문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

극한·미분 심화 전체 문제

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402문제 · 19 / 21쪽

361.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
362.CLP-1 · 2.12절 · 20번대학 수준우리말 번역

f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x 라 하고, g(y)=f−1(y)g(y) = f^{-1}(y) 를 역함수라 하자. g′(y)g'(y) 를 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x, and let g(y)=f−1(y)g(y) = f^{-1}(y) be the inverse function. Determine g′(y)g'(y).

정답·풀이 보기

g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y) 이므로

f(g(y))=f(f−1(y))=y이제 연쇄 법칙을 이용하여 y 에 대해 미분할 수 있다.ddy{f(g(y))}=ddy{y}f′(g(y))⋅g′(y)=1g′(y)=1f′(g(y))=11−sin⁡g(y)\begin{aligned} f(g(y))&=f\left(f^{-1}(y)\right)=y \\ \text{이제 연쇄 법칙을 이용하여 $y$ 에 대해 미분할 수 있다.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}\left\{f(g(y))\right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}\{y\}\\ f'(g(y))\cdot g'(y)&=1\\ g'(y)&=\frac{1}{f'(g(y))}=\frac{1}{1-\sin g(y)} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y),

f(g(y))=f(f−1(y))=yNow, we can differentiate with respect to y using the chain rule.ddy{f(g(y))}=ddy{y}f′(g(y))⋅g′(y)=1g′(y)=1f′(g(y))=11−sin⁡g(y)\begin{aligned} f(g(y))&=f\left(f^{-1}(y)\right)=y \\ \text{Now, we can differentiate with respect to $y$ using the chain rule.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}\left\{f(g(y))\right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}\{y\}\\ f'(g(y))\cdot g'(y)&=1\\ g'(y)&=\frac{1}{f'(g(y))}=\frac{1}{1-\sin g(y)} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 23번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
363.CLP-1 · 2.12절 · 21번대학 수준우리말 번역

f(x)=2x−sin⁡(x)f(x) = 2x-\sin(x) 는 일대일함수이다. (f−1)′(π−1)\big(f^{-1}\big)'(\pi-1) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=2x−sin⁡(x)f(x) = 2x-\sin(x) is one–to–one. Find (f−1)′(π−1)\big(f^{-1}\big)'(\pi-1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y) 라 하자. 그러면 g(f(x))=xg(f(x))=x 이므로 양변을 (연쇄 법칙을 이용하여) 미분하면 다음을 얻는다.

g′(f(x))⋅f′(x)=1우리가 구하려는 것은 g′(π−1) 이므로 f(x)=π−1 을 만족하는 x 의 값을 알아내야 한다. 약간의 시행착오를 거치면 x=π2 임을 알 수 있다.g′(π−1)⋅f′(π2)=1f′(x)=2−cos⁡(x) 이므로 f′(π2)=2−0=2 이다:g′(π−1)⋅2=1g′(π−1)=12\begin{aligned} g'(f(x))\cdot f'(x)=1 \\ \text{우리가 구하려는 것은 $g'(\pi-1)$ 이므로 $f(x)=\pi-1$ 을 만족하는 $x$ 의 값을 알아내야 한다. 약간의 시행착오를 거치면 $x=\frac{\pi}{2}$ 임을 알 수 있다.} \\ g'(\pi-1)\cdot f'\left(\frac{\pi}{2}\right)&=1 \\ \text{$f'(x)=2-\cos(x)$ 이므로 $f'\left(\frac{\pi}{2}\right)=2-0=2$ 이다:} \\ g'(\pi-1)\cdot 2&=1\\ g'(\pi-1)=\frac{1}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y). Then g(f(x))=xg(f(x))=x, so differentiating both sides (using the chain rule), we see

g′(f(x))⋅f′(x)=1What we want is g′(π−1), so we need to figure out which value of x gives f(x)=π−1. A little trial and error leads us to x=π2.g′(π−1)⋅f′(π2)=1Since f′(x)=2−cos⁡(x), f′(π2)=2−0=2:g′(π−1)⋅2=1g′(π−1)=12\begin{aligned} g'(f(x))\cdot f'(x)=1 \\ \text{What we want is $g'(\pi-1)$, so we need to figure out which value of $x$ gives $f(x)=\pi-1$. A little trial and error leads us to $x=\frac{\pi}{2}$.} \\ g'(\pi-1)\cdot f'\left(\frac{\pi}{2}\right)&=1 \\ \text{Since $f'(x)=2-\cos(x)$, $f'\left(\frac{\pi}{2}\right)=2-0=2$:} \\ g'(\pi-1)\cdot 2&=1\\ g'(\pi-1)=\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 20번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
364.CLP-1 · 2.12절 · 22번대학 수준우리말 번역

f(x)=ex+xf(x) = e^x+x 는 일대일함수이다. (f−1)′(e+1)\big(f^{-1}\big)'(e+1) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=ex+xf(x) = e^x+x is one–to–one. Find (f−1)′(e+1)\big(f^{-1}\big)'(e+1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y) 라 하자. 그러면 g(f(x))=xg(f(x))=x 이므로 양변을 (연쇄 법칙을 이용하여) 미분하면 다음을 얻는다.

