$, since $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)} > 0$, multiplying the above inequality by $\frac{g(x) - g(y)}{g(x)}$ (which preserves the direction of the inequality), we have

$$\frac{f(x) - f(y)}{g(x)} > r \frac{g(x) - g(y)}{g(x)}.$$

and thus

$$\frac{f(x)}{g(x)} > r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)}.$$

Since (1.22) holds, if $x$ is close enough to $a$, then

$$-r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} > q_1 - r,$$

that is, there exists $c_2 \in (a, c_1) \subset (a, b)$ such that

$$\frac{f(x)}{g(x)} > r - r \frac{g(y)}{g(x)} + \frac{f(y)}{g(x)} > q_1$$

for all $x \in (a, c_2)$.

In either case, the desired $c$ exists ($c = c_0$ in the case of (1.21), $c = c_2$ in the case of (1.22)), which completes the proof of step (ii).

DEF 1.70 고계 도함수 Higher-order derivatives
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수이고 그 도함수 $f'$ 또한 $[a, b]$ 위에서 미분가능하다고 하자. 그러면 $f'$의 도함수를 $f''$ 또는 $f^{(2)}$로 표기한다. $f''$이 다시 미분가능하면, $f^{(2)}$의 도함수를 $f^{(3)}$으로 표기한다. 귀납적으로, 모든 $n \geq 3$에 대하여 $f^{(n-1)}$이 미분가능하면 $f^{(n)}$은 $f^{(n-1)}$의 도함수를 나타낸다. $f^{(n)}$을 $f$의 $n$계 도함수라 하고, $f^{(n)}(t)$가 존재하면 $f$가 $t$에서 $n$번 미분가능하다고 한다.

English

Assume that $f$ is a real-valued differentiable function on $[a, b]$ and its derivative $f'$ is also differentiable on $[a, b]$. Then we denote the derivative of $f'$ by $f''$ or $f^{(2)}$. If $f''$ is differentiable again, then the derivative of $f^{(2)}$ is denoted by $f^{(3)}$. Inductively, for all $n \geq 3$, $f^{(n)}$ denotes the derivative of $f^{(n-1)}$ if $f^{(n-1)}$ is differentiable. $f^{(n)}$ is called $n$-th derivative of $f$ and we say that $f$ is $n$-times differentiable at $t$ if $f^{(n)}(t)$ exists at $t$.

THM 1.71 평균값 정리의 일반화 A generalization of the mean-value theorem
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. 어떤 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 $f^{(n-1)}$이 $[a, b]$ 위에서 연속이고 모든 $t \in (a, b)$에서 $f^{(n)}(t)$가 존재한다고 가정하자. 여기서 $f^{(0)} := f$, $f^{(1)} := f'$이다. 그러면 서로 다른 모든 $\alpha, \beta \in [a, b]$에 대하여 $\alpha$와 $\beta$ 사이의 점 $x_1$, $x_2$, $\cdots$, $x_n$이 존재하여 다음이 성립한다.

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(\alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + \cdots + f^{(n-1)}(\alpha)(x_{(n-2)} - \alpha) \cdots (x_3 - \alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + f^{(n)}(x_n)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

특히 $n = 1$이면 $\alpha$와 $\beta$ 사이의 $x$가 존재하여 다음이 성립한다.

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x)(\beta - \alpha).$$

먼저 $n = 1$일 때 정리가 성립함을 보인다. $\alpha, \beta \in [a, b]$이고 $\alpha \neq \beta$라 하자. $n = 1$이고 $\alpha \lt \beta$이면, 평균값 정리에 의해 다음을 만족하는 $x_1 \in (\alpha, \beta)$가 존재한다.

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha).$$

$n = 1$이고 $\beta \lt \alpha$이면, 다시 평균값 정리에 의해 다음을 만족하는 $x_1 \in (\beta, \alpha)$가 존재한다.

$$f(\alpha) - f(\beta) = f'(x_1)(\alpha - \beta).$$

또한, 다음이 성립하므로

$$\begin{aligned} f(\beta) - f(\alpha) & = -(f(\alpha) - f(\beta)) \\ & = -f'(x_1)(\alpha - \beta) = f'(x_1)(\beta - \alpha), \end{aligned}$$

평균값 정리에 의해 $\alpha$와 $\beta$ 사이의 $x_1$이 존재하여

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha) \tag{1.26}$$

가 $\alpha \lt \beta$이든 $\alpha > \beta$이든 관계없이 성립함을 쉽게 확인할 수 있다. 다음으로 $n = 2$이면 평균값 정리를 두 번 적용한다. 평균값 정리에 의해 $\alpha$와 $x_1$ 사이의 $x_2$가 존재하여

$$f'(x_1) = f'(x_1) - f'(\alpha) + f'(\alpha) = f''(x_2)(x_1 - \alpha) + f'(\alpha). \tag{1.27}$$

