예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 근과 교점의 근사
한국어
  1. 뉴턴의 방법을 이용하여 $f(x) = x^2 - 2$의 양의 근을 근사하여라.
  2. 뉴턴의 방법을 이용하여 $y = x^3 - x$와 $y = 1$의 교점의 $x$좌표를 근사하여라.

풀이. (1) $f(x) = x^2 - 2$이면 $f'(x) = 2x$이고, 뉴턴의 방법의 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^2-2}{2x_n} = \frac{1}{2}\left(x_n + \frac{2}{x_n}\right)$$ 이다. $x_0 = 1$에서 시작하여 계산하면 다음과 같다.

$n$01234
$x_n$1.0000001.5000001.4166671.4142161.414214

따라서 $x_n \to \sqrt{2} \approx 1.414214$로 수렴하며, 이것이 $f(x)=x^2-2$의 양의 근의 근삿값이다.

(2) $y = x^3-x$와 $y=1$의 교점의 $x$좌표는 방정식 $x^3-x = 1$, 즉 $x^3-x-1=0$의 근이다. $f(x) = x^3-x-1$이면 $f'(x)=3x^2-1$이고, 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{x_n^3-x_n-1}{3x_n^2-1}$$ 이다. $x_0=1$에서 시작하여 계산하면 다음과 같다.

$n$012345
$x_n$1.0000001.5000001.3478261.3252001.3247181.324718

따라서 $x_n \to 1.324718$로 수렴하며, 이것이 교점의 $x$좌표의 근삿값이다.

English
  1. Use Newton's method to approximate the positive root of $f(x) = x^2 - 2$.
  2. Use Newton's method to approximate the $x$-coordinate of the intersection point of $y = x^3 - x$ and $y = 1$.

Solution. (1) If $f(x) = x^2 - 2$, then $f'(x) = 2x$, and Newton's iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^2-2}{2x_n} = \frac{1}{2}\left(x_n + \frac{2}{x_n}\right).$$ Starting from $x_0 = 1$ and iterating gives

$n$01234
$x_n$1.0000001.5000001.4166671.4142161.414214

Hence $x_n \to \sqrt{2} \approx 1.414214$, which is the approximate value of the positive root of $f(x)=x^2-2$.

(2) The $x$-coordinate of the intersection point of $y = x^3-x$ and $y=1$ is a root of $x^3-x = 1$, i.e., $x^3-x-1=0$. If $f(x) = x^3-x-1$, then $f'(x)=3x^2-1$, and the iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{x_n^3-x_n-1}{3x_n^2-1}.$$ Starting from $x_0=1$ and iterating gives

$n$012345
$x_n$1.0000001.5000001.3478261.3252001.3247181.324718

Hence $x_n \to 1.324718$, which is the approximate $x$-coordinate of the intersection point.

유제 01-1 두 근과 교점 근사
한국어
  1. 뉴턴의 방법을 이용하여 $f(x) = -x^2 + 2x + 1$의 두 근을 모두 근사하여라.
    (Hint. $x_0 = 0$와 $x_0 = 2$를 이용할 것)
  2. 뉴턴의 방법을 이용하여 $y = \tan x$와 $y = 2x$의 교점의 $x$좌표 중 $0$보다 크고 $\pi/2$보다 작은 것을 하나 근사하시오.

풀이. (1) $f(x) = -x^2+2x+1$이면 $f'(x) = -2x+2$이고, 뉴턴의 방법의 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{-x_n^2+2x_n+1}{-2x_n+2}$$ 이다.

$x_0=0$에서 시작하면 다음과 같다.

$n$01234
$x_n$0.000000-0.500000-0.416667-0.414216-0.414214

따라서 $x_n \to 1-\sqrt{2} \approx -0.414214$로 수렴한다.

$x_0=2$에서 시작하면 다음과 같다.

$n$01234
$x_n$2.0000002.5000002.4166672.4142162.414214

따라서 $x_n \to 1+\sqrt{2} \approx 2.414214$로 수렴한다. 실제로 $-x^2+2x+1=0$, 즉 $x^2-2x-1=0$의 두 근은 근의 공식에 의해 $x=1\pm\sqrt{2}$이므로, 위의 두 근삿값은 이 두 근에 정확히 대응한다.

