요약
이 수업은 구간에서 연속인 함수에 관한 첫 번째 큰 정리를 증명한다. 연속함수는 한 값에서 다른 값으로 넘어갈 때 그 사이의 모든 값을 취하지 않고는 넘어갈 수 없다. 먼저 완비성 공리로 볼차노 정리를 증명하는데, 이 정리는 함수의 부호가 바뀔 때 영점이 있음을 보장한다. 이로부터 사잇값 정리, 구간의 상이 구간이라는 사실, 연속이고 엄격하게 단조인 함수의 역함수가 연속이라는 사실이 따라 나오며, 이 마지막 결과는 역함수의 도함수에 필요하다. 정리는 영점이 어디에 있는지 말해 주지 않지만, 이분법은 원하는 만큼의 정밀도로 그 위치를 찾아낸다. 이 수업은 정리를 방정식의 근의 존재, 홀수 차수의 다항식, 부동점에 적용한다.
학습 목표
- 완비성 공리로 볼차노 정리를 증명하고, 이로부터 사잇값 정리를 이끌어 낸다.
- 연속함수에 의한 구간의 상이 구간임을 증명하고, 연속이고 엄격하게 단조인 함수의 역함수의 연속성을 이끌어 낸다.
- 정리를 이용하여 방정식의 해의 존재를 증명하고, 이분법으로 해의 위치를 찾아낸다.
볼차노 정리
구간에서 연속인 함수의 그래프는 직관적으로 떠올리면 연필을 떼지 않고 그려진다. 축 아래에서 시작하여 축 위에서 끝난다면 축을 가로질러야 한다. 이 직관에는 증명이 필요한데, 실수에 의존하기 때문이다. 함수 는 에서 음이고 에서 양이지만, 유리수만 생각한다면 결코 영이 되지 않는다. 가 유리수가 아니기 때문이다. 따라서 증명은 상한을 통해 완비성 공리를 사용한다.
가 에서 연속이고 이라 하자. 그러면 (의 점)가 존재하여 이다. 일 때도 마찬가지이다. 함수가 음인 점들의 상한을 잡는다. 극한과 연속성에 관한 수업의 부호 보존에 의해, 함수는 그 점에서 음일 수도 양일 수도 없다. 그림은 그 점들의 집합과 그 상한을 보여 주고, 이어서 불가능한 두 경우를 보여 준다.
증명
를 (의 원소) 가운데 인 것 전체의 집합이라 하자. 이 집합은 를 포함하므로 공집합이 아니고, 는 상계이다. 완비성 공리에 의해 이 집합은 상한 를 가지며, 이다.
이면 이다. 이기 때문이다. 부호 보존에 의해 는 에서 음이다. 여기서 은 적당한 수이며, 이 되도록 잡을 수 있다. 그러면 는 보다 큰 점을 포함하므로, 는 상계가 아니게 된다.
이면 이다. 부호 보존에 의해 는 에서 양이다. 여기서 은 적당한 수이며, 이 되도록 잡을 수 있으므로, 이 구간의 어떤 점도 에 속하지 않는다. 보다 큰 점도 속하지 않으므로, 수 는 상한보다 작은 상계가 된다. 따라서 이고, 는 도 도 아니다. 둘째 경우는 를 생각하면 첫째 경우로 귀착된다.
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