문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

극한·미분 심화 전체 문제

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40문제 · 1 / 2쪽

1.CLP-1 · 2.12절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x)=arcsin⁡(x3)f(x)=\arcsin\left(\dfrac{x}{3}\right) 를 미분하세요. f(x)f(x) 의 정의역은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=arcsin⁡(x3)f(x)=\arcsin\left(\dfrac{x}{3}\right). What is the domain of f(x)f(x)?

정답·풀이 보기

연쇄 법칙(합성함수의 미분법)을 이용하면,

ddx{arcsin⁡(x3)}=11−(x3)2⋅13=131−x29=19−x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\arcsin\left(\frac{x}{3}\right)\right\}&=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{x}{3}\right)^2}}\cdot \frac{1}{3}\\ &=\frac{1}{3\sqrt{1-\frac{x^2}{9}}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{9-x^2}} \end{aligned}

아크사인의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이고 아크사인에 x3\dfrac{x}{3} 를 대입하므로, 대입할 수 있는 xx 의 값은 −1≤x3≤1-1 \le \dfrac{x}{3} \leq 1, 즉 −3≤x≤3-3\leq x \leq 3 을 만족하는 값이다. 따라서 ff 의 정의역은 [−3,3][-3,3] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the chain rule,

ddx{arcsin⁡(x3)}=11−(x3)2⋅13=131−x29=19−x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\arcsin\left(\frac{x}{3}\right)\right\}&=\frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{x}{3}\right)^2}}\cdot \frac{1}{3}\\ &=\frac{1}{3\sqrt{1-\frac{x^2}{9}}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{9-x^2}} \end{aligned}

Since the domain of arcsine is [−1,1][-1,1], and we are plugging in x3\dfrac{x}{3} to arcsine, the values of xx that we can plug in are those that satisfy −1≤x3≤1-1 \le \dfrac{x}{3} \leq 1, or −3≤x≤3-3\leq x \leq 3. So the domain of ff is [−3,3][-3,3].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 4번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
2.CLP-1 · 2.12절 · 7번대학 수준우리말 번역

f(t)=arccos⁡tt2−1f(t)=\dfrac{\arccos t}{t^2-1} 를 미분하세요. f(t)f(t) 의 정의역은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(t)=arccos⁡tt2−1f(t)=\dfrac{\arccos t}{t^2-1}. What is the domain of f(t)f(t)?

정답·풀이 보기

몫의 미분법을 이용하면,

ddt{arccos⁡tt2−1}=(t2−1)(−11−t2)−(arccos⁡t)(2t)(t2−1)2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left\{\dfrac{\arccos t}{t^2-1}\right\}&= \frac{(t^2-1)\left(\frac{-1}{\sqrt{1-t^2}}\right)-(\arccos t)(2t)}{(t^2-1)^2} \end{aligned}

아크코사인의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이고, t2−1t^2-1 이 분모에 있으므로 ff 의 정의역은 t2−1≠0t^2-1 \neq 0, 즉 t≠±1t \neq \pm 1 이어야 한다. 따라서 f(t)f(t) 의 정의역은 (−1,1)(-1,1) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the quotient rule,

ddt{arccos⁡tt2−1}=(t2−1)(−11−t2)−(arccos⁡t)(2t)(t2−1)2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left\{\dfrac{\arccos t}{t^2-1}\right\}&= \frac{(t^2-1)\left(\frac{-1}{\sqrt{1-t^2}}\right)-(\arccos t)(2t)}{(t^2-1)^2} \end{aligned}

The domain of arccosine is [−1,1][-1,1], and since t2−1t^2-1 is in the denominator, the domain of ff requires t2−1≠0t^2-1 \neq 0, that is, t≠±1t \neq \pm 1. So the domain of f(t)f(t) is (−1,1)(-1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 6번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
3.CLP-1 · 2.12절 · 8번대학 수준우리말 번역

f(x)=arcsec(−x2−2)f(x)=\mathop{\mathrm{arcsec}}(-x^2-2) 를 미분하세요. f(x)f(x) 의 정의역은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=arcsec(−x2−2)f(x)=\mathop{\mathrm{arcsec}}(-x^2-2). What is the domain of f(x)f(x)?

정답·풀이 보기

arcsecx\mathop{\mathrm{arcsec}} x 의 정의역은 ∣x∣≥1|x| \geq 1 이다. 즉, 아크시컨트에는 절댓값이 1 이상인 값만 대입할 수 있다. −x2−2≤−2-x^2-2 \leq -2 이므로 모든 실수 xx 에 대해 아크시컨트에 대입할 수 있는 값이 된다. 따라서 f(x)f(x) 의 정의역은 모든 실수이다.

미분하기 위해 연쇄 법칙(합성함수의 미분법)을 이용한다. ddx{arcsecx}=1∣x∣x2−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\mathop{\mathrm{arcsec}} x\right\} = \dfrac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}} 임을 기억하자.

ddx{arcsec(−x2−2)}=1∣−x2−2∣(−x2−2)2−1⋅(−2x)=−2x(x2+2)x4+4x2+3.\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\mathop{\mathrm{arcsec}}(-x^2-2)\right\}&= \dfrac{1}{|-x^2-2|\sqrt{(-x^2-2)^2-1}}\cdot(-2x)\\ &=\dfrac{-2x}{(x^2+2)\sqrt{x^4+4x^2+3}}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The domain of arcsecx\mathop{\mathrm{arcsec}} x is ∣x∣≥1|x| \geq 1: that is, we can plug into arcsecant only values with absolute value greater than or equal to one. Since −x2−2≤−2-x^2-2 \leq -2, every real value of xx gives us an acceptable value to plug into arcsecant. So, the domain of f(x)f(x) is all real numbers.

To differentiate, we use the chain rule. Remember ddx{arcsecx}=1∣x∣x2−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\mathop{\mathrm{arcsec}} x\right\} = \dfrac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}.

ddx{arcsec(−x2−2)}=1∣−x2−2∣(−x2−2)2−1⋅(−2x)=−2x(x2+2)x4+4x2+3.\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\mathop{\mathrm{arcsec}}(-x^2-2)\right\}&= \dfrac{1}{|-x^2-2|\sqrt{(-x^2-2)^2-1}}\cdot(-2x)\\ &=\dfrac{-2x}{(x^2+2)\sqrt{x^4+4x^2+3}}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 10번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 2.12절 · 9번대학 수준우리말 번역

aa 가 0이 아닌 상수일 때, f(x)=1aarctan⁡(xa)f(x)=\dfrac{1}{a}\arctan\left(\dfrac{x}{a}\right) 를 미분하세요. f(x)f(x) 의 정의역을 구하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=1aarctan⁡(xa)f(x)=\dfrac{1}{a}\arctan\left(\dfrac{x}{a}\right), where aa is a nonzero constant. What is the domain of f(x)f(x)?