g′(f(x))f′(x)=1우리가 구하려는 것은 g′(e+1) 이므로 f(x)=e+1 을 만족하는 x 의 값을 알아내야 한다. 약간의 시행착오를 거치면 x=1 임을 알 수 있다.g′(f(1))f′(1)=1g′(e+1)⋅f′(1)=1g′(e+1)=1f′(1)마지막으로 f′(x)=ex+1 이므로 f′(1)=e+1 임에 주목하면 된다.g′(e+1)=1e+1\begin{aligned} g'(f(x))f'(x)&=1 \\ \text{우리가 구하려는 것은 $g'(e+1)$ 이므로 $f(x)=e+1$ 을 만족하는 $x$ 의 값을 알아내야 한다. 약간의 시행착오를 거치면 $x=1$ 임을 알 수 있다.} \\ g'(f(1))f'(1)&=1\\ g'(e+1)\cdot f'(1)&=1\\ g'(e+1) &= \frac{1}{f'(1)} \\ \text{마지막으로 $f'(x)=e^x+1$ 이므로 $f'(1)=e+1$ 임에 주목하면 된다.} \\ g'(e+1)&=\frac{1}{e+1} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Write g(y)=f−1(y)g(y)=f^{-1}(y). Then g(f(x))=xg(f(x))=x, so differentiating both sides (using the chain rule), we see

g′(f(x))f′(x)=1What we want is g′(e+1), so we need to figure out which value of x gives f(x)=e+1. A little trial and error leads us to x=1.g′(f(1))f′(1)=1g′(e+1)⋅f′(1)=1g′(e+1)=1f′(1)It remains only to note that f′(x)=ex+1, so f′(1)=e+1g′(e+1)=1e+1\begin{aligned} g'(f(x))f'(x)&=1 \\ \text{What we want is $g'(e+1)$, so we need to figure out which value of $x$ gives $f(x)=e+1$. A little trial and error leads us to $x=1$.} \\ g'(f(1))f'(1)&=1\\ g'(e+1)\cdot f'(1)&=1\\ g'(e+1) &= \frac{1}{f'(1)} \\ \text{It remains only to note that $f'(x)=e^x+1$, so $f'(1)=e+1$} \\ g'(e+1)&=\frac{1}{e+1} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 25번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
365.CLP-1 · 2.12절 · 23번대학 수준우리말 번역

f(x)=[sin⁡x+2]arcsecxf(x)=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x} 을 미분하세요. 이 함수의 정의역은 무엇인가요?

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=[sin⁡x+2]arcsecxf(x)=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x}. What is the domain of this function?

정답·풀이 보기

(function)function(\text{function})^{\text{function}} 꼴의 식을 미분하는 표준적인 방법인 로그미분법을 사용한다.

f(x)=[sin⁡x+2]arcsecxlog⁡(f(x))=arcsecx⋅log⁡[sin⁡x+2]f′(x)f(x)=1∣x∣x2−1log⁡[sin⁡x+2]+arcsecx⋅cos⁡xsin⁡x+2f′(x)=[sin⁡x+2]arcsecx(log⁡[sin⁡x+2]∣x∣x2−1+arcsecx⋅cos⁡xsin⁡x+2)\begin{aligned} f(x)&=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x}\\ \log(f(x))&=\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot \log[\sin x +2]\\ \frac{f'(x)}{f(x)}&=\frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}\log[\sin x +2]+\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot \frac{\cos x}{\sin x +2}\\ f'(x)&=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x}\left(\frac{\log[\sin x +2]}{|x|\sqrt{x^2-1}}+ \frac{\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot\cos x}{\sin x +2}\right) \end{aligned}

arcsecx\mathop{\mathrm{arcsec}} x 의 정의역은 ∣x∣≥1|x| \geq 1 이다. 모든 xx 에 대해 sin⁡x+2\sin x +2 는 양수이고, 양수는 어떤 거듭제곱이든 할 수 있다. (음수는 아무 거듭제곱이나 할 수 있는 것이 아님을 떠올리자. 예를 들어 (−1)1/2=−1(-1)^{1/2}=\sqrt{-1} 은 실수가 아니다.) 따라서 f(x)f(x) 의 정의역은 ∣x∣≥1|x| \geq 1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We use logarithmic differentiation, our standard method of differentiating an expression of the form (function)function(\text{function})^{\text{function}}.

f(x)=[sin⁡x+2]arcsecxlog⁡(f(x))=arcsecx⋅log⁡[sin⁡x+2]f′(x)f(x)=1∣x∣x2−1log⁡[sin⁡x+2]+arcsecx⋅cos⁡xsin⁡x+2f′(x)=[sin⁡x+2]arcsecx(log⁡[sin⁡x+2]∣x∣x2−1+arcsecx⋅cos⁡xsin⁡x+2)\begin{aligned} f(x)&=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x}\\ \log(f(x))&=\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot \log[\sin x +2]\\ \frac{f'(x)}{f(x)}&=\frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}\log[\sin x +2]+\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot \frac{\cos x}{\sin x +2}\\ f'(x)&=[\sin x +2]^{\mathop{\mathrm{arcsec}} x}\left(\frac{\log[\sin x +2]}{|x|\sqrt{x^2-1}}+ \frac{\mathop{\mathrm{arcsec}} x \cdot\cos x}{\sin x +2}\right) \end{aligned}

The domain of arcsecx\mathop{\mathrm{arcsec}} x is ∣x∣≥1|x| \geq 1. For any xx, sin⁡x+2\sin x +2 is positive, and a positive number can be raised to any power. (Recall negative numbers cannot be raised to any power–for example, (−1)1/2=−1(-1)^{1/2}=\sqrt{-1} is not a real number.) So, the domain of f(x)f(x) is ∣x∣≥1|x| \geq 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 22번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
366.CLP-1 · 2.12절 · 24번대학 수준우리말 번역

아크사인의 도함수가 11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} 인지 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 인지 기억나지 않는다고 하자. 아크사인의 정의역을 통해 이 둘 중 하나가 틀렸음을 알 수 있는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose you can't remember whether the derivative of arcsine is 11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} or 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}. Describe how the domain of arcsine suggests that one of these is wrong.