(2) $y=\tan x$와 $y=2x$의 교점의 $x$좌표는 $f(x) = \tan x - 2x = 0$의 근이다. $f'(x) = \sec^2 x - 2$이고, 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{\tan x_n - 2x_n}{\sec^2 x_n - 2}$$ 이다. $x_0=1$ (이는 $0 \lt x_0 \lt \pi/2$를 만족한다)에서 시작하여 계산하면 다음과 같다.

$n$0123456
$x_n$1.0000001.3104781.2239291.1760511.1659271.1655621.165561

따라서 $x_n \to 1.165561$로 수렴하며, 이것이 $0$과 $\pi/2$ 사이에 있는 교점의 $x$좌표의 근삿값이다.

English
  1. Use Newton's method to approximate both roots of $f(x) = -x^2 + 2x + 1$.
    (Hint. Use $x_0 = 0$ and $x_0 = 2$)
  2. Use Newton's method to approximate one of the $x$-coordinates of the intersection points of $y = \tan x$ and $y = 2x$ that is greater than $0$ and less than $\pi/2$.

Solution. (1) If $f(x) = -x^2+2x+1$, then $f'(x) = -2x+2$, and Newton's iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{-x_n^2+2x_n+1}{-2x_n+2}.$$

Starting from $x_0=0$ gives

$n$01234
$x_n$0.000000-0.500000-0.416667-0.414216-0.414214

Hence $x_n \to 1-\sqrt{2} \approx -0.414214$.

Starting from $x_0=2$ gives

$n$01234
$x_n$2.0000002.5000002.4166672.4142162.414214

Hence $x_n \to 1+\sqrt{2} \approx 2.414214$. Indeed, the two roots of $-x^2+2x+1=0$, i.e., $x^2-2x-1=0$, are $x = 1\pm\sqrt{2}$ by the quadratic formula, so the two approximations above correspond exactly to these roots.

(2) The $x$-coordinate of the intersection point of $y=\tan x$ and $y=2x$ is a root of $f(x) = \tan x - 2x = 0$. Since $f'(x) = \sec^2 x - 2$, the iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{\tan x_n - 2x_n}{\sec^2 x_n - 2}.$$ Starting from $x_0=1$ (which satisfies $0 \lt x_0 \lt \pi/2$) and iterating gives

$n$0123456
$x_n$1.0000001.3104781.2239291.1760511.1659271.1655621.165561

Hence $x_n \to 1.165561$, which is the approximate $x$-coordinate of the intersection point lying between $0$ and $\pi/2$.

유제 01-2 π의 근삿값 계산
한국어

$\tan x = 0$, $x_0 = 3$에 뉴턴의 방법을 적용하여 $\pi$의 근삿값을 계산하시오.

풀이. $f(x) = \tan x$라 하면 $f'(x) = \sec^2 x$이고, 뉴턴의 방법의 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{\tan x_n}{\sec^2 x_n} = x_n - \sin x_n \cos x_n = x_n - \frac{1}{2}\sin(2x_n)$$ 이다. $x_0 = 3$에서 시작하여 계산하면 다음과 같다.

$n$0123
$x_n$3.0000003.1397083.1415933.141593

따라서 $x_n \to \pi \approx 3.141593$으로 수렴한다. $\tan x = 0$의 근은 $x = k\pi$ ($k$는 정수) 꼴이며, $x_0=3$이 그 중 $\pi \approx 3.14159$에 가장 가까우므로 이 근으로 수렴한 것이다.

English

Apply Newton's method to $\tan x = 0$ with $x_0 = 3$ to compute an approximate value of $\pi$.

Solution. Let $f(x) = \tan x$, so $f'(x) = \sec^2 x$, and Newton's iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{\tan x_n}{\sec^2 x_n} = x_n - \sin x_n \cos x_n = x_n - \frac{1}{2}\sin(2x_n).$$ Starting from $x_0 = 3$ and iterating gives

$n$0123
$x_n$3.0000003.1397083.1415933.141593

Hence $x_n \to \pi \approx 3.141593$. The roots of $\tan x = 0$ are of the form $x = k\pi$ for an integer $k$, and since $x_0=3$ is closest to $\pi \approx 3.14159$ among these, the iteration converges to that root.