정답·풀이 보기

aa 가 상수임에 유의하여 연쇄 법칙을 이용한다.

ddx{1aarctan⁡(xa)}=1a⋅11+(xa)2⋅1a=1a2+x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{a}\arctan\left(\dfrac{x}{a}\right)\right\}&= \frac{1}{a}\cdot\frac{1}{1+\left(\frac{x}{a}\right)^2}\cdot \frac{1}{a}\\ &=\frac{1}{a^2+x^2} \end{aligned}

아크탄젠트의 정의역은 모든 실수이므로 f(x)f(x) 의 정의역도 모든 실수이다.

원본 교재 풀이(영어)

We use the chain rule, remembering that aa is a constant.

ddx{1aarctan⁡(xa)}=1a⋅11+(xa)2⋅1a=1a2+x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{a}\arctan\left(\dfrac{x}{a}\right)\right\}&= \frac{1}{a}\cdot\frac{1}{1+\left(\frac{x}{a}\right)^2}\cdot \frac{1}{a}\\ &=\frac{1}{a^2+x^2} \end{aligned}

The domain of arctangent is all real numbers, so the domain of f(x)f(x) is also all real numbers.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 8번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
5.CLP-1 · 2.12절 · 10번대학 수준우리말 번역

f(x)=xarcsin⁡x+1−x2f(x)=x\arcsin x + \sqrt{1-x^2} 을 미분하세요. f(x)f(x) 의 정의역을 구하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=xarcsin⁡x+1−x2f(x)=x\arcsin x + \sqrt{1-x^2}. What is the domain of f(x)f(x)?

정답·풀이 보기

곱의 미분법과 연쇄 법칙을 이용하여 미분한다.

ddx{xarcsin⁡x+1−x2}=arcsin⁡x+x1−x2+−2x21−x2=arcsin⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ x\arcsin x + \sqrt{1-x^2}\right\}&= \arcsin x + \frac{x}{\sqrt{1-x^2}}+ \frac{-2x}{2\sqrt{1-x^2}}\\ &=\arcsin x \end{aligned}

arcsin⁡x\arcsin x 의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이고, 1−x2\sqrt{1-x^2} 의 정의역은 1−x2≥01-x^2 \geq 0 을 만족하는 모든 xx, 즉 [−1,1][-1,1] 에 속하는 xx 이다. 따라서 f(x)f(x) 의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate using the product and chain rules.

ddx{xarcsin⁡x+1−x2}=arcsin⁡x+x1−x2+−2x21−x2=arcsin⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ x\arcsin x + \sqrt{1-x^2}\right\}&= \arcsin x + \frac{x}{\sqrt{1-x^2}}+ \frac{-2x}{2\sqrt{1-x^2}}\\ &=\arcsin x \end{aligned}

The domain of arcsin⁡x\arcsin x is [−1,1][-1,1], and the domain of 1−x2\sqrt{1-x^2} is all values of xx so that 1−x2≥01-x^2 \geq 0, so xx in [−1,1][-1,1]. Therefore, the domain of f(x)f(x) is [−1,1][-1,1].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 11번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
6.CLP-1 · 2.12절 · 11번대학 수준우리말 번역

y=arctan⁡(x2)y=\arctan (x^2) 의 접선이 수평이 되는 xx 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of xx is the tangent line to y=arctan⁡(x2)y=\arctan (x^2) horizontal?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

연쇄 법칙을 이용하여 미분한다.

ddx{arctan⁡(x2)}=2x1+x4\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan(x^2)\}&=\frac{2x}{1+x^4} \end{aligned}

이 값이 0이 되는 것은 x=0x=0 일 때뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate using the chain rule:

ddx{arctan⁡(x2)}=2x1+x4\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan(x^2)\}&=\frac{2x}{1+x^4} \end{aligned}

This is zero exactly when x=0x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 12번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
7.CLP-1 · 2.12절 · 12번대학 수준우리말 번역

ddx{arcsin⁡x+arccos⁡x}\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x + \arccos x\} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ddx{arcsin⁡x+arccos⁡x}\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x + \arccos x\}.

정답·풀이 보기

이 절에서 외워 두어야 할 공식을 이용하면, ddx{arcsin⁡x+arccos⁡x}=11−x2+−11−x2=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x + \arccos x\}=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}+\frac{-1}{\sqrt{1-x^2}}=0

참고: 도함수가 모든 곳에서 0인 함수는 상수 함수뿐이므로, arcsin⁡x+arccos⁡x\arcsin x + \arccos x 는 상수이어야 한다. sin⁡θ=cos⁡(π2−θ)\sin \theta = \cos \left(\frac{\pi}{2}-\theta\right) 이므로 다음과 같이 놓을 수 있다.

sin⁡θ=xcos⁡(π2−θ)=x여기서 x 와 θ 는 두 식에서 서로 같고, −π2≤θ≤π2 이다. 그러면arcsin⁡x=θarccos⁡x=π2−θ여기서 아크사인은 사인 함수를 [−π2,π2] 로  제한한 함수의 역함수임에 주의한다. 따라서 θ 를 이 정의역으로 제한했으므로 sin⁡θ=x 이면 실제로 arcsin⁡x=θ 이다. (이것이 왜 중요한지 보여 주는 예로, sin⁡(2π)=0 이지만 arcsin⁡(0)=0≠2π 이다.) 마찬가지로 아크코사인은 코사인 함수를 [0,π] 로 제한한 함수의 역함수이다. −π2≤θ≤π2 이면 0≤(π2−θ)≤π 이므로, cos⁡(π2−θ)=x 이면 실제로 arccos⁡x=π2−θ 이다.\begin{aligned} \sin\theta&=x & \cos\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)&=x\\ \text{여기서 $x$ 와 $\theta$ 는 두 식에서 서로 같고, $-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$ 이다. 그러면} \\ \arcsin x &=\theta & \arccos x &= \frac{\pi}{2}-\theta \\ \text{여기서 아크사인은 사인 함수를 $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ 로 \textit{ 제한한} 함수의 역함수임에 주의한다. 따라서 $\theta$ 를 이 정의역으로 제한했으므로 $\sin \theta=x$ 이면 실제로 $\arcsin x = \theta$ 이다. (이것이 왜 중요한지 보여 주는 예로, $\sin(2\pi)=0$ 이지만 $\arcsin (0)=0 \neq 2\pi$ 이다.) 마찬가지로 아크코사인은 코사인 함수를 $[0,\pi]$ 로 제한한 함수의 역함수이다. $-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$ 이면 $0 \leq (\frac{\pi}{2}-\theta) \leq \pi$ 이므로, $\cos\left(\frac{\pi}{2}- \theta\right) =x$ 이면 실제로 $\arccos x=\frac{\pi}{2}-\theta$ 이다.} \\ \end{aligned}

