문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

역삼각함수의 미분

arcsin, arccos, arctan의 뜻과 도함수를 구한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 2.12절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 각 함수의 정의역을 구하세요. (a) f(x)=arcsin⁡(cos⁡x)(b) g(x)=arccsc(cos⁡x)(c) h(x)=sin⁡(arccos⁡x)\text{(a) } f(x)=\arcsin(\cos x)\qquad \text{(b) }g(x)=\mathop{\mathrm{arccsc}}(\cos x)\qquad \text{(c) } h(x)=\sin(\arccos x)

영어 원문 보기

Give the domains of each of the following functions. (a) f(x)=arcsin⁡(cos⁡x)(b) g(x)=arccsc(cos⁡x)(c) h(x)=sin⁡(arccos⁡x)\text{(a) } f(x)=\arcsin(\cos x)\qquad \text{(b) }g(x)=\mathop{\mathrm{arccsc}}(\cos x)\qquad \text{(c) } h(x)=\sin(\arccos x)

정답·풀이 보기

(a) 코사인 함수에는 어떤 수를 대입해도 되고, 그 값은 [−1,1][-1,1] 안의 수이다. arcsin⁡x\arcsin x 의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이므로, 코사인에 어떤 수를 대입하더라도 그 결과는 아크사인에 대입할 수 있는 올바른 수이다. 따라서 f(x)f(x) 의 정의역은 모든 실수이다.

(b) 코사인 함수에는 어떤 수를 대입해도 되고, 그 값은 [−1,1][-1,1] 안의 수이다. arccscx\mathop{\mathrm{arccsc}} x 의 정의역은 (−∞,−1]∪[1,∞)(-\infty,-1] \cup [1,\infty) 이므로, 아크코시컨트에 대입할 수 있는 올바른 수가 되려면 cos⁡x=±1\cos x = \pm 1 이어야 한다. 즉, g(x)g(x) 의 정의역은 어떤 정수 nn 에 대하여 x=nπx=n\pi 인 모든 값이다.

(c) 아크코사인의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이다. 사인 함수의 정의역은 모든 실수이므로, 아크코사인이 어떤 수를 내놓더라도 그 수를 사인에 안전하게 대입할 수 있다. 따라서 h(x)h(x) 의 정의역은 [−1,1][-1,1] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We can plug any number into the cosine function, and it will return a number in [−1,1][-1,1]. The domain of arcsin⁡x\arcsin x is [−1,1][-1,1], so any number we plug into cosine will give us a valid number to plug into arcsine. So, the domain of f(x)f(x) is all real numbers.

(b) We can plug any number into the cosine function, and it will return a number in [−1,1][-1,1]. The domain of arccscx\mathop{\mathrm{arccsc}} x is (−∞,−1]∪[1,∞)(-\infty,-1] \cup [1,\infty), so in order to have a valid number to plug into arccosecant, we need cos⁡x=±1\cos x = \pm 1. That is, the domain of g(x)g(x) is all values x=nπx=n\pi for some integer nn.

(c) The domain of arccosine is [−1,1][-1,1]. The domain of sine is all real numbers, so no matter what number arccosine spits out, we can safely plug it into sine. So, the domain of h(x)h(x) is [−1,1][-1,1].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 16번
# 역삼각함수의 미분계산기본자동 분류
2.CLP-1 · 2.12절 · 2번대학 수준우리말 번역

어떤 입자가 시각 t=10t=10 에 움직이기 시작하여 위아래로 오르내리는데, 시각 t≥10t \geq 10 에서 그 높이는 cos⁡t\cos t 로 주어진다. 이 입자는 시각 t=arccos⁡(1)t=\arccos(1) 에서 높이가 1이다. 이 문장은 참인지 거짓인지 말하세요.

영어 원문 보기

A particle starts moving at time t=10t=10, and it bobs up and down, so that its height at time t≥10t \geq 10 is given by cos⁡t\cos t. True or false: the particle has height 1 at time t=arccos⁡(1)t=\arccos(1).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

거짓: cos⁡t=1\cos t=1 을 만족하는 tt 의 값은 무수히 많다. 아크코사인은 cos⁡t=1\cos t=1 이고 0≤t≤π0 \leq t \leq \pi 인 단 하나의 값 t=0t=0 만을 준다. 입자는 t=10t=10 이 되어서야 움직이기 시작하므로, t=0t=0 은 입자의 운동을 나타내는 함수의 정의역에 속하지 않는다.