유제 01-3 분수함수의 근 근사
한국어

뉴턴의 방법을 이용하여 $f(x) = 1/x - 3$의 근을 근사하여라.

풀이. $f(x) = \dfrac{1}{x} - 3$이면 $f'(x) = -\dfrac{1}{x^2}$이고, 뉴턴의 방법의 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{\frac1{x_n}-3}{-\frac1{x_n^2}} = x_n + x_n^2\left(\frac1{x_n}-3\right) = 2x_n - 3x_n^2 = x_n(2-3x_n)$$ 이다. $f$의 정의역은 $x \neq 0$이므로, 근 $1/3$에 가까운 $x_0 = 0.5$에서 시작하여 계산하면 다음과 같다.

$n$012345
$x_n$0.5000000.2500000.3125000.3320310.3333280.333333

따라서 $x_n \to \dfrac13 \approx 0.333333$으로 수렴하며, 이는 $f(x)=1/x-3=0$의 근과 일치한다.

English

Use Newton's method to approximate the root of $f(x) = 1/x - 3$.

Solution. If $f(x) = \dfrac{1}{x} - 3$, then $f'(x) = -\dfrac{1}{x^2}$, and Newton's iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{\frac1{x_n}-3}{-\frac1{x_n^2}} = x_n + x_n^2\left(\frac1{x_n}-3\right) = 2x_n - 3x_n^2 = x_n(2-3x_n).$$ Since $f$ is defined only for $x \neq 0$, starting from $x_0 = 0.5$, which is close to the root $1/3$, and iterating gives

$n$012345
$x_n$0.5000000.2500000.3125000.3320310.3333280.333333

Hence $x_n \to \dfrac13 \approx 0.333333$, which agrees with the root of $f(x)=1/x-3=0$.

예제 02 뉴턴의 방법이 실패하는 예
한국어

$f(x) = x^{1/3}$, $x_0 = 1$이라 할 때 뉴턴의 방법이 적용되지 않음을 보이시오.

증명. $f(x) = x^{1/3}$이면 $x \neq 0$에서 $f'(x) = \dfrac13 x^{-2/3}$이다. $x_n \neq 0$일 때 뉴턴의 방법의 반복식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^{1/3}}{\frac13 x_n^{-2/3}} = x_n - 3x_n^{1/3+2/3} = x_n - 3x_n = -2x_n$$ 이다.

$x_0=1$에서 시작하면 $x_n = (-2)^n x_0 = (-2)^n$이 성립함을 귀납적으로 보일 수 있다: $x_0=1=(-2)^0$이고, $x_n=(-2)^n$이면 $x_{n+1}=-2x_n=-2\cdot(-2)^n=(-2)^{n+1}$이기 때문이다.

따라서 $|x_n| = 2^n \to \infty$이므로 수열 $\{x_n\}$은 발산하며, $f$의 근인 $x=0$으로 수렴하지 않는다. 이는 $f'(0)$이 존재하지 않아 $x=0$ 근처에서 그래프가 수직에 가까운 접선을 가지기 때문으로, 뉴턴의 방법이 매 단계마다 근을 향해 다가가는 대신 원점으로부터 두 배씩 멀어지도록 만든다. 그러므로 $x_0=1$일 때 뉴턴의 방법은 $f(x)=x^{1/3}$에 적용되지 않는다.

$\square$
English

Let $f(x) = x^{1/3}$ and $x_0 = 1$. Show that Newton's method does not apply.

Proof. If $f(x) = x^{1/3}$, then $f'(x) = \dfrac13 x^{-2/3}$ for $x \neq 0$. For $x_n \neq 0$, Newton's iteration is $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^{1/3}}{\frac13 x_n^{-2/3}} = x_n - 3x_n^{1/3+2/3} = x_n - 3x_n = -2x_n.$$

Starting from $x_0=1$, one shows by induction that $x_n = (-2)^n x_0 = (-2)^n$: indeed $x_0 = 1 = (-2)^0$, and if $x_n=(-2)^n$ then $x_{n+1} = -2x_n = -2\cdot(-2)^n = (-2)^{n+1}$.