따라서 arcsin⁡x+arccos⁡x=θ+π2−θ=π2\arcsin x+\arccos x =\theta+\frac{\pi}{2}-\theta =\frac{\pi}{2} 이므로, 우리가 계산하던 도함수는 사실 ddx{π2}=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\dfrac{\pi}{2}\right\}=0 일 뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using formulas you should memorize from this section, ddx{arcsin⁡x+arccos⁡x}=11−x2+−11−x2=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x + \arccos x\}=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}+\frac{-1}{\sqrt{1-x^2}}=0

Remark: the only functions with derivative equal to zero everywhere are constant functions, so arcsin⁡x+arccos⁡x\arcsin x + \arccos x should be a constant. Since sin⁡θ=cos⁡(π2−θ)\sin \theta = \cos \left(\frac{\pi}{2}-\theta\right), we can set

sin⁡θ=xcos⁡(π2−θ)=xwhere x and θ are the same in both expressions, and −π2≤θ≤π2. Thenarcsin⁡x=θarccos⁡x=π2−θWe note here that arcsine is the inverse of the sine function  restricted to [−π2,π2]. So, since we restricted θ to this domain, sin⁡θ=x really does imply arcsin⁡x=θ. (For an example of why this matters, note sin⁡(2π)=0, but arcsin⁡(0)=0≠2π.) Similarly, arccosine is the inverse of the cosine function restricted to [0,π]. Since −π2≤θ≤π2, then 0≤(π2−θ)≤π, so cos⁡(π2−θ)=x really does imply arccos⁡x=π2−θ.\begin{aligned} \sin\theta&=x & \cos\left(\frac{\pi}{2}-\theta\right)&=x\\ \text{where $x$ and $\theta$ are the same in both expressions, and $-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$. Then} \\ \arcsin x &=\theta & \arccos x &= \frac{\pi}{2}-\theta \\ \text{We note here that arcsine is the inverse of the sine function \textit{ restricted to} $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$. So, since we restricted $\theta$ to this domain, $\sin \theta=x$ really does imply $\arcsin x = \theta$. (For an example of why this matters, note $\sin(2\pi)=0$, but $\arcsin (0)=0 \neq 2\pi$.) Similarly, arccosine is the inverse of the cosine function restricted to $[0,\pi]$. Since $-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$, then $0 \leq (\frac{\pi}{2}-\theta) \leq \pi$, so $\cos\left(\frac{\pi}{2}- \theta\right) =x$ really does imply $\arccos x=\frac{\pi}{2}-\theta$.} \\ \end{aligned}

So, arcsin⁡x+arccos⁡x=θ+π2−θ=π2\arcsin x+\arccos x =\theta+\frac{\pi}{2}-\theta =\frac{\pi}{2} which means the derivative we were calculating was actually just ddx{π2}=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\dfrac{\pi}{2}\right\}=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 13번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
8.CLP-1 · 2.12절 · 13번대학 수준우리말 번역

y=arcsin⁡ ⁣(1x)y=\arcsin \!\big(\frac{1}{x}\big) 의 도함수를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the derivative of y=arcsin⁡ ⁣(1x)y=\arcsin \!\big(\frac{1}{x}\big).

정답·풀이 보기

연쇄 법칙을 이용하면, y′=−1x21−(1x)2=−1x21−1x2.y'=\frac{-{\frac{1}{ x^2}}}{\sqrt{1-\left({\frac{1}{ x}}\right)^2}}=\frac{-1}{x^2\sqrt{1-\frac{1}{x^2}}}.

원본 교재 풀이(영어)

Using the chain rule, y′=−1x21−(1x)2=−1x21−1x2.y'=\frac{-{\frac{1}{ x^2}}}{\sqrt{1-\left({\frac{1}{ x}}\right)^2}}=\frac{-1}{x^2\sqrt{1-\frac{1}{x^2}}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 3번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
9.CLP-1 · 2.12절 · 14번대학 수준우리말 번역

y=arctan⁡(1x)y=\arctan \big(\frac{1}{x}\big) 의 도함수를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the derivative of y=arctan⁡(1x)y=\arctan \big(\frac{1}{x}\big).

정답·풀이 보기

연쇄 법칙을 이용하면, y′=−1x21+(1x)2=−1x2+1.y'=\frac{-{\frac{1}{ x^2}}}{1+\left({\frac{1}{ x}}\right)^2}=\frac{-1}{x^2+1}.

원본 교재 풀이(영어)

Using the chain rule, y′=−1x21+(1x)2=−1x2+1.y'=\frac{-{\frac{1}{ x^2}}}{1+\left({\frac{1}{ x}}\right)^2}=\frac{-1}{x^2+1}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 2번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
10.CLP-1 · 2.12절 · 15번대학 수준우리말 번역

(1+x2)arctan⁡x(1+x^2)\arctan x 의 도함수를 구하고 간단히 하세요.

영어 원문 보기

Calculate and simplify the derivative of (1+x2)arctan⁡x(1+x^2)\arctan x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

곱의 미분법을 이용하면:

ddx{(1+x2)arctan⁡x}=2xarctan⁡x+(1+x2)11+x2=2xarctan⁡x+1\begin{aligned} \displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(1+x^2)\arctan x\right\} &=2x\arctan x+(1+x^2)\frac{1}{1+x^2}\\ &=2x\arctan x+1\end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Using the product rule:

ddx{(1+x2)arctan⁡x}=2xarctan⁡x+(1+x2)11+x2=2xarctan⁡x+1\begin{aligned} \displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(1+x^2)\arctan x\right\} &=2x\arctan x+(1+x^2)\frac{1}{1+x^2}\\ &=2x\arctan x+1\end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 1번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
11.CLP-1 · 2.12절 · 16번대학 수준우리말 번역

ddx{sin⁡(arctan⁡(x))}=(x2+1)−3/2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sin\left(\arctan(x) \right)\right\} = (x^2+1)^{-3/2} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that ddx{sin⁡(arctan⁡(x))}=(x2+1)−3/2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sin\left(\arctan(x) \right)\right\} = (x^2+1)^{-3/2}.

