같은 길이의 구간마다 평균이 같으면, 함수도 일정할까요?

길이2의이동구간평균이모든중심에서일정할필요충분조건은원래연속함수가2만큼옮겨도같다는것이며, 상수평균에서순간값상수를복원할수없음을증명해요.

배가 지난 뒤 물결에 흔들리는 해안의 수면 반사

사진: Ximonic (Simo Räsänen) · CC BY-SA 4.0 · 원본 출처

길이2인 구간을 옮겨도 함수값의 평균이 늘 같다면, 원래 함수도 상수일까요? f는 실수 전체에서 연속이며 다음 자체 평균함수를 정의해요.

M(x)=12∫x−1x+1f(t) dt.M(x)=\frac12\int_{x-1}^{x+1}f(t)\,dt.

양끝이 함께 움직여요. F(x)=∫₀ˣf(t)dt로 쓰면 M=[F(x+1)−F(x−1)]/2이므로

M′(x)=f(x+1)−f(x−1)2.M'(x)=\frac{f(x+1)-f(x-1)}2.

M이 상수이면 두 끝값이 모든 x에서 같아요. t=x−1로 이름을 바꾸면 f(t+2)=f(t)입니다. 역으로 이 조건이면 M′=0이어서 실수 전체에서 M이 상수예요. 평균이 일정한 조건은 순간값이 일정한 조건보다 넓어요.

f(t)=0과 f(t)=sin(πt)를 비교해 볼까요? 두 번째 함수는 계속 변하지만 길이2인 구간은 정확히 한 주기를 담아 적분이0입니다. 서로 다른 두 함수가 모두 M(x)=0이라는 같은 기록을 남겨요.

여기서2가 가장 작은 양의 주기라는 결론은 없어요. f(t)=sin(2πt)도 조건을 만족하고1만큼 옮겨도 같아요. 상수함수까지 포함하는 조건을 최소주기 분류로 바꾸면 새로운 가정을 넣게 돼요.

Lin McMullin은 구간 평균을 함수로 보고 미분하며 원래 함수와 비교해요. 그 관점을 가져와 시작점을 고정한 평균 대신, 길이가 고정되고 양끝이 같이 움직이는 질문을 새로 만들었어요. 교사는 적분의 위끝만 보고 M′=f(x+1)/2라고 쓴 답에 아래끝의 움직임도 적게 해요. 평균 기록이 변하지 않았다는 사실만으로 그 안의 순간값이 변하지 않았다고 해석하지 않는지도 함께 확인해요.

출처·착안: Extreme Average. 문항·조건·증명은 자체 교육용으로 새로 작성했다.

개인정보 및 방문 통계 안내