(1.27)을 (1.26)에 대입하면

$$\begin{aligned} f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha) & = \left( f''(x_2)(x_1 - \alpha) + f'(\alpha) \right)(\beta - \alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(x_2)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned} \tag{1.28}$$

$n = 3$이면 평균값 정리를 3번 적용한다. 평균값 정리에 의해 $\alpha$와 $x_2$ 사이의 $x_3$가 존재하여

$$f''(x_2) = f''(x_2) - f''(\alpha) + f''(\alpha) = f^{(3)}(x_3)(x_2 - \alpha) + f''(\alpha). \tag{1.29}$$

(1.29)를 (1.28)에 대입하면

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(x_3)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

일반적으로, 임의의 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 평균값 정리를 $n$번 적용하면

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(\alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + \cdots f^{(n-1)}(\alpha)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_3 - \alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + f^{(n)}(x_n)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

정리가 증명되었다.

English

Let $f$ be a real-valued function on $[a, b]$. Assume that for some $n \in \mathbb{N}$, $f^{(n-1)}$ is continuous on $[a, b]$ and $f^{(n)}(t)$ exists for every $t \in (a, b)$, where $f^{(0)} := f$ and $f^{(1)} := f'$. Then for all distinct $\alpha, \beta \in [a, b]$, there exist points $x_1$, $x_2$, $\cdots$, $x_n$ between $\alpha$ and $\beta$ such that

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(\alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + \cdots + f^{(n-1)}(\alpha)(x_{(n-2)} - \alpha) \cdots (x_3 - \alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + f^{(n)}(x_n)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

In particular, if $n = 1$, then there exists a $x$ between $\alpha$ and $\beta$ such that

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x)(\beta - \alpha).$$

First we show that the theorem holds for $n = 1$. Let $\alpha, \beta \in [a, b]$ such that $\alpha \neq \beta$. If $n = 1$ and $\alpha \lt \beta$, then by the mean-value theorem, there exists a $x_1 \in (\alpha, \beta)$ such that

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha).$$

If $n = 1$ and $\beta \lt \alpha$, then by the mean-value theorem again, there exists a $x_1 \in (\beta, \alpha)$ such that

$$f(\alpha) - f(\beta) = f'(x_1)(\alpha - \beta).$$

Moreover, since

$$\begin{aligned} f(\beta) - f(\alpha) & = -(f(\alpha) - f(\beta)) \\ & = -f'(x_1)(\alpha - \beta) = f'(x_1)(\beta - \alpha), \end{aligned}$$

we can easily check that the mean-value theorem implies that there exists a $x_1$ between $\alpha$ and $\beta$ such that

$$f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha) \tag{1.26}$$

is true whether $\alpha \lt \beta$ or $\alpha > \beta$. Next if $n = 2$, we apply the mean-value theorem twice. By the mean-value theorem, there exists $x_2$ between $\alpha$ and $x_1$ such that

$$f'(x_1) = f'(x_1) - f'(\alpha) + f'(\alpha) = f''(x_2)(x_1 - \alpha) + f'(\alpha). \tag{1.27}$$

Plugging (1.27) in (1.26), we have

$$\begin{aligned} f(\beta) - f(\alpha) = f'(x_1)(\beta - \alpha) & = \left( f''(x_2)(x_1 - \alpha) + f'(\alpha) \right)(\beta - \alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(x_2)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned} \tag{1.28}$$

If $n = 3$, then we apply the mean-value theorem 3-times. By the mean-value theorem, there exists a $x_3$ between $\alpha$ and $x_2$ such that

$$f''(x_2) = f''(x_2) - f''(\alpha) + f''(\alpha) = f^{(3)}(x_3)(x_2 - \alpha) + f''(\alpha). \tag{1.29}$$

Plugging (1.29) in (1.28), we obtain

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(x_3)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

In general, for any $n \in \mathbb{N}$, applying the mean-value theorem $n$-times, we have

$$\begin{aligned} & f(\beta) - f(\alpha) \\ & = f'(\alpha)(\beta - \alpha) + f''(\alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) + f^{(3)}(\alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + \cdots f^{(n-1)}(\alpha)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_3 - \alpha)(x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha) \\ & \quad + f^{(n)}(x_n)(x_{(n-1)} - \alpha) \cdots (x_2 - \alpha)(x_1 - \alpha)(\beta - \alpha). \end{aligned}$$

The theorem is proved.