입자는 n≥2n \geq 2 인 모든 정수 nn 에 대하여 시각 2πn2\pi n 에서 높이가 11 이다.

원본 교재 풀이(영어)

False: cos⁡t=1\cos t=1 for infinitely many values of tt; arccosine gives only the single value t=0t=0 for which cos⁡t=1\cos t=1 and 0≤t≤π0 \leq t \leq \pi. The particle does not start moving until t=10t=10, so t=0t=0 is not in the domain of the function describing its motion.

The particle will have height 11 at time 2πn2\pi n, for any integer n≥2n \geq 2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 15번
# 역삼각함수의 미분개념 확인기본자동 분류
3.CLP-1 · 2.12절 · 3번대학 수준우리말 번역

곡선 y=f(x)y=f(x) 가 아래에 있다. 이는 어떤 함수 ff 의 그래프이다. ff 를 00 을 포함하면서 일대일함수가 되는 가장 큰 구간으로 제한하고, 곡선 y=f−1(x)y=f^{-1}(x) 의 그래프를 그리세요.

그림

영어 원문 보기

The curve y=f(x)y=f(x) is shown below, for some function ff. Restrict ff to the largest possible interval containing 00 over which it is one–to–one, and sketch the curve y=f−1(x)y=f^{-1}(x).

figure

정답·풀이 보기

먼저 ff 가 일대일함수가 되도록 ff 의 정의역을 제한한다. ff 가 일대일함수가 되는 구간은 여러 가지를 택할 수 있지만, 문제에서는 x=0x=0 을 포함하면서 가능한 한 큰 구간을 택하라고 하였으므로, 제한된 함수는 다음과 같다.

그림

역함수는 입력과 출력의 역할을 서로 바꾼다. 따라서 y=f(x)y=f(x) 의 그래프가 점 (a,b)(a,b) 를 지나면 Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) 의 그래프는 점 (b,a)(b,a) 를 지난다. 즉, Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) 의 그래프는 y=f(x)y=f(x) 의 그래프에서 xx 좌표와 yy 좌표를 서로 바꾼 것이다. (그러므로 y=f(x)y=f(x) 가 yy 축과 y=1y=1 에서 만나므로 Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) 는 XX 축과 X=1X=1 에서 만난다.) 이렇게 바꾸는 것은 곡선 y=f(x)y=f(x) 를 직선 y=xy=x 에 대하여 대칭이동하는 것과 같다.

그림

참고: 역함수에 익숙해지는 동안에는 y=f(x)y=f(x) 와 Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) 처럼, xx (ff 의 입력이므로 f−1f^{-1} 의 출력)와 XX (f−1f^{-1} 의 입력이며 ff 의 출력에서 나온 값)를 약간 다른 기호로 나타내어 생각하는 것이 더 명확할 때가 있다. 그러나 관례상 두 함수 모두 입력에는 xx 를, 출력에는 yy 를 쓰며, 위의 그래프에도 그렇게 적혀 있다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we restrict the domain of ff to force it to be one–to–one. There are many intervals we could choose over which ff is one–to–one, but the question asks us to contain x=0x=0 and be as large as possible; this leaves us with the following restricted function:

figure

The inverse of a function swaps the role of the input and output; so if the graph of y=f(x)y=f(x) contains the point (a,b)(a,b), then the graph of Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) contains the point (b,a)(b,a). That is, the graph of Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) is the graph of y=f(x)y=f(x) with the xx-coordinates and yy-coordinates swapped. (So, since y=f(x)y=f(x) crosses the yy-axis at y=1y=1, then Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X) crosses the XX-axis at X=1X=1.) This swapping is equivalent to reflecting the curve y=f(x)y=f(x) over the line y=xy=x.

figure

Remark: while you're getting accustomed to inverse functions, it is sometimes clearer to consider y=f(x)y=f(x) and Y=f−1(X)Y=f^{-1}(X): using slightly different notations for xx (the input of ff, hence the output of f−1f^{-1}) and XX (the input of f−1f^{-1}, which comes from the output of ff). However, the convention is to use xx for the inputs of both functions, and yy as the outputs of both functions, as is written on the graph above.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 14번
# 역삼각함수의 미분그래프·표 해석기본자동 분류
4.CLP-1 · 2.12절 · 4번대학 수준우리말 번역

aa 를 어떤 상수라고 하자. 곡선 y=ax+cos⁡xy=ax+\cos x 는 어디에서 수평인 접선을 갖는지 구하세요.

