문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

극한·미분 심화 전체 문제

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42문제 · 3 / 3쪽

41.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
42.Active Calculus · 1.8절 · 10번대학 수준우리말 번역

어떤 함수 ff 의 도함수가 f′(x)=(x−1)e−x2f'(x) = (x-1)e^{-x^2} 임이 알려져 있습니다. y=f(x)y = f(x) 의 식은 알지 못한다는 점에 유의하세요.

(a) f′(x)=0f'(x) = 0 이 되는 xx의 값을 모두 구하세요. 대수적으로 답을 정당화하되, 결론을 뒷받침하도록 f′f' 의 그래프를 포함하세요. (b) 그래프를 이용하여 추론하여, f′′(x)>0f''(x) > 0 인 xx의 값의 구간을 구하세요. 이것이 원래 함수 ff 의 거동에 대해 무엇을 말해 주는지 설명하세요. (c) f(2)=−3f(2) = -3 이라고 가정하고, x=2x=2 에서 ff 의 접선을 구하여 이를 이용한 근삿값으로 f(1.88)f(1.88) 의 값을 어림하세요. 어림한 값이 f(1.88)f(1.88) 의 참값보다 큰지 작은지 판단하고, 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

For a certain function ff, its derivative is known to be f′(x)=(x−1)e−x2f'(x) = (x-1)e^{-x^2}. Note that you do not know a formula for y=f(x)y = f(x).

(a) At what xx-value(s) is f′(x)=0f'(x) = 0? Justify your answer algebraically, but include a graph of f′f' to support your conclusion. (b) Reasoning graphically, for what intervals of xx-values is f′′(x)>0f''(x) > 0? What does this tell you about the behavior of the original function ff? Explain. (c) Assuming that f(2)=−3f(2) = -3, estimate the value of f(1.88)f(1.88) by finding and using the tangent line approximation to ff at x=2x=2. Is your estimate larger or smaller than the true value of f(1.88)f(1.88)? Justify your answer.

정답·풀이 보기

(a) ee 의 거듭제곱은 항상 양수이므로(따라서 00 이 될 수 없으므로), f′(x)=(x−1)e−x2=0f'(x) = (x-1)e^{-x^2} = 0 이 되게 하는 값은 x=1x=1 뿐이다. 이는 f′f' 의 그래프를 그려 보면 xx축과 x=1x=1 에서만 만남을 볼 수 있다는 점에서도 확인된다(xx 가 한없이 커지거나 작아질 때 그래프가 xx축에 가까워지는 것은 볼 수 있다). (b) f′f' 이 증가하는 곳에서는 f′′(x)>0f''(x) > 0 임을 안다. f′f' 의 그래프에서 f′f' 은 대략 구간 −0.37<x<1.37-0.37 < x < 1.37 에서 증가함을 알 수 있고, 따라서 ff 는 이 구간에서 아래로 볼록이다. (c) a=2a = 2 에서의 접선을 이용한 근삿값은 L(x)=f(2)+f′(2)(x−2)≈−3+0.01832(x−2)L(x) = f(2) + f'(2)(x-2) \approx -3 + 0.01832(x-2) 이다. 따라서 f(1.88)≈L(1.88)≈−3+0.01832(1.88−2)=−3.00022f(1.88) \approx L(1.88) \approx -3 + 0.01832(1.88-2) = -3.00022 이다. x=2x = 2 및 그 근처에서 f′′(x)<0f''(x) < 0 이므로 ff 는 그곳에서 위로 볼록이고, 따라서 접선은 곡선 위쪽에 놓인다. 그러므로 우리가 어림한 값은 f(1.88)f(1.88) 의 참값보다 크다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since ee raised to any power is always positive (and thus never 00), it follows that the only value that makes f′(x)=(x−1)e−x2=0f'(x) = (x-1)e^{-x^2} = 0 is x=1x=1. This is confirmed by plotting f′f' where we only see the graph cross the xx-axis at x=1x=1 (though we do see the graph approach the xx-axis) as xx increases or decreases without bound). (b) We know that f′′(x)>0f''(x) > 0 wherever f′f' is increasing. From the graph of f′f', we see that f′f' is increasing approximately on the interval −0.37<x<1.37-0.37 < x < 1.37, and thus ff is concave up on this interval. (c) The tangent line approximation at a=2a = 2 is L(x)=f(2)+f′(2)(x−2)≈−3+0.01832(x−2)L(x) = f(2) + f'(2)(x-2) \approx -3 + 0.01832(x-2). Thus, f(1.88)≈L(1.88)≈−3+0.01832(1.88−2)=−3.00022f(1.88) \approx L(1.88) \approx -3 + 0.01832(1.88-2) = -3.00022. Since f′′(x)<0f''(x) < 0 at and around x=2x = 2, ff is concave down there, and therefore the tangent line lies above the curve. This makes our estimate larger than the true value of f(1.88)f(1.88).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.4절 · 1번
# 선형근사와 미분소증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)