COR 1.72 1차 근사의 오차 한계 An error bound for the first-order approximation
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수라 하자. $f'$이 $[a, b]$ 위에서 연속이고 모든 $t \in (a, b)$에서 $f''(t)$가 존재한다고 가정하자. 그러면 모든 $t \in (a, b]$에 대하여 다음을 만족하는 $x_t \in (a, t)$가 존재한다.

$$|f(t) - f(a) - f'(a)(t - a)| \leq |f''(x_t)| \, (t - a)^2.$$

정리 1.71에 의해 다음을 만족하는 $x_1, x_2 \in (a, t)$가 존재한다.

$$f(t) - f(a) = f'(a)(t - a) + f''(x_2)(x_1 - a)(t - a).$$

$|x_1 - a| \lt |t - a|$이므로

$$|f(t) - f(a) - f'(a)(t - a)| = |f''(x_2)(x_1 - a)(t - a)| \leq |f''(x_2)||t - a|^2$$
English

Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Assume that $f'$ is continuous on $[a, b]$ and $f''(t)$ exists for every $t \in (a, b)$. Then for all $t \in (a, b]$, there exists a $x_t \in (a, t)$ such that

$$|f(t) - f(a) - f'(a)(t - a)| \leq |f''(x_t)| \, (t - a)^2.$$

By Theorem 1.71, there exist $x_1, x_2 \in (a, t)$ such that

$$f(t) - f(a) = f'(a)(t - a) + f''(x_2)(x_1 - a)(t - a).$$

Since $|x_1 - a| \lt |t - a|$, we have

$$|f(t) - f(a) - f'(a)(t - a)| = |f''(x_2)(x_1 - a)(t - a)| \leq |f''(x_2)||t - a|^2$$
NOTE
한국어

따름정리 1.72에 의해, 1차 다항식

$$f(a) + f'(a)(t - a)$$

은 $f''(x)$가 유계이고 $t$가 $a$ 근방에 있을 때, 즉 $\sup_{x \in (a,t)} |f''(x)| \lt \infty$일 때 $f$의 좋은 근사가 된다. 더 일반적으로, $f$가 $n$번 미분가능할 때 다항식

$$p(t) := \sum_{k=0}^{n-1} f^{(k)}(a)(t - a)^k$$

이 $t = a$ 근방에서 $f(t)$의 최선의 다항식 근사인지 묻는 것은 자연스럽다. 여기서 "최선의 근사"란 무엇을 의미하는가? $f(a) = p(a)$임을 관찰하자. 그러나 모든 $j \in \{1, 2, \ldots, n-1\}$에 대하여

$$p^{(j)}(a) = j! f^{(j)}(a).$$

따라서 $f^{(j)}(a) \neq 0$이고 $j \neq 1$이면 $p^{(j)}(a) \neq f^{(j)}(a)$이다. 이제 다음 다항식을 생각해보자.

$$\tilde{p}(t) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(a)}{k!} (t - a)^k.$$

그러면

$$\tilde{p}^{(j)}(a) = f^{(j)}(a) \qquad \forall j \in \{0, 1, 2, \ldots, n-1\}.$$

이러한 의미에서, $\tilde{p}(t)$가 $t = a$ 근방에서 $p(t)$보다 더 나은 다항식 근사라고 말한다.

English

Due to Corollary 1.72, the first-order polynomial

$$f(a) + f'(a)(t - a)$$

is a good approximation of $f$ if $f''(x)$ is bounded and $t$ is near $a$, i.e. $\sup_{x \in (a,t)} |f''(x)| \lt \infty$. More generally, it is natural to ask if the polynomial

$$p(t) := \sum_{k=0}^{n-1} f^{(k)}(a)(t - a)^k$$

is the best polynomial approximation of $f(t)$ near $t = a$ if $f$ is $n$-times differentiable? Here what does the “best approximation” mean? Observe that $f(a) = p(a)$. However for all $j \in \{1, 2, \ldots, n-1\}$

$$p^{(j)}(a) = j! f^{(j)}(a).$$

Thus $p^{(j)}(a) \neq f^{(j)}(a)$ if $f^{(j)}(a) \neq 0$ nor $j = 1$. Next let’s consider the polynomial

$$\tilde{p}(t) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(a)}{k!} (t - a)^k.$$

Then

$$\tilde{p}^{(j)}(a) = f^{(j)}(a) \qquad \forall j \in \{0, 1, 2, \ldots, n-1\}.$$

In this sense, we say that $\tilde{p}(t)$ is a better polynomial approximation than $p(t)$ near $t = a$.