정답·풀이 보기

θ=arctan⁡x\theta = \arctan x 라 하자. 그러면 θ\theta 는 tan⁡θ=x\tan \theta = x 를 만족하는 직각삼각형의 한 각이다. 특히 반대변과 인접변의 길이의 비는 xx 이다. 따라서 다음과 같은 삼각형을 얻는다.

그림

여기서 빗변의 길이는 피타고라스 정리에서 얻은 것이다. 이제, sin⁡(arctan⁡x)=sin⁡θ=opphyp=xx2+1\sin\left(\arctan x\right) = \sin \theta = \frac{\text{opp}}{\text{hyp}} = \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} 이로부터 몫의 미분법을 이용하여 미분하면 다음과 같다.

ddx{xx2+1}=x2+1−x2x2x2+1x2+1=(x2+1−x2x2+1x2+1)⋅x2+1x2+1=(x2+1)−x2(x2+1)3/2=1(x2+1)3/2=(x2+1)−3/2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right\}&= \frac{\sqrt{x^2+1}-x\frac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}}{x^2+1}\\ &=\left(\frac{\sqrt{x^2+1}-\frac{x^2}{\sqrt{x^2+1}}}{x^2+1}\right)\cdot\frac{\sqrt{x^2+1}}{\sqrt{x^2+1}}\\ &=\frac{(x^2+1)-x^2}{(x^2+1)^{3/2}}\\ &=\frac{1}{(x^2+1)^{3/2}}=(x^2+1)^{-3/2} \end{aligned}

참고: 또 다른 방법은 먼저 합성함수의 미분법을 이용하여 미분한 다음, 삼각형을 그려서 얻은 식을 간단히 하는 것이다. ddx{sin⁡(arctan⁡x)}=cos⁡(arctan⁡x)1+x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sin\left(\arctan x\right)\right\}=\dfrac{\cos(\arctan x)}{1+x^2}.

원본 교재 풀이(영어)

Let θ=arctan⁡x\theta = \arctan x. Then θ\theta is the angle of a right triangle that gives tan⁡θ=x\tan \theta = x. In particular, the ratio of the opposite side to the adjacent side is xx. So, we have a triangle that looks like this:

figure

where the length of the hypotenuse came from the Pythagorean Theorem. Now, sin⁡(arctan⁡x)=sin⁡θ=opphyp=xx2+1\sin\left(\arctan x\right) = \sin \theta = \frac{\text{opp}}{\text{hyp}} = \frac{x}{\sqrt{x^2+1}} From here, we differentiate using the quotient rule:

ddx{xx2+1}=x2+1−x2x2x2+1x2+1=(x2+1−x2x2+1x2+1)⋅x2+1x2+1=(x2+1)−x2(x2+1)3/2=1(x2+1)3/2=(x2+1)−3/2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{x}{\sqrt{x^2+1}} \right\}&= \frac{\sqrt{x^2+1}-x\frac{2x}{2\sqrt{x^2+1}}}{x^2+1}\\ &=\left(\frac{\sqrt{x^2+1}-\frac{x^2}{\sqrt{x^2+1}}}{x^2+1}\right)\cdot\frac{\sqrt{x^2+1}}{\sqrt{x^2+1}}\\ &=\frac{(x^2+1)-x^2}{(x^2+1)^{3/2}}\\ &=\frac{1}{(x^2+1)^{3/2}}=(x^2+1)^{-3/2} \end{aligned}

Remark: another strategy is to differentiate first, using the chain rule, then draw a triangle to simplify the resulting expression ddx{sin⁡(arctan⁡x)}=cos⁡(arctan⁡x)1+x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sin\left(\arctan x\right)\right\}=\dfrac{\cos(\arctan x)}{1+x^2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 17번
# 역삼각함수의 미분증명·논술보통자동 분류
12.CLP-1 · 2.12절 · 17번대학 수준우리말 번역

ddx{cot⁡(arcsin⁡(x))}=−1x21−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\cot\left(\arcsin(x) \right)\right\} = \dfrac{-1}{x^2\sqrt{1-x^2}} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that ddx{cot⁡(arcsin⁡(x))}=−1x21−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\cot\left(\arcsin(x) \right)\right\} = \dfrac{-1}{x^2\sqrt{1-x^2}}.

정답·풀이 보기

θ=arcsin⁡x\theta = \arcsin x 라 하자. 그러면 θ\theta 는 sin⁡θ=x\sin \theta = x 를 만족하는 직각삼각형의 한 각이다. 특히 빗변에 대한 반대쪽 변의 길이의 비가 xx 이다. 따라서 다음과 같은 삼각형을 얻는다:

그림

여기서 이웃한 변의 길이는 피타고라스 정리로부터 얻은 것이다. 이제, cot⁡(arcsin⁡x)=cot⁡θ=adjopp=1−x2x\cot\left(\arcsin x\right) = \cot \theta = \frac{\text{adj}}{\text{opp}} = \frac{\sqrt{1-x^2}}{x} 여기서부터 몫의 미분법을 이용하여 미분한다:

ddx{1−x2x}=x−2x21−x2−1−x2x2=−x2−(1−x2)x21−x2=−1x21−x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{\sqrt{1-x^2}}{x} \right\}&= \frac{x\frac{-2x}{2\sqrt{1-x^2}}-\sqrt{1-x^2}}{x^2}\\ &=\frac{-x^2-(1-x^2)}{x^2\sqrt{1-x^2}}\\ &=\frac{-1}{x^2\sqrt{1-x^2}} \end{aligned}

참고: 다른 방법으로는 먼저 연쇄 법칙(합성함수의 미분법)을 이용하여 미분한 다음, 삼각형을 그려 얻어진 식을 간단히 할 수 있다. ddx{cot⁡(arcsin⁡x)}=−csc⁡2(arcsin⁡x)1−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\cot\left(\arcsin x\right)\right\}=\frac{-\csc^2(\arcsin x)}{\sqrt{1-x^2}}.