Hence $|x_n| = 2^n \to \infty$, so the sequence $\{x_n\}$ diverges and does not converge to the root $x=0$ of $f$. This happens because $f'(0)$ does not exist — the graph of $f$ has a nearly vertical tangent line near the root — so each Newton step moves the iterate to twice the distance from the origin instead of closer to it. Therefore Newton's method does not apply to $f(x)=x^{1/3}$ when $x_0=1$.

$\square$
유제 02 뉴턴 반복의 순환
한국어

$f(x) = 4x^4 - 4x^2$이라 하자.

  1. $x_0 = \sqrt{3/7}$일 때 뉴턴의 방법을 적용하시오.
  2. $x_0 = \sqrt{13/28}$일 때 뉴턴의 방법을 적용하시오.

증명. $f(x) = 4x^4-4x^2 = 4x^2(x^2-1)$이면 $f'(x) = 16x^3-8x = 8x(2x^2-1)$이다. $x_n \neq 0$이고 $x_n^2 \neq \frac12$일 때 뉴턴의 방법의 반복식을 정리하면 $$x_{n+1} = x_n - \frac{4x_n^2(x_n^2-1)}{8x_n(2x_n^2-1)} = x_n - \frac{x_n(x_n^2-1)}{2(2x_n^2-1)} = \frac{x_n\left[2(2x_n^2-1)-(x_n^2-1)\right]}{2(2x_n^2-1)} = \frac{x_n(3x_n^2-1)}{2(2x_n^2-1)}$$ 이다.

(1) $x_0 = \sqrt{3/7}$이면 $x_0^2 = 3/7$이므로 $$3x_0^2-1 = \frac97-1=\frac27, \qquad 2x_0^2-1=\frac67-1=-\frac17$$ 이고, 따라서 $$x_1 = \frac{x_0 \cdot \frac27}{2\cdot\left(-\frac17\right)} = \frac{x_0\cdot\frac27}{-\frac27} = -x_0$$ 이다. 한편 $x_1^2 = x_0^2 = 3/7$이므로 위와 똑같은 계산을 $x_1$에 적용하면 $x_2 = -x_1 = x_0$을 얻는다. 즉 $x_n^2 = x_0^2 = 3/7$이 모든 $n$에 대해 성립하므로, 반복식의 계수 $\dfrac{3x_n^2-1}{2(2x_n^2-1)}=-1$이 항상 유지되어 $$x_{2k} = x_0, \qquad x_{2k+1} = -x_0 \qquad (k=0,1,2,\dots)$$ 이다. 참고로 $f(x_0) = 4x_0^2(x_0^2-1) = 4\cdot\frac37\cdot\left(\frac37-1\right) = -\frac{48}{49} \neq 0$이므로 $x_0$은 $f$의 근이 아니다. 따라서 뉴턴의 방법의 반복열은 근에 수렴하지 않고 $x_0$과 $-x_0$ 사이를 영원히 진동한다.

(2) $x_0 = \sqrt{13/28} \approx 0.681385$이면 이번에는 위와 같은 깔끔한 상쇄가 일어나지 않는다. 반복식에 따라 직접 계산하면 다음과 같다.

$n$01234567
$x_n$0.681385-1.873809-1.483143-1.221430-1.070000-1.009896-1.000237-1.000000

따라서 $x_n \to -1$로 수렴하며, $x=-1$은 $f(x)=4x^2(x^2-1)$의 실제 근이다 ($f(-1)=4\cdot1\cdot0=0$). 이처럼 초깃값이 조금만 달라져도 — (1)의 $\sqrt{3/7}$에서 (2)의 $\sqrt{13/28}$로 — 뉴턴의 방법은 영원히 순환하는 경우와 실제 근으로 수렴하는 경우로 전혀 다르게 거동할 수 있다.