THM 1.73 테일러 정리 Taylor’s theorem
한국어

$f$를 $[a, b]$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수라 하자. 어떤 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 $f^{n-1}$이 $[a, b]$ 위에서 연속이고 모든 $t \in (a, b)$에서 $f^{(n)}(t)$가 존재한다고 가정하자. 여기서 $f^{(0)} := f$, $f^{(1)} := f'$이다. 그러면 서로 다른 모든 $\alpha, \beta \in [a, b]$에 대하여 $\alpha$와 $\beta$ 사이의 점 $x$가 존재하여 다음이 성립한다.

$$f(\beta) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(\alpha)}{k!} (\beta - \alpha)^k + \frac{f^{(n)}(x)}{n!} (\beta - \alpha)^n. \tag{1.30}$$

$\alpha, \beta \in [a, b]$이고 $\alpha \neq \beta$라 하자. 다음을 정의한다.

$$p(t) := \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(\alpha)}{k!} (t - \alpha)^k \qquad (t \in [a, b])$$

그리고

$$M := \frac{f(\beta) - p(\beta)}{(\beta - \alpha)^n}. \tag{1.31}$$

다음을 정의한다.

$$g(t) := f(t) - p(t) - M(t - \alpha)^n \qquad (a \leq t \leq b).$$

그러면 자명하게

$$g(\beta) = f(\beta) - p(\beta) - M(\beta - \alpha)^n = 0.$$

또한 $k = 0, 1, \ldots, n-1$에 대하여

$$f^{(k)}(\alpha) = p^{(k)}(\alpha)$$

이므로

$$g^{(k)}(\alpha) = f^{(k)}(\alpha) - p^{(k)}(\alpha) - Mn(n-1) \cdots (n-k+1)(\alpha - \alpha)^{n-k} = 0.$$

따라서 롤의 정리에 의해 $\alpha$와 $\beta$ 사이의 $x_1$이 존재하여

$$g'(x_1) = 0.$$

롤의 정리를 다시 적용하면 $\alpha$와 $x_1$ 사이의 $x_2$를 찾을 수 있어

$$g^{(2)}(x_2) = 0.$$

이 과정을 계속하면 $\alpha$와 $x_{n-1}$ 사이의 $x_n$이 존재하여

$$g^{(n)}(x_n) = 0. \tag{1.32}$$

다음이 성립하므로

$$g^{(n)}(t) = f^{(n)}(t) - p^{(n)}(t) - Mn(n-1) \cdots 2 \cdot 1 = f^{(n)}(t) - Mn! \quad \forall t \in (a, b),$$

다음을 얻는다.

$$M = \frac{f^{(n)}(x_n)}{n!} \tag{1.33}$$

(1.33)을 (1.31)에 대입하면 $x = x_n$일 때 마침내 (1.30)을 얻는다.

English

Let $f$ be a real-valued differentiable function on $[a, b]$. Assume that for some $n \in \mathbb{N}$, $f^{n-1}$ is continuous on $[a, b]$ and $f^{(n)}(t)$ exists for every $t \in (a, b)$, where $f^{(0)} := f$ and $f^{(1)} := f'$. Then for all distinct $\alpha, \beta \in [a, b]$, there exists a point $x$ between $\alpha$ and $\beta$ such that

$$f(\beta) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(\alpha)}{k!} (\beta - \alpha)^k + \frac{f^{(n)}(x)}{n!} (\beta - \alpha)^n. \tag{1.30}$$

Let $\alpha, \beta \in [a, b]$ such that $\alpha \neq \beta$. Define

$$p(t) := \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(\alpha)}{k!} (t - \alpha)^k \qquad (t \in [a, b])$$

and

$$M := \frac{f(\beta) - p(\beta)}{(\beta - \alpha)^n}. \tag{1.31}$$

Define

$$g(t) := f(t) - p(t) - M(t - \alpha)^n \qquad (a \leq t \leq b).$$

Then obviously,

$$g(\beta) = f(\beta) - p(\beta) - M(\beta - \alpha)^n = 0.$$

Moreover, observe that for $k = 0, 1, \ldots, n-1$,

$$f^{(k)}(\alpha) = p^{(k)}(\alpha)$$

and thus

$$g^{(k)}(\alpha) = f^{(k)}(\alpha) - p^{(k)}(\alpha) - Mn(n-1) \cdots (n-k+1)(\alpha - \alpha)^{n-k} = 0.$$

Therefore, by Rolle’s theorem, there exists a $x_1$ between $\alpha$ and $\beta$ such that

$$g'(x_1) = 0.$$

Applying Rolle’s theorem again, we can find a $x_2$ between $\alpha$ and $x_1$ such that

$$g^{(2)}(x_2) = 0.$$

Continuing in this way, we conclude that there exists a $x_n$ between $\alpha$ and $x_{n-1}$ such that

$$g^{(n)}(x_n) = 0. \tag{1.32}$$

Since

$$g^{(n)}(t) = f^{(n)}(t) - p^{(n)}(t) - Mn(n-1) \cdots 2 \cdot 1 = f^{(n)}(t) - Mn! \quad \forall t \in (a, b),$$

we have

$$M = \frac{f^{(n)}(x_n)}{n!} \tag{1.33}$$

Putting (1.33) in (1.31), we finally obtain (1.30) with $x = x_n$.