원본 교재 풀이(영어)

Let θ=arcsin⁡x\theta = \arcsin x. Then θ\theta is the angle of a right triangle that gives sin⁡θ=x\sin \theta = x. In particular, the ratio of the opposite side to the hypotenuse is xx. So, we have a triangle that looks like this:

figure

where the length of the adjacent side came from the Pythagorean Theorem. Now, cot⁡(arcsin⁡x)=cot⁡θ=adjopp=1−x2x\cot\left(\arcsin x\right) = \cot \theta = \frac{\text{adj}}{\text{opp}} = \frac{\sqrt{1-x^2}}{x} From here, we differentiate using the quotient rule:

ddx{1−x2x}=x−2x21−x2−1−x2x2=−x2−(1−x2)x21−x2=−1x21−x2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{\sqrt{1-x^2}}{x} \right\}&= \frac{x\frac{-2x}{2\sqrt{1-x^2}}-\sqrt{1-x^2}}{x^2}\\ &=\frac{-x^2-(1-x^2)}{x^2\sqrt{1-x^2}}\\ &=\frac{-1}{x^2\sqrt{1-x^2}} \end{aligned}

Remark: another strategy is to differentiate first, using the chain rule, then draw a triangle to simplify the resulting expression ddx{cot⁡(arcsin⁡x)}=−csc⁡2(arcsin⁡x)1−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\cot\left(\arcsin x\right)\right\}=\frac{-\csc^2(\arcsin x)}{\sqrt{1-x^2}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 7번
# 역삼각함수의 미분증명·논술보통자동 분류
13.CLP-1 · 2.12절 · 18번대학 수준우리말 번역

곡선 y=arcsin⁡xy=\arcsin x 위의 점 중에서 접선이 직선 y=2x+9y=2x+9 와 평행한 점을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Determine all points on the curve y=arcsin⁡xy=\arcsin x where the tangent line is parallel to the line y=2x+9y=2x+9.

정답·풀이 보기

직선 y=2x+9y=2x+9 의 기울기는 22 이므로, ddx{arcsin⁡x}=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x\}=2 를 만족하는 −1-1 과 11 사이의 모든 xx 의 값을 구해야 한다(arcsin⁡x\arcsin x 는 이 범위의 xx 에 대해서만 정의된다). 도함수를 계산하면:

y=arcsin⁡x2=y′=11−x24=11−x214=1−x2x2=34x=±32(x,y)=±(32,π3)\begin{aligned} y&=\arcsin x\\ 2=y'&=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\\ 4&=\frac{1}{1-x^2}\\ \frac{1}{4}&=1-x^2\\ x^2&=\frac{3}{4}\\ x&=\pm\frac{\sqrt{3}}{2}\\ (x,y)&=\pm\big(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{\pi}{3}\big) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The line y=2x+9y=2x+9 has slope 22, so we must find all values of xx between −1-1 and 11 (arcsin⁡x\arcsin x is only defined for these values of xx) for which ddx{arcsin⁡x}=2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arcsin x\}=2. Evaluating the derivative:

y=arcsin⁡x2=y′=11−x24=11−x214=1−x2x2=34x=±32(x,y)=±(32,π3)\begin{aligned} y&=\arcsin x\\ 2=y'&=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\\ 4&=\frac{1}{1-x^2}\\ \frac{1}{4}&=1-x^2\\ x^2&=\frac{3}{4}\\ x&=\pm\frac{\sqrt{3}}{2}\\ (x,y)&=\pm\big(\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{\pi}{3}\big) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 19번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
14.CLP-1 · 2.12절 · 19번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)=arctan⁡(csc⁡x)f(x)=\arctan(\csc x) 의 접선이 수평이 되는 xx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of xx does the function f(x)=arctan⁡(csc⁡x)f(x)=\arctan(\csc x) have a horizontal tangent line?

정답·풀이 보기

연쇄 법칙(합성함수의 미분법)을 이용하여 미분한다:

ddx{arctan⁡(csc⁡x)}=11+csc⁡2x⋅ddx{csc⁡x}=−csc⁡xcot⁡x1+csc⁡2x=−1sin⁡x⋅cos⁡xsin⁡x1+(1sin⁡x)2=−cos⁡xsin⁡2x+1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan(\csc x)\}&=\frac{1}{1+\csc^2x}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\csc x\}\\ &=\frac{-\csc x \cot x}{1+\csc^2x}\\ &=\frac{-\frac{1}{\sin x}\cdot \frac{\cos x}{\sin x}}{1+\left(\frac{1}{\sin x}\right)^2}\\ &=\frac{-\cos x}{\sin^2x+1} \end{aligned}

따라서 f′(x)=0f'(x)=0 이면 cos⁡x=0\cos x=0 이고, 이는 임의의 정수 nn 에 대해 x=(2n+1)π2x=\dfrac{(2n+1)\pi}{2} 일 때 성립한다. 이 점들이 ff 의 정의역에 속하는지 확인해야 한다. 아크탄젠트는 모든 실수에서 정의되므로 코시컨트의 정의역만 확인하면 된다. x=(2n+1)π2x=\dfrac{(2n+1)\pi}{2} 일 때 sin⁡x=±1≠0\sin x=\pm1 \neq 0 이므로 csc⁡x=1sin⁡x\csc x = \dfrac{1}{\sin x} 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate using the chain rule:

ddx{arctan⁡(csc⁡x)}=11+csc⁡2x⋅ddx{csc⁡x}=−csc⁡xcot⁡x1+csc⁡2x=−1sin⁡x⋅cos⁡xsin⁡x1+(1sin⁡x)2=−cos⁡xsin⁡2x+1\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan(\csc x)\}&=\frac{1}{1+\csc^2x}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\csc x\}\\ &=\frac{-\csc x \cot x}{1+\csc^2x}\\ &=\frac{-\frac{1}{\sin x}\cdot \frac{\cos x}{\sin x}}{1+\left(\frac{1}{\sin x}\right)^2}\\ &=\frac{-\cos x}{\sin^2x+1} \end{aligned}

So if f′(x)=0f'(x)=0, then cos⁡x=0\cos x=0, and this happens when x=(2n+1)π2x=\dfrac{(2n+1)\pi}{2} for any integer nn. We should check that these points are in the domain of ff. Arctangent is defined for all real numbers, so we only need to check the domain of cosecant; when x=(2n+1)π2x=\dfrac{(2n+1)\pi}{2}, then sin⁡x=±1≠0\sin x=\pm1 \neq 0, so csc⁡x=1sin⁡x\csc x = \dfrac{1}{\sin x} exists.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 9번
# 역삼각함수의 미분계산보통자동 분류
15.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 x=0.93x=0.93 일 때 log⁡(x)\log(x) 의 값을 어림하세요. 곡선 y=f(x)y=f(x) 와 선형 근사의 그래프를 그리세요.