$\square$
English

Let $f(x) = 4x^4 - 4x^2$.

  1. Apply Newton's method with $x_0 = \sqrt{3/7}$.
  2. Apply Newton's method with $x_0 = \sqrt{13/28}$.

Proof. If $f(x) = 4x^4-4x^2 = 4x^2(x^2-1)$, then $f'(x) = 16x^3-8x = 8x(2x^2-1)$. For $x_n \neq 0$ and $x_n^2 \neq \frac12$, Newton's iteration simplifies to $$x_{n+1} = x_n - \frac{4x_n^2(x_n^2-1)}{8x_n(2x_n^2-1)} = x_n - \frac{x_n(x_n^2-1)}{2(2x_n^2-1)} = \frac{x_n\left[2(2x_n^2-1)-(x_n^2-1)\right]}{2(2x_n^2-1)} = \frac{x_n(3x_n^2-1)}{2(2x_n^2-1)}.$$

(1) If $x_0 = \sqrt{3/7}$, then $x_0^2 = 3/7$, so $$3x_0^2-1 = \frac97-1=\frac27, \qquad 2x_0^2-1=\frac67-1=-\frac17,$$ and hence $$x_1 = \frac{x_0 \cdot \frac27}{2\cdot\left(-\frac17\right)} = \frac{x_0\cdot\frac27}{-\frac27} = -x_0.$$ Since $x_1^2 = x_0^2 = 3/7$, applying the same computation to $x_1$ gives $x_2 = -x_1 = x_0$. That is, $x_n^2 = x_0^2 = 3/7$ holds for every $n$, so the coefficient $\dfrac{3x_n^2-1}{2(2x_n^2-1)}=-1$ persists throughout, giving $$x_{2k} = x_0, \qquad x_{2k+1} = -x_0 \qquad (k=0,1,2,\dots).$$ Note that $f(x_0) = 4x_0^2(x_0^2-1) = 4\cdot\frac37\cdot\left(\frac37-1\right) = -\frac{48}{49} \neq 0$, so $x_0$ is not a root of $f$. Hence the Newton iterates never converge to a root — they oscillate forever between $x_0$ and $-x_0$.

(2) If $x_0 = \sqrt{13/28} \approx 0.681385$, this exact cancellation no longer occurs. Computing directly from the iteration formula gives

$n$01234567
$x_n$0.681385-1.873809-1.483143-1.221430-1.070000-1.009896-1.000237-1.000000

Hence $x_n \to -1$, and $x=-1$ is indeed a root of $f(x)=4x^2(x^2-1)$ (since $f(-1)=4\cdot1\cdot0=0$). Thus a small change in the initial value — from $\sqrt{3/7}$ in part (1) to $\sqrt{13/28}$ in part (2) — can make Newton's method behave completely differently: perpetual oscillation versus convergence to an actual root.

$\square$

문제 · Problems

문제 01 평균값 정리와 최대 증가
한국어

$0 \leq x \leq 6$에서 정의된 연속함수 $f(x)$가 모든 $0 \lt x \lt 6$에 대해 $f'(x) \leq 2$가 성립한다고 하자. $f(6) - f(0)$의 값이 최대가 되도록 하는 $f(x)$는 $f(x) = 2x + c$ (단, $c$는 상수)뿐임을 보이시오.

English

Let $f(x)$ be a continuous function defined on $0 \leq x \leq 6$ such that $f'(x) \leq 2$ holds for all $0 \lt x \lt 6$. Show that the only $f(x)$ for which $f(6) - f(0)$ attains its maximum value is $f(x) = 2x + c$ (where $c$ is a constant).

문제 02 제곱합이 상수함수
한국어

$f(x), g(x)$가 2번 연속미분가능한 함수라고 하자. (즉, 이계도함수가 존재하고 연속이다) 만약 $f'(x) = g(x)$이고 $f''(x) = -f(x)$라면 $h(x) = f(x)^2 + g(x)^2$이 상수함수임을 보이시오.