정답·풀이 보기

함수 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 은 x2−1>0x^2-1>0 인 xx 의 값에 대해서만 존재한다. 즉, 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 의 정의역은 ∣x∣>1|x|>1 이다. 그런데 아크사인의 정의역은 ∣x∣≤1|x| \leq 1 이다. 따라서 arcsin⁡x\arcsin x 와 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 이 모두 정의되는 xx 의 값은 단 하나도 없다.

만약 arcsin⁡(x)\arcsin(x) 의 도함수가 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 이라면, arcsin⁡(x)\arcsin(x) 의 도함수는 어디에도 존재하지 않게 된다. 그렇다면 정의역이 맞지 않는 함수를 지어내는 대신 아마도 그냥 “도함수가 존재하지 않는다”라고 썼을 것이다. 또한 함수 f(x)=arcsin⁡(x)f(x)=\arcsin(x) 는 매끄러운 곡선이어서, 정의역의 끝점이 아닌 안쪽의 모든 점에서 도함수가 존재한다. (모든 곡선이 이런 것은 아님을 기억하자. 예를 들어 g(x)=∣x∣g(x)=|x| 는 x=0x=0 에서 미분계수가 존재하지 않는데, x=0x=0 은 정의역의 끝점이 아닌 안쪽에 있는 점이다.) 그러므로 아크사인의 도함수는 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} 이 아니라고 보는 것이 매우 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

The function 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} exists only for those values of xx with x2−1>0x^2-1>0: that is, the domain of 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} is ∣x∣>1|x|>1. However, the domain of arcsine is ∣x∣≤1|x| \leq 1. So, there is not one single value of xx where arcsin⁡x\arcsin x and 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}} are both defined.

If the derivative of arcsin⁡(x)\arcsin(x) were given by 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}, then the derivative of arcsin⁡(x)\arcsin(x) would not exist anywhere, so we would probably just write “derivative does not exist," instead of making up a function with a mismatched domain. Also, the function f(x)=arcsin⁡(x)f(x)=\arcsin(x) is a smooth curve–its derivative exists at every point strictly inside its domain. (Remember not all curves are like this: for instance, g(x)=∣x∣g(x)=|x| does not have a derivative at x=0x=0, but x=0x=0 is strictly inside its domain.) So, it's a pretty good bet that the derivative of arcsine is not 1x2−1\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 27번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
367.CLP-1 · 2.12절 · 25번대학 수준우리말 번역

lim⁡x→1((x−1)−1(arctan⁡x−π4))\displaystyle \lim_{x\to 1}\left( (x-1)^{-1}\left(\arctan x - \frac{\pi}{4}\right)\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→1((x−1)−1(arctan⁡x−π4)).\displaystyle \lim_{x\to 1}\left( (x-1)^{-1}\left(\arctan x - \frac{\pi}{4}\right)\right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 극한은 함수 f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 의 x=1x=1 에서의 미분계수를 나타낸다. 이는 a=1a=1 에서의 미분계수의 정의를 이용하면 바로 알 수 있다:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{arctan⁡x}∣1=lim⁡x→1arctan⁡x−arctan⁡1x−1=lim⁡x→1arctan⁡x−π4x−1=lim⁡x→1((x−1)−1(arctan⁡x−π4)).\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan x\}\right|_{1} &=\lim_{x\to1} \frac{\arctan x-\arctan 1}{x-1}\\ &=\lim_{x\to1} \frac{\arctan x-\frac{\pi}{4}}{x-1}\\ &=\displaystyle \lim_{x\to 1}\left( (x-1)^{-1}\left(\arctan x - \frac{\pi}{4}\right)\right). \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수가 11+x2\dfrac{1}{1+x^2} 이므로, x=1x=1 에서의 값은 정확히 12\dfrac{1}{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=1x=1 of the function f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x. To see this, simply use the definition of the derivative at a=1a=1:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{arctan⁡x}∣1=lim⁡x→1arctan⁡x−arctan⁡1x−1=lim⁡x→1arctan⁡x−π4x−1=lim⁡x→1((x−1)−1(arctan⁡x−π4)).\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan x\}\right|_{1} &=\lim_{x\to1} \frac{\arctan x-\arctan 1}{x-1}\\ &=\lim_{x\to1} \frac{\arctan x-\frac{\pi}{4}}{x-1}\\ &=\displaystyle \lim_{x\to 1}\left( (x-1)^{-1}\left(\arctan x - \frac{\pi}{4}\right)\right). \end{aligned}

Since the derivative of f(x)f(x) is 11+x2\dfrac{1}{1+x^2}, its value at x=1x=1 is exactly 12\dfrac{1}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 24번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
368.CLP-1 · 2.12절 · 26번대학 수준우리말 번역

f(2x+1)=5x−93x+7f(2x+1)=\dfrac{5x-9}{3x+7} 이라고 하자. f−1(7)f^{-1}(7) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(2x+1)=5x−93x+7f(2x+1)=\dfrac{5x-9}{3x+7}. Evaluate f−1(7)f^{-1}(7).

정답·풀이 보기

먼저 주어진 정보를 해석해 보자. 함수의 입력이 어떤 xx 에 대해 2x+12x+1 이면, 그 출력은 같은 xx 에 대해 5x−93x+7\dfrac{5x-9}{3x+7} 이다. 우리가 값을 구해야 하는 f−1(7)f^{-1}(7) 은 f(y)=7f(y)=7 을 만족하는 수 yy 이다. 함수의 출력이 7이라는 것은 다음을 뜻한다.