(씨엘피-1 교재에서는 log⁡x\log x 가 xx 의 자연로그 log⁡ex\log_e x 를 뜻한다는 점을 기억하세요.)

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate log⁡(x)\log(x) when x=0.93x=0.93. Sketch the curve y=f(x)y=f(x) and your linear approximation.

(Remember that in CLP-1 we use log⁡x\log x to mean the natural logarithm of xx, log⁡ex\log_e x.)

정답·풀이 보기

f(0.93)f(0.93) 이 얼마인지는 알 수 없지만, 0.93 은 1 에 매우 가깝고 f(1)f(1) 은 분명히 알고 있다. x=1x=1 근처에서 f(x)f(x) 의 선형 근사는 다음과 같이 주어진다.

f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)따라서 다음을 계산한다:f(1)=log⁡(1)=0f′(x)=1xf′(1)=11=1그러므로f(x)≈0+1(x−1)=x−1x=0.93 일 때:f(0.93)≈0.93−1=−0.07\begin{aligned} f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1) \\ \text{따라서 다음을 계산한다:} \\ f(1)&=\log(1)=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\\ f'(1)&=\frac{1}{1}=1 \\ \text{그러므로} \\ f(x) &\approx 0+1(x-1)=x-1 \\ \text{$x=0.93$ 일 때:} \\ f(0.93) &\approx 0.93-1=-0.07 \end{aligned}

그림

원본 교재 풀이(영어)

We have no idea what f(0.93)f(0.93) is, but 0.93 is pretty close to 1, and we definitely know f(1)f(1). The linear approximation of f(x)f(x) about x=1x=1 is given by

f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)So, we calculate:f(1)=log⁡(1)=0f′(x)=1xf′(1)=11=1Therefore,f(x)≈0+1(x−1)=x−1When x=0.93:f(0.93)≈0.93−1=−0.07\begin{aligned} f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1) \\ \text{So, we calculate:} \\ f(1)&=\log(1)=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\\ f'(1)&=\frac{1}{1}=1 \\ \text{Therefore,} \\ f(x) &\approx 0+1(x-1)=x-1 \\ \text{When $x=0.93$:} \\ f(0.93) &\approx 0.93-1=-0.07 \end{aligned}

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 선형근사와 미분소그래프·표 해석보통자동 분류
16.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 5\sqrt{5} 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 5\sqrt{5}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

4 는 완전제곱수이고 5 에 가까우므로, 함수 f(x)=xf(x)=\sqrt{x} 를 x=4x=4 에서 근사한다.

f(4)=4=2f′(x)=12x⇒f′(4)=124=14f(x)≈f(4)+f′(4)(x−4)=2+14(x−4)f(5)≈2+14(5−4)=94\begin{aligned} f(4)&=\sqrt{4}=2\\ f'(x)&=\frac{1}{2\sqrt{x}} \qquad \Rightarrow \qquad f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}\\ f(x) &\approx f(4)+f'(4)(x-4)=2+\frac{1}{4}(x-4)\\ f(5)&\approx 2+\frac{1}{4}(5-4)=\frac{9}{4} \end{aligned}

5≈94\sqrt{5}\approx\dfrac{9}{4} 로 어림한다.

참고: (94)2=8116\left(\dfrac{9}{4}\right)^2=\dfrac{81}{16} 이고, 이는 8016=5\dfrac{80}{16}=5 에 꽤 가깝다. 따라서 이 근삿값은 꽤 좋아 보인다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=xf(x)=\sqrt{x} about x=4x=4, since 4 is a perfect square and it is close to 5.

f(4)=4=2f′(x)=12x⇒f′(4)=124=14f(x)≈f(4)+f′(4)(x−4)=2+14(x−4)f(5)≈2+14(5−4)=94\begin{aligned} f(4)&=\sqrt{4}=2\\ f'(x)&=\frac{1}{2\sqrt{x}} \qquad \Rightarrow \qquad f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}\\ f(x) &\approx f(4)+f'(4)(x-4)=2+\frac{1}{4}(x-4)\\ f(5)&\approx 2+\frac{1}{4}(5-4)=\frac{9}{4} \end{aligned}

We estimate 5≈94\sqrt{5}\approx\dfrac{9}{4}.

Remark: (94)2=8116\left(\dfrac{9}{4}\right)^2=\dfrac{81}{16}, which is pretty close to 8016=5\dfrac{80}{16}=5. Our approximation seems pretty good.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
17.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 305\sqrt[5]{30} 을 어림하세요

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 305\sqrt[5]{30}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=x5f(x)=\sqrt[5]{x} 를 근사한다. f(a)f(a) 와 f′(a)f'(a) 를 알 수 있고 aa 가 3030 에서 너무 멀지 않도록, 어떤 값 x=ax=a 를 중심으로 근사해야 한다.

f(x)=x5=x15f′(x)=15x−45=15x54a 는 5제곱근을 아는 수여야 한다. 325=2 이고 32는 30에 꽤 가까우므로 a=32 가 아주 좋은 선택이다.f(32)=325=2f′(32)=15⋅24=180x=32 에서 f(x) 의 선형 근사는f(x)≈2+180(x−32)x=30 일 때:f(30)≈2+180(30−32)=2−140=7940\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[5]{x}=x^{\frac{1}{5}}\\ f'(x)&=\frac{1}{5}x^{-\frac{4}{5}}=\frac{1}{5\sqrt[5]{x}^4} \\ \text{$a$ 는 5제곱근을 아는 수여야 한다. $\sqrt[5]{32}=2$ 이고 32는 30에 꽤 가까우므로 $a=32$ 가 아주 좋은 선택이다.} \\ f(32)&=\sqrt[5]{32}=2\\ f'(32)&=\frac{1}{5\cdot 2^4}=\frac{1}{80} \\ \text{$x=32$ 에서 $f(x)$ 의 선형 근사는} \\ f(x) &\approx 2+\frac{1}{80}(x-32) \\ \text{$x=30$ 일 때:} \\ f(30) &\approx 2+\frac{1}{80}(30-32)=2-\frac{1}{40}=\frac{79}{40} \end{aligned}

따라서 305≈7940\sqrt[5]{30}\approx \dfrac{79}{40} 로 어림한다.