English

Let $f(x), g(x)$ be twice continuously differentiable functions. (That is, the second derivative exists and is continuous.) If $f'(x) = g(x)$ and $f''(x) = -f(x)$, show that $h(x) = f(x)^2 + g(x)^2$ is a constant function.

문제 03 코시-슈바르츠 부등식
한국어

함수 $f(x) = (a_1 x + b_1)^2 + (a_2 x + b_2)^2 + \cdots + (a_n x + b_n)^2$를 이용하여 코시-슈바르츠 부등식

$$(a_1 b_1 + a_2 b_2 + \cdots + a_n b_n)^2 \leq (a_1^2 + a_2^2 + \cdots + a_n^2)(b_1^2 + b_2^2 + \cdots + b_n^2)$$

을 증명하시오.

English

Using the function $f(x) = (a_1 x + b_1)^2 + (a_2 x + b_2)^2 + \cdots + (a_n x + b_n)^2$, prove the Cauchy–Schwarz inequality

$$(a_1 b_1 + a_2 b_2 + \cdots + a_n b_n)^2 \leq (a_1^2 + a_2^2 + \cdots + a_n^2)(b_1^2 + b_2^2 + \cdots + b_n^2)$$

stated above.

문제 04 사인함수의 부등식 (임용06-8)
한국어

평균값 정리를 이용하여 임의의 두 실수 $x, y$에 대하여 다음 식이 성립함을 보이시오.

$$|\sin x - \sin y| \leq |x - y|$$

English

Using the Mean Value Theorem, show that the following holds for any two real numbers $x, y$.

$$|\sin x - \sin y| \leq |x - y|$$

문제 05 매개곡선과 평균값 정리 (임용15A-기3)
한국어

매개변수방정식 $x = 4t - t^2$, $y = t^2 + 1$ $(0 \leq t \leq 1)$로 주어진 곡선 $y = f(x)$가 있다. 이 곡선 위의 두 점 $(0, f(0))$, $(3, f(3))$을 연결하는 직선의 기울기와 곡선 위의 점 $(c, f(c))$에서의 접선의 기울기가 같게 되는 값 $c$를 구간 $(0, 3)$에서 구하시오.

English

Let $y = f(x)$ be the curve given by the parametric equations $x = 4t - t^2$, $y = t^2 + 1$ $(0 \leq t \leq 1)$. Find the value $c$ in the interval $(0, 3)$ at which the slope of the tangent line to the curve at the point $(c, f(c))$ equals the slope of the line joining the two points $(0, f(0))$ and $(3, f(3))$ on the curve.

문제 06 고정점의 유일성 (임용21B-7)
한국어

연속함수 $f : [0, 1] \to [0, 1]$은 $(0, 1)$에서 미분가능하다. 모든 $x \in (0, 1)$에 대하여 $f'(x) \neq 1$일 때 $f(a) = a$ $(0 \leq a \leq 1)$을 만족하는 $a$가 유일하게 존재함을 증명하시오.

English

Let $f : [0, 1] \to [0, 1]$ be a continuous function that is differentiable on $(0, 1)$. If $f'(x) \neq 1$ for all $x \in (0, 1)$, prove that there exists a unique $a$ $(0 \leq a \leq 1)$ satisfying $f(a) = a$.

문제 07 유계 도함수와 유일해 (임용16A-11)
한국어

함수 $f : [0, \infty) \to \mathbb{R}$가 구간 $(0, \infty)$에서 미분가능하다. 모든 점 $x \in [0, \infty)$에 대하여 $|f'(x)| \leq M$이고 $f(0) \gt 0$일 때, $f(x) \leq f(0) + Mx$임을 보이시오. 또한 $0 \leq M \lt 1$이면 방정식 $f(x) = x$는 단 하나의 해를 가짐을 보이시오.

English

Let $f : [0, \infty) \to \mathbb{R}$ be differentiable on the interval $(0, \infty)$. Suppose $|f'(x)| \leq M$ for every point $x \in [0, \infty)$ and $f(0) \gt 0$. Show that $f(x) \leq f(0) + Mx$. Also, show that if $0 \leq M \lt 1$, the equation $f(x) = x$ has exactly one solution.