7=5x−93x+7그러므로7(3x+7)=5x−9x=−298따라서 x=−298 일 때, 식 f(2x+1)=5x−93x+7 은 다음과 같이 된다:f(2⋅−298+1)=5⋅−298−93⋅−298+7또는, 다시 말해:f(−254)=7\begin{aligned} 7&=\frac{5x-9}{3x+7} \\ \text{그러므로} \\ 7(3x+7)&=5x-9\\ x&=-\frac{29}{8} \\ \text{따라서 $x=-\dfrac{29}{8}$ 일 때, 식 $f(2x+1)=\dfrac{5x-9}{3x+7}$ 은 다음과 같이 된다:} \\ f\left(2\cdot\frac{-29}{8}+1\right)&=\dfrac{5\cdot\frac{-29}{8}-9}{3\cdot\frac{-29}{8}+7} \\ \text{또는, 다시 말해:} \\ f\left(-\frac{25}{4}\right)&=7 \end{aligned}

따라서 f−1(7)=−254f^{-1}(7)=-\dfrac{25}{4} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, let's interpret the given information: when the input of our function is 2x+12x+1 for some xx, then its output is 5x−93x+7\dfrac{5x-9}{3x+7}, for that same xx. We're asked to evaluate f−1(7)f^{-1}(7), which is the number yy with the property that f(y)=7f(y)=7. If the output of our function is 7, that means

7=5x−93x+7and so7(3x+7)=5x−9x=−298So, when x=−298, our equation f(2x+1)=5x−93x+7 becomes:f(2⋅−298+1)=5⋅−298−93⋅−298+7Or, equivalently:f(−254)=7\begin{aligned} 7&=\frac{5x-9}{3x+7} \\ \text{and so} \\ 7(3x+7)&=5x-9\\ x&=-\frac{29}{8} \\ \text{So, when $x=-\dfrac{29}{8}$, our equation $f(2x+1)=\dfrac{5x-9}{3x+7}$ becomes:} \\ f\left(2\cdot\frac{-29}{8}+1\right)&=\dfrac{5\cdot\frac{-29}{8}-9}{3\cdot\frac{-29}{8}+7} \\ \text{Or, equivalently:} \\ f\left(-\frac{25}{4}\right)&=7 \end{aligned}

Therefore, f−1(7)=−254f^{-1}(7)=-\dfrac{25}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 28번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
369.CLP-1 · 2.12절 · 27번대학 수준우리말 번역

f−1(4x−1)=2x+3x+1f^{-1}(4x-1)=\dfrac{2x+3}{x+1} 이라 하자. f(0)f(0) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f−1(4x−1)=2x+3x+1f^{-1}(4x-1)=\dfrac{2x+3}{x+1}. Evaluate f(0)f(0).

정답·풀이 보기

f−1(y)=0f^{-1}(y)=0 이면 f(0)=yf(0)=y 라는 뜻이다. 따라서 f−1f^{-1} 에 무엇을 넣어야 0이 되는지 알아내면 된다. f−1f^{-1} 을 변수 xx 에 관한 식으로만 알고 있으므로, 출력이 0이 되게 하는 xx 의 값을 구해 보자:

2x+3x+1=02x+3=0x=−32이제, 등식 f−1(4x−1)=2x+3x+1 에 x=−32 를 대입하면 다음을 얻는다:f−1(4⋅−32−1)=2⋅−32+3−32+1이를 정리하면:f−1(−7)=0\begin{aligned} \frac{2x+3}{x+1}&=0\\ 2x+3&=0\\ x&=-\frac{3}{2} \\ \text{이제, 등식 $f^{-1}(4x-1)=\dfrac{2x+3}{x+1}$ 에 $x=\dfrac{-3}{2}$ 를 대입하면 다음을 얻는다:} \\ f^{-1}\left(4\cdot\frac{-3}{2}-1\right)&=\frac{2\cdot\frac{-3}{2}+3}{\frac{-3}{2}+1} \\ \text{이를 정리하면:} \\ f^{-1}(-7)&=0 \end{aligned}

따라서 f(0)=−7f(0)=-7 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If f−1(y)=0f^{-1}(y)=0, that means f(0)=yf(0)=y. So, we want to find out what we plug into f−1f^{-1} to get 0. Since we only know f−1f^{-1} in terms of a variable xx, let's figure out what xx gives us an output of 0:

2x+3x+1=02x+3=0x=−32Now, the equation f−1(4x−1)=2x+3x+1 with x=−32 tells us:f−1(4⋅−32−1)=2⋅−32+3−32+1Or, equivalently:f−1(−7)=0\begin{aligned} \frac{2x+3}{x+1}&=0\\ 2x+3&=0\\ x&=-\frac{3}{2} \\ \text{Now, the equation $f^{-1}(4x-1)=\dfrac{2x+3}{x+1}$ with $x=\dfrac{-3}{2}$ tells us:} \\ f^{-1}\left(4\cdot\frac{-3}{2}-1\right)&=\frac{2\cdot\frac{-3}{2}+3}{\frac{-3}{2}+1} \\ \text{Or, equivalently:} \\ f^{-1}(-7)&=0 \end{aligned}

Therefore, f(0)=−7f(0)=-7.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 26번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
370.CLP-1 · 2.12절 · 28번대학 수준우리말 번역

곡선이 다음과 같이 음함수로 정의되어 있다고 하자. arcsin⁡(x+2y)=x2+y2\arcsin(x+2y)=x^2+y^2 y′y' 을 xx 와 yy 로 나타내세요.