참고: 7940=1.975\dfrac{79}{40} = 1.975 이고, 305≈1.97435\sqrt[5]{30} \approx 1.97435 이다. 꽤 괜찮은 어림이다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=x5f(x)=\sqrt[5]{x}. We need to centre the approximation about some value x=ax=a such that we know f(a)f(a) and f′(a)f'(a), and aa is not too far from 3030.

f(x)=x5=x15f′(x)=15x−45=15x54a needs to be a number whose fifth root we know. Since 325=2, and 32 is reasonably close to 30, a=32 is a great choice.f(32)=325=2f′(32)=15⋅24=180The linear approximation of f(x) about x=32 isf(x)≈2+180(x−32)When x=30:f(30)≈2+180(30−32)=2−140=7940\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[5]{x}=x^{\frac{1}{5}}\\ f'(x)&=\frac{1}{5}x^{-\frac{4}{5}}=\frac{1}{5\sqrt[5]{x}^4} \\ \text{$a$ needs to be a number whose fifth root we know. Since $\sqrt[5]{32}=2$, and 32 is reasonably close to 30, $a=32$ is a great choice.} \\ f(32)&=\sqrt[5]{32}=2\\ f'(32)&=\frac{1}{5\cdot 2^4}=\frac{1}{80} \\ \text{The linear approximation of $f(x)$ about $x=32$ is} \\ f(x) &\approx 2+\frac{1}{80}(x-32) \\ \text{When $x=30$:} \\ f(30) &\approx 2+\frac{1}{80}(30-32)=2-\frac{1}{40}=\frac{79}{40} \end{aligned}

We estimate 305≈7940\sqrt[5]{30}\approx \dfrac{79}{40}.

Remark: 7940=1.975\dfrac{79}{40} = 1.975, while 305≈1.97435\sqrt[5]{30} \approx 1.97435. This is a decent estimation.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 5번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
18.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 라 하자.

(a) 선형 근사를 이용하여 f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5) 를 어림하세요. (b) 이차 근사를 이용하여 f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5) 를 어림하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x.

(a) Use a linear approximation to estimate f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5). (b) Use a quadratic approximation to estimate f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

먼저 x=5x=5 에서 ff 의 1계 미분계수와 2계 미분계수를 구하자.

f′(x)=11+x2f′(5)=126f′′(x)=−2x(1+x2)2f′′(5)=−10262\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{1+x^2} & f'(5)&=\frac{1}{26}\\ f''(x)&=\frac{-2x}{\left(1+x^2\right)^2} & f''(5)&=\frac{-10}{26^2} \end{aligned}

Δx=110 일 때 Δy 의 선형 근사는Δy≈f′(5)Δx=126⋅110=1260≈0.003846Δx=110 일 때 Δy 의 이차 근사는Δy≈f′(5)Δx+12f′′(5)(Δx)2=126⋅110+12⋅−10262⋅1102=5113520≈0.003772\begin{aligned} \\ \text{$\Delta x = \dfrac{1}{10}$ 일 때 $\Delta y$ 의 선형 근사는} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x = \frac{1}{26}\cdot \frac{1}{10}=\frac{1}{260} \approx 0.003846 \\ \text{$\Delta x = \dfrac{1}{10}$ 일 때 $\Delta y$ 의 이차 근사는} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x + \frac{1}{2}f''(5)\left(\Delta x\right)^2 = \frac{1}{26}\cdot\frac{1}{10}+\frac{1}{2}\cdot\frac{-10}{26^2}\cdot\frac{1}{10^2}=\frac{51}{13520}\approx 0.003772 \end{aligned}

참고: Δy=arctan⁡(5.1)−arctan⁡(5)≈0.003774\Delta y = \arctan(5.1)-\arctan(5)\approx 0.003774 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, let's find the first and second derivatives of ff when x=5x=5.

f′(x)=11+x2f′(5)=126f′′(x)=−2x(1+x2)2f′′(5)=−10262\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{1+x^2} & f'(5)&=\frac{1}{26}\\ f''(x)&=\frac{-2x}{\left(1+x^2\right)^2} & f''(5)&=\frac{-10}{26^2} \end{aligned}

The linear approximation for Δy when Δx=110 isΔy≈f′(5)Δx=126⋅110=1260≈0.003846The quadratic approximation for Δy when Δx=110 isΔy≈f′(5)Δx+12f′′(5)(Δx)2=126⋅110+12⋅−10262⋅1102=5113520≈0.003772\begin{aligned} \\ \text{The linear approximation for $\Delta y$ when $\Delta x = \dfrac{1}{10}$ is} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x = \frac{1}{26}\cdot \frac{1}{10}=\frac{1}{260} \approx 0.003846 \\ \text{The quadratic approximation for $\Delta y$ when $\Delta x = \dfrac{1}{10}$ is} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x + \frac{1}{2}f''(5)\left(\Delta x\right)^2 = \frac{1}{26}\cdot\frac{1}{10}+\frac{1}{2}\cdot\frac{-10}{26^2}\cdot\frac{1}{10^2}=\frac{51}{13520}\approx 0.003772 \end{aligned}

Remark: Δy=arctan⁡(5.1)−arctan⁡(5)≈0.003774\Delta y = \arctan(5.1)-\arctan(5)\approx 0.003774.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 2번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
19.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

높이 xx 미터의 절벽에서 물로 뛰어내릴 때, 물에 닿는 순간의 속력은 다음과 같이 주어진다. s(x)=19.6x  msecs(x)=\sqrt{19.6x}~~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{sec}} 마지막 다이빙은 높이 4 미터에서 한 것이었다.

(a) Δy\Delta y 의 선형 근사를 이용하여, 높이 5 미터에서 뛰어내릴 때 물에 닿는 순간 얼마나 더 빠르게 떨어질지 어림하세요. (b) 한 다이버가 세 번 뛰어내린다. 첫 번째는 xx 미터에서, 두 번째는 x+Δxx+\Delta x 미터에서, 세 번째는 x+2Δxx+2\Delta x 미터에서 뛰어내리며, xx 와 Δx\Delta x 는 고정된 양수이다. 첫 번째 점프에서 두 번째 점프로 갈 때의 종단 속력의 증가량과, 두 번째 점프에서 세 번째 점프로 갈 때의 종단 속력의 증가량 중 어느 쪽이 더 큰지 구하세요.

영어 원문 보기

When diving off a cliff from xx metres above the water, your speed as you hit the water is given by s(x)=19.6x  msecs(x)=\sqrt{19.6x}~~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{sec}} Your last dive was from a height of 4 metres.