영어 원문 보기

Suppose a curve is defined implicitly by arcsin⁡(x+2y)=x2+y2\arcsin(x+2y)=x^2+y^2 Solve for y′y' in terms of xx and yy.

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 음함수 미분법으로 시작한다. 관례에 따라 y′y' 은 y′(x)y'(x) 를 뜻하는 것으로 쓴다.

arcsin⁡(x+2y)=x2+y2연쇄법칙을 이용하면:1+2y′1−(x+2y)2=2x+2yy′11−(x+2y)2+2y′1−(x+2y)2=2x+2yy′2y′1−(x+2y)2−2yy′=2x−11−(x+2y)2y′(21−(x+2y)2−2y)=2x−11−(x+2y)2y′=2x−11−(x+2y)221−(x+2y)2−2y(1−(x+2y)21−(x+2y)2)y′=2x1−(x+2y)2−12−2y1−(x+2y)2\begin{aligned} \arcsin(x+2y)&=x^2+y^2 \qquad\text{연쇄법칙을 이용하면:}\\ \frac{1+2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}&=2x+2yy'\\ \frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}+\frac{2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}&=2x+2yy'\\ \frac{2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2yy'&=2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\\ y'\left(\frac{2}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2y\right)&=2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\\ y'&=\frac{2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}}{\frac{2}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2y} \left(\frac{\sqrt{1-(x+2y)^2}}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\right)\\ y'&=\frac{2x\sqrt{1-(x+2y)^2}-1}{2-2y\sqrt{1-(x+2y)^2}} \end{aligned}

  • 풀이 2: 먼저 등식의 양변에 사인을 취한다.

arcsin⁡(x+2y)=x2+y2x+2y=sin⁡(x2+y2)이제 음함수 미분을 한다.1+2y′=cos⁡(x2+y2)⋅(2x+2yy′)1+2y′=2xcos⁡(x2+y2)+2yy′cos⁡(x2+y2)2y′−2yy′cos⁡(x2+y2)=2xcos⁡(x2+y2)−1y′(2−2ycos⁡(x2+y2))=2xcos⁡(x2+y2)−1y′=2xcos⁡(x2+y2)−12−2ycos⁡(x2+y2)\begin{aligned} \arcsin(x+2y)&=x^2+y^2\\ x+2y&=\sin(x^2+y^2) \\ \text{이제 음함수 미분을 한다.} \\ 1+2y'&=\cos(x^2+y^2)\cdot(2x+2yy')\\ 1+2y'&=2x\cos(x^2+y^2)+2yy'\cos(x^2+y^2)\\ 2y'-2yy'\cos(x^2+y^2)&=2x\cos(x^2+y^2)-1\\ y'\left(2-2y\cos(x^2+y^2)\right)&=2x\cos(x^2+y^2)-1\\ y'&=\frac{2x\cos(x^2+y^2)-1}{2-2y\cos(x^2+y^2)} \end{aligned}

  • 두 가지 다른 방법을 사용하여 꽤 달라 보이는 두 개의 답을 얻었다. 그러나 두 답은 같아야 한다. 이를 확인하기 위해, 우리가 다루는 모든 xx 와 yy 의 값(곡선의 정의역에 속하는 순서쌍 (x,y)(x,y))에 대해 등식 arcsin⁡(x+2y)=x2+y2\arcsin(x+2y)=x^2+y^2 이 성립함을 기억하자. 삼각형을 그리면 다음과 같다.

그림

여기서 (빨간색으로 표시한) 밑변의 길이는 피타고라스 정리로부터 구한 것이다. 그러면 cos⁡(x2+y2)=1−(x+2y)2\cos(x^2+y^2)=\sqrt{1-(x+2y)^2} 이므로, 풀이 2의 결과에 대입하면 다음과 같다.

y′=2xcos⁡(x2+y2)−12−2ycos⁡(x2+y2)=2x1−(x+2y)2−12−2y1−(x+2y)2\begin{aligned} y'&=\frac{2x\cos(x^2+y^2)-1}{2-2y\cos(x^2+y^2)}\\ &=\frac{2x\sqrt{1-(x+2y)^2}-1}{2-2y\sqrt{1-(x+2y)^2}} \end{aligned}

이는 풀이 1의 답과 정확히 같다.

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: We begin by differentiating implicitly. Following the usual convention, we use y′y' to mean y′(x)y'(x).

arcsin⁡(x+2y)=x2+y2Using the chain rule:1+2y′1−(x+2y)2=2x+2yy′11−(x+2y)2+2y′1−(x+2y)2=2x+2yy′2y′1−(x+2y)2−2yy′=2x−11−(x+2y)2y′(21−(x+2y)2−2y)=2x−11−(x+2y)2y′=2x−11−(x+2y)221−(x+2y)2−2y(1−(x+2y)21−(x+2y)2)y′=2x1−(x+2y)2−12−2y1−(x+2y)2\begin{aligned} \arcsin(x+2y)&=x^2+y^2 \qquad\text{Using the chain rule:}\\ \frac{1+2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}&=2x+2yy'\\ \frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}+\frac{2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}&=2x+2yy'\\ \frac{2y'}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2yy'&=2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\\ y'\left(\frac{2}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2y\right)&=2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\\ y'&=\frac{2x-\frac{1}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}}{\frac{2}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}-2y} \left(\frac{\sqrt{1-(x+2y)^2}}{\sqrt{1-(x+2y)^2}}\right)\\ y'&=\frac{2x\sqrt{1-(x+2y)^2}-1}{2-2y\sqrt{1-(x+2y)^2}} \end{aligned}

  • Solution 2: We begin by taking the sine of both sides of the equation.

arcsin⁡(x+2y)=x2+y2x+2y=sin⁡(x2+y2)Now, we differentiate implicitly.1+2y′=cos⁡(x2+y2)⋅(2x+2yy′)1+2y′=2xcos⁡(x2+y2)+2yy′cos⁡(x2+y2)2y′−2yy′cos⁡(x2+y2)=2xcos⁡(x2+y2)−1y′(2−2ycos⁡(x2+y2))=2xcos⁡(x2+y2)−1y′=2xcos⁡(x2+y2)−12−2ycos⁡(x2+y2)\begin{aligned} \arcsin(x+2y)&=x^2+y^2\\ x+2y&=\sin(x^2+y^2) \\ \text{Now, we differentiate implicitly.} \\ 1+2y'&=\cos(x^2+y^2)\cdot(2x+2yy')\\ 1+2y'&=2x\cos(x^2+y^2)+2yy'\cos(x^2+y^2)\\ 2y'-2yy'\cos(x^2+y^2)&=2x\cos(x^2+y^2)-1\\ y'\left(2-2y\cos(x^2+y^2)\right)&=2x\cos(x^2+y^2)-1\\ y'&=\frac{2x\cos(x^2+y^2)-1}{2-2y\cos(x^2+y^2)} \end{aligned}

  • We used two different methods, and got two answers that look pretty different. However, the answers ought to be equivalent. To see this, we remember that for all values of xx and yy that we care about (those pairs (x,y)(x,y) in the domain of our curve), the equality arcsin⁡(x+2y)=x2+y2\arcsin(x+2y)=x^2+y^2 holds. Drawing a triangle:

figure

where the adjacent side (in red) come from the Pythagorean Theorem. Then, cos⁡(x2+y2)=1−(x+2y)2\cos(x^2+y^2)=\sqrt{1-(x+2y)^2}, so using our second solution:

y′=2xcos⁡(x2+y2)−12−2ycos⁡(x2+y2)=2x1−(x+2y)2−12−2y1−(x+2y)2\begin{aligned} y'&=\frac{2x\cos(x^2+y^2)-1}{2-2y\cos(x^2+y^2)}\\ &=\frac{2x\sqrt{1-(x+2y)^2}-1}{2-2y\sqrt{1-(x+2y)^2}} \end{aligned}

which is exactly the answer from our first solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 18번
# 역삼각함수의 미분계산도전자동 분류
371.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

상수 근사를 이용하여 10.1310.1^3 의 값을 어림하세요. 어림한 값은 암산으로 계산할 수 있는 것이어야 합니다.

영어 원문 보기

Use a constant approximation to estimate the value of 10.1310.1^3. Your estimation should be something you can calculate in your head.

정답·풀이 보기

10.110.1 은 1010 에 꽤 가까우므로 10.13≈103=100010.1^3 \approx 10^3=1000 으로 어림한다.

참고: 이러한 어림은 계산을 할 때 매우 유용하다. 계산 과정에서 실수하기 쉬운데, 10.1310.1^3 이 대략 천 정도여야 한다는 것을 염두에 두면 구한 답이 타당한지 확인하는 좋은 방법이 된다.

원본 교재 풀이(영어)

Since 10.110.1 is pretty close to 1010, we estimate 10.13≈103=100010.1^3 \approx 10^3=1000.

Remark: these kinds of approximations are very useful when you are doing computations. It's easy to make a mistake in your work, and having in mind that 10.1310.1^3 should be about a thousand is a good way to check that whatever answer you have makes sense.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.2절 · 28번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
372.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 함수이고, x=5x=5 근처에서의 선형 근사를 계산하여 f(x)≈3x−9f(x) \approx 3x-9 를 얻었다고 하자.

(a) f(5)f(5) 는 얼마입니까? (b) f′(5)f'(5) 는 얼마입니까? (c) f(0)f(0) 은 얼마입니까?

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function, and we calculated its linear approximation near x=5x=5 to be f(x)≈3x−9f(x) \approx 3x-9.

(a) What is f(5)f(5)? (b) What is f′(5)f'(5)? (c) What is f(0)f(0)?

정답·풀이 보기

선형 근사는 L(x)=3x−9L(x)=3x-9 이다. x=5x=5 에서 근사하므로 f(5)=L(5)f(5)=L(5) 이고 f′(5)=L′(5)f'(5)=L'(5) 이다. 그러나 x≠5x \neq 5 일 때 f(x)f(x) 와 L(x)L(x) 의 값이 같다는 보장은 없다. 따라서

(a) f(5)=L(5)=6f(5)=L(5)=6

(b) f′(5)=L′(5)=3f'(5)=L'(5)=3

(c) f(0)f(0) 을 구하기에는 정보가 충분하지 않다.

원본 교재 풀이(영어)

The linear approximation is L(x)=3x−9L(x)=3x-9. Since we're approximating at x=5x=5, f(5)=L(5)f(5)=L(5), and f′(5)=L′(5)f'(5)=L'(5). However, there is no guarantee that f(x)f(x) and L(x)L(x) have the same value when x≠5x \neq 5. So:

(a) f(5)=L(5)=6f(5)=L(5)=6

(b) f′(5)=L′(5)=3f'(5)=L'(5)=3

(c) there is not enough information to find f(0)f(0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.8절 · 8번
# 선형근사와 미분소계산기본자동 분류
373.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)=2x+5f(x)=2x+5 의 x=ax=a 에서의 선형 근사를 구하세요.