(a) Use a linear approximation of Δy\Delta y to estimate how much faster you will be falling when you hit the water if you jump from a height of 5 metres. (b) A diver makes three jumps: the first is from xx metres, the second from x+Δxx+\Delta x metres, and the third from x+2Δxx+2\Delta x metres, for some fixed positive values of xx and Δx\Delta x. Which is bigger: the increase in terminal speed from the first to the second jump, or the increase in terminal speed from the second to the third jump?

정답·풀이 보기

(a)

xx 가 4 근처일 때, Δy\Delta y 의 선형 근사는

Δy≈s′(4)Δx문제에서 Δx=5−4=1 이다. 미분하면,s′(t)=19.6⋅12x=4.9x, 이므로 s′(4)=4.94선형 근사에 의하여Δy≈4.94(1)≈1.1\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(4)\Delta x \\ \text{문제에서 $\Delta x= 5-4=1$ 이다. 미분하면,} \\ s'(t)&=\sqrt{19.6}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}=\sqrt{\frac{4.9}{x}},\text{ 이므로 }\\ s'(4)&=\sqrt{\frac{4.9}{4}} \\ \text{선형 근사에 의하여} \\ \Delta y& \approx \sqrt{\frac{4.9}{4}}(1)\approx1.1 \end{aligned}

따라서 4 미터에서 5 미터로 높이를 올리면 물에 닿는 순간의 속력은 약 1.1 미터/초 증가한다.

(b) 이번에도 선형 근사를 이용하면

Δy≈s′(a)Δx=4.9a⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(a)\Delta x\\ &=\sqrt{\frac{4.9}{a}}\cdot\Delta x \end{aligned}

첫 두 점프 사이와 마지막 두 점프 사이의 높이 차이는 Δx\Delta x 로 같다. 첫 번째 점프의 처음 높이는 두 번째 점프의 처음 높이보다 낮다. 그러므로 aa 에 해당하는 값은 첫 번째 점프에서가 두 번째 점프에서보다 작다. 따라서 Δy\Delta y 는 첫 두 점프 사이에서가 마지막 두 점프 사이에서보다 크다. 즉, 첫 번째 점프에서 두 번째 점프로 갈 때의 속력 증가량이 두 번째 점프에서 세 번째 점프로 갈 때의 속력 증가량보다 크다.

이를 식으로 더 나타내면, 첫 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는

Δy≈4.9x⋅Δx한편 다음 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는Δy≈4.9x+Δx⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x}}\cdot\Delta x \\ \text{한편 다음 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는} \\ \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x \end{aligned}

xx 와 Δx\Delta x 가 양수일 때 4.9x⋅Δx>4.9x+Δx⋅Δx \sqrt{\dfrac{4.9}{x}}\cdot\Delta x> \sqrt{\dfrac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x 이므로, 종단 속력의 변화는 첫 두 점프 사이에서가 다음 두 점프 사이에서보다 크다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

When xx is near 4, the linear approximation of Δy\Delta y is

Δy≈s′(4)ΔxFrom the problem, Δx=5−4=1. Differentiating,s′(t)=19.6⋅12x=4.9x, so s′(4)=4.94The linear approximation gives usΔy≈4.94(1)≈1.1\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(4)\Delta x \\ \text{From the problem, $\Delta x= 5-4=1$. Differentiating,} \\ s'(t)&=\sqrt{19.6}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}=\sqrt{\frac{4.9}{x}},\text{ so }\\ s'(4)&=\sqrt{\frac{4.9}{4}} \\ \text{The linear approximation gives us} \\ \Delta y& \approx \sqrt{\frac{4.9}{4}}(1)\approx1.1 \end{aligned}

So moving from 4 metres to 5 metres increases the speed with which you hit the water by about 1.1 metres per second.

(b) Again, we'll use the linear approximation

Δy≈s′(a)Δx=4.9a⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(a)\Delta x\\ &=\sqrt{\frac{4.9}{a}}\cdot\Delta x \end{aligned}

The difference in height between the first two jumps and between the last two jumps is the same, Δx\Delta x. The initial height of the first jump is smaller than the initial height of the second jump. So, the value corresponding to aa is smaller for the first jump than for the second. Therefore, Δy\Delta y is larger between the first two jumps than it is between the last two jumps. So, the increase in speed from the first jump to the second is larger than the increase in speed from the second jump to the third.

To put that more symbolically, the change in terminal speed between the first two jumps is

Δy≈4.9x⋅Δxwhile the change in terminal speed between the next two jumps isΔy≈4.9x+Δx⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x}}\cdot\Delta x \\ \text{while the change in terminal speed between the next two jumps is} \\ \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x \end{aligned}

Since 4.9x⋅Δx>4.9x+Δx⋅Δx \sqrt{\dfrac{4.9}{x}}\cdot\Delta x> \sqrt{\dfrac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x (when xx and Δx\Delta x are positive), the change in terminal speed is greater between the first two jumps than between the next two jumps.

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20.CLP-1 · 3.7절 · 4번대학 수준우리말 번역

lim⁡x→1x3−ex−1sin⁡(πx)\lim\limits_{x\rightarrow 1}\dfrac{x^3-e^{x-1}}{\sin(\pi x)} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→1x3−ex−1sin⁡(πx)\lim\limits_{x\rightarrow 1}\dfrac{x^3-e^{x-1}}{\sin(\pi x)}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

분자와 분모에 x=1x=1 을 대입하면 둘 다 0이다. 따라서 로피탈의 정리를 적용할 수 있는 부정형이다.

lim⁡x→1x3−ex−1sin⁡(πx)⏟num→0den→0=lim⁡x→13x2−ex−1πcos⁡(πx)=−2π\begin{aligned} \lim\limits_{x\rightarrow 1}\underbrace{\frac{x^3-e^{x-1}}{\sin(\pi x)}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num} \to 0}{\mathrm{den} \to 0}} =\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{3x^2-e^{x-1}}{\pi\cos(\pi x)} =-\frac{2}{\pi}\end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If we plug in x=1x=1 to the numerator and the denominator, we find they are both zero. So, we have an indeterminate form appropriate for L'Hopital's Rule.

lim⁡x→1x3−ex−1sin⁡(πx)⏟num→0den→0=lim⁡x→13x2−ex−1πcos⁡(πx)=−2π\begin{aligned} \lim\limits_{x\rightarrow 1}\underbrace{\frac{x^3-e^{x-1}}{\sin(\pi x)}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num} \to 0}{\mathrm{den} \to 0}} =\lim\limits_{x\rightarrow 1}\frac{3x^2-e^{x-1}}{\pi\cos(\pi x)} =-\frac{2}{\pi}\end{aligned}

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