영어 원문 보기

What is the linear approximation of the function f(x)=2x+5f(x)=2x+5 about x=ax=a?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

임의의 상수 aa 에 대해 f(a)=(2a+5)f(a)=(2a+5) 이고 f′(a)=2f'(a)=2 이므로, 근사하면 f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5f(x) \approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5

f(x)f(x) 자체가 일차함수이므로 선형 근사는 사실 f(x)f(x) 그 자체이다. 따라서 선형 근사는 모든 xx 의 값에 대해 완벽하게 정확하다.

원본 교재 풀이(영어)

For any constant aa, f(a)=(2a+5)f(a)=(2a+5), and f′(a)=2f'(a)=2, so our approximation gives us f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5f(x) \approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5

Since f(x)f(x) itself is a linear function, the linear approximation is actually just f(x)f(x) itself. As a consequence, the linear approximation is perfectly accurate for all values of xx.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 2번
# 선형근사와 미분소계산기본자동 분류
374.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
375.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
376.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 10.1310.1^3 의 값을 어림하고, 어림한 값을 실제 값과 비교하세요.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 10.1310.1^3, then compare your estimation with the actual value.

정답·풀이 보기

f(x)=x3f(x)=x^3 이면 f(10.1)=10.13f(10.1)=10.1^3 이고, 이것이 우리가 어림하려는 값이다. x=10x=10 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사를 구해 보자.

f(10)=103=1000f′(x)=3x2f′(10)=3(102)=300f(a)≈f(10)+f′(10)(x−10)=1000+300(x−10)f(10.1)≈1000+300(10.1−10)=1030\begin{aligned} f(10)&=10^3=1000\\ f'(x)&=3x^2\\ f'(10)&=3(10^2)=300\\ f(a) &\approx f(10)+f'(10)(x-10)\\ &=1000+300(x-10)\\ f(10.1)& \approx 1000+300(10.1-10)=1030 \end{aligned}

따라서 10.13≈103010.1^3 \approx 1030 으로 어림한다. 10.1310.1^3 을 정확하게 계산하면(손으로도 충분히 계산할 수 있다) 1030.301 이다.

참고: 앞 절에서는 상수 근사를 이용하여 10.13≈100010.1^3 \approx 1000 으로 어림했다. 그 어림은 몇 초 만에 머릿속으로 쉽게 할 수 있었다. 선형 근사는 더 정확하지만, 10.1310.1^3 을 그냥 계산하는 것보다 그리 빠르지는 않다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)=x3f(x)=x^3, then f(10.1)=10.13f(10.1)=10.1^3, which is the value we want to estimate. Let's take the linear approximation of f(x)f(x) about x=10x=10:

f(10)=103=1000f′(x)=3x2f′(10)=3(102)=300f(a)≈f(10)+f′(10)(x−10)=1000+300(x−10)f(10.1)≈1000+300(10.1−10)=1030\begin{aligned} f(10)&=10^3=1000\\ f'(x)&=3x^2\\ f'(10)&=3(10^2)=300\\ f(a) &\approx f(10)+f'(10)(x-10)\\ &=1000+300(x-10)\\ f(10.1)& \approx 1000+300(10.1-10)=1030 \end{aligned}

We estimate 10.13≈103010.1^3 \approx 1030. If we calculate 10.1310.1^3 exactly (which is certainly possible to do by hand), we get 1030.301.

Remark: in the previous subsection, we used a constant approximation to estimate 10.13≈100010.1^3 \approx 1000. That approximation was easy to do in your head, in a matter of seconds. The linear approximation is more accurate, but not much faster than simply calculating 10.1310.1^3.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 6번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
377.CLP-1 · 3.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 어떤 함수이고 f(b)f(b) 를 어림하려 한다고 가정하세요. 이를 위해 값 aa 를 택하고 aa 에서 f(x)f(x) 의 (선형 또는 상수) 근사를 사용합니다. 상수 근사가 선형 근사보다 f(b)f(b) 를 더 정확하게 어림하는 함수 f(x)f(x) 와 값 aa, bb 의 예를 하나 드세요.

영어 원문 보기

Imagine f(x)f(x) is some function, and you want to estimate f(b)f(b). To do this, you choose a value aa and take an approximation (linear or constant) of f(x)f(x) about aa. Give an example of a function f(x)f(x), and values aa and bb, where the constant approximation gives a more accurate estimation of f(b)f(b) than the linear approximation.

정답·풀이 보기

가능한 답은 여러 가지이다. 그중 하나는 다음과 같다. f(x)=sin⁡xa=0b=πf(x)=\sin x \qquad a=0 \qquad b=\pi f(π)=0f(\pi)=0 이고 f(0)=0f(0)=0 임을 안다. x=0x=0 에서 f(x)f(x) 의 상수 근사를 사용하면 f(π)≈f(0)=0f(\pi)\approx f(0)=0 으로 어림되며, 이는 정확한 값과 같다. 그러나 x=0x=0 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사를 만들면 f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin⁡(0)+cos⁡(0)π=πf(\pi) \approx f(0)+f'(0)(\pi-0)=\sin(0)+\cos(0)\pi=\pi 가 되고, 이는 정확한 값이 아니다.

그림

참고: 실제로는 sin⁡(π)\sin(\pi) 의 값을 정확히 알고 있으므로 이를 어림하지 않는다. 이 문제의 목적은 더 정교한 근사가 항상 더 정확한 것은 아님을 보여 주는 것이다. 이 절의 끝에서, 어림한 값이 충분히 정확한지 확인할 수 있도록 어림의 오차를 어떻게 한정하는지 다룰 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

There are many possible answers. One is: f(x)=sin⁡xa=0b=πf(x)=\sin x \qquad a=0 \qquad b=\pi We know that f(π)=0f(\pi)=0 and f(0)=0f(0)=0. Using a constant approximation of f(x)f(x) about x=0x=0, our estimation is f(π)≈f(0)=0f(\pi)\approx f(0)=0, which is exactly the correct value. However, is we make a linear approximation of f(x)f(x) about x=0x=0, we get f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin⁡(0)+cos⁡(0)π=πf(\pi) \approx f(0)+f'(0)(\pi-0)=\sin(0)+\cos(0)\pi=\pi which is not exactly the correct value.

figure

Remark: in reality, we wouldn't estimate sin⁡(π)\sin(\pi), because we know its value exactly. The purpose of this problem is to demonstrate that fancier approximations are not always more accurate. At the end of this section, we'll talk about how to bound the error of your estimations, to make sure that you are finding something sufficiently accurate.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
378.CLP-1 · 3.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

함수 L(x)=14x+4π−2712L(x)=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} 은 f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 의 어느 점 x=ax=a 에서의 선형 근사인지 구하세요.

영어 원문 보기

The function L(x)=14x+4π−2712L(x)=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} is the linear approximation of f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x about what point x=ax=a?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

x=ax=a 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사 L(x)L(x) 는 L(a)=f(a)L(a)=f(a) 이고 L′(a)=f′(a)L'(a)=f'(a) 가 되도록 정해진다. 따라서

L′(a)=f′(a)=11+a214=11+a2a=±3a 는 3 또는 −3 으로 좁혀졌다. x=a 에서 f(x) 의 선형 근사는 f(a)+f′(a)(x−a) 이므로, 그 상수항은 f(a)−af′(a)=arctan⁡(a)−a1+a2 임을 떠올리자. 이를 a=3 과 a=−3 에 대해 계산한다.a=3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(3)−31+(3)2=π3−34=4π−2712a=−3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(−3)−−31+(−3)2=−π3+34=−4π+2712따라서 a=3 일 때,L(x)=14x+4π−2712\begin{aligned} L'(a)&= f'(a)=\dfrac{1}{1+a^2}\\ \frac{1}{4}&=\frac{1}{1+a^2}\\ a&=\pm\sqrt{3} \\ \text{$a$ 는 $\sqrt{3}$ 또는 $-\sqrt{3}$ 으로 좁혀졌다. $x=a$ 에서 $f(x)$ 의 선형 근사는 $f(a)+f'(a)(x-a)$ 이므로, 그 상수항은 $f(a)-af'(a)=\arctan(a)-\dfrac{a}{1+a^2}$ 임을 떠올리자. 이를 $a=\sqrt{3}$ 과 $a=-\sqrt{3}$ 에 대해 계산한다.} \\ a=\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(\sqrt{3}\right)-\frac{\sqrt{3}}{1+\left(\sqrt{3}\right)^2}=\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12}\\ a=-\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(-\sqrt{3}\right)-\frac{-\sqrt{3}}{1+\left(-\sqrt{3}\right)^2}=-\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{-4\pi+\sqrt{27}}{12} \\ \text{따라서 $a=\sqrt{3}$ 일 때,} \\ L(x)&=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} \end{aligned}

이고, 이는 a=−3a=-\sqrt{3} 일 때는 성립하지 않는다. 따라서 a=3a=\sqrt{3} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The linear approximation L(x)L(x) of f(x)f(x) about x=ax=a is chosen so that L(a)=f(a)L(a)=f(a) and L′(a)=f′(a)L'(a)=f'(a). So,

L′(a)=f′(a)=11+a214=11+a2a=±3We’ve narrowed down a to 3 or −3. Recall the linear approximation of f(x) about x=a is f(a)+f′(a)(x−a), so its constant term is f(a)−af′(a)=arctan⁡(a)−a1+a2. We compute this for a=3 and a=−3.a=3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(3)−31+(3)2=π3−34=4π−2712a=−3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(−3)−−31+(−3)2=−π3+34=−4π+2712So, when a=3,L(x)=14x+4π−2712\begin{aligned} L'(a)&= f'(a)=\dfrac{1}{1+a^2}\\ \frac{1}{4}&=\frac{1}{1+a^2}\\ a&=\pm\sqrt{3} \\ \text{We've narrowed down $a$ to $\sqrt{3}$ or $-\sqrt{3}$. Recall the linear approximation of $f(x)$ about $x=a$ is $f(a)+f'(a)(x-a),$ so its constant term is $f(a)-af'(a)=\arctan(a)-\dfrac{a}{1+a^2}$. We compute this for $a=\sqrt{3}$ and $a=-\sqrt{3}$.} \\ a=\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(\sqrt{3}\right)-\frac{\sqrt{3}}{1+\left(\sqrt{3}\right)^2}=\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12}\\ a=-\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(-\sqrt{3}\right)-\frac{-\sqrt{3}}{1+\left(-\sqrt{3}\right)^2}=-\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{-4\pi+\sqrt{27}}{12} \\ \text{So, when $a=\sqrt{3}$,} \\ L(x)&=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} \end{aligned}

and this does not hold when a=−3a=-\sqrt{3}. We conclude a=3a=\sqrt{3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 8번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
379.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
380.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}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.7절 · 5번
# 로피탈 정리계산보통자동 분류