영어 원문 보기

Let aa be some constant. Where does the curve y=ax+cos⁡xy=ax+\cos x have a horizontal tangent line?

정답·풀이 보기

접선이 수평이려면 0=y′=a−sin⁡x0=y'=a-\sin x 이어야 한다. 즉, a=sin⁡xa=\sin x 일 때이다.

  • ∣a∣>1|a|>1 이면, a=sin⁡xa=\sin x 를 만족시키는 xx 의 값이 없으므로 곡선은 수평인 접선을 갖지 않는다.
  • ∣a∣=1|a| = 1 이면, a=sin⁡xa=\sin x 의 해는 무수히 많지만 구간 [−π,π][-\pi,\pi] 에서의 해는 x=arcsin⁡(a)=arcsin⁡(±1)=±π2x=\arcsin(a)=\arcsin(\pm1)=\pm\frac{\pi}{2} 하나뿐이다. 그러면 a=sin⁡xa=\sin x 를 만족시키는 xx 의 값은 임의의 정수 nn 에 대해 x=2πn+aπ2x=2\pi n +a \frac{\pi}{2} 이다.
  • ∣a∣<1|a|<1 이면, a=sin⁡xa=\sin x 의 해는 무수히 많다. 구간 (−π2,π2)\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right) 에서의 해는 x=arcsin⁡(a)x=\arcsin(a) 로 주어진다. 구간 (−π,π)\left(-\pi,\pi\right) 에서의 다른 해는 아래의 단위원에서 보듯이 x=π−arcsin⁡(a)x=\pi-\arcsin(a) 로 주어진다.

그림

그림

따라서 x=sin⁡ax=\sin a 를 만족시키는 xx 의 값은 임의의 정수 nn 에 대해 x=2πn+arcsin⁡(a)x=2\pi n+\arcsin(a) 와 x=2πn+π−arcsin⁡(a)x=2\pi n + \pi - \arcsin (a) 이다.

참고: a=1a=1 일 때, 2πn+arcsin⁡(a)=2πn+π2=2πn+π−(π2)=2πn+π−arcsin⁡(a)2\pi n+\arcsin(a) = 2\pi n + \dfrac{\pi}{2}=2\pi n +\pi -\left(\dfrac {\pi}{2}\right)=2\pi n+\pi-\arcsin(a) 이다. 마찬가지로 a=−1a=-1 일 때, 2πn+arcsin⁡(a)=2πn−π2=2π(n−1)+π−(−π2)=2π(n−1)+π−arcsin⁡(a)2\pi n+\arcsin(a) = 2\pi n - \dfrac{\pi}{2}=2\pi (n-1) +\pi -\left(-\dfrac {\pi}{2}\right) =2\pi(n-1)+\pi-\arcsin(a) 이다. 따라서 ∣a∣=1|a|=1 일 때 접선이 수평인 점을 세 번째 항목의 표현으로 나타내려 하면, 올바른 점들을 얻기는 하지만 각 점이 두 번씩 나열된다. 이것이 ∣a∣=1|a|=1 인 경우를 ∣a∣<1|a|<1 인 경우와 따로 나눈 이유이다.

원본 교재 풀이(영어)

The tangent line is horizontal when 0=y′=a−sin⁡x0=y'=a-\sin x. That is, when a=sin⁡xa=\sin x.

  • If ∣a∣>1|a|>1, then there is no value of xx for which a=sin⁡xa=\sin x, so the curve has no horizontal tangent lines.
  • If ∣a∣=1|a| = 1, then there are infinitely many solutions to a=sin⁡xa=\sin x, but only one solution in the interval [−π,π][-\pi,\pi]: x=arcsin⁡(a)=arcsin⁡(±1)=±π2x=\arcsin(a)=\arcsin(\pm1)=\pm\frac{\pi}{2}. Then the values of xx for which a=sin⁡xa=\sin x are x=2πn+aπ2x=2\pi n +a \frac{\pi}{2} for any integer nn.
  • If ∣a∣<1|a|<1, then there are infinitely many solutions to a=sin⁡xa=\sin x. The solution in the interval (−π2,π2)\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right) is given by x=arcsin⁡(a)x=\arcsin(a). The other solution in the interval (−π,π)\left(-\pi,\pi\right) is given by x=π−arcsin⁡(a)x=\pi-\arcsin(a), as shown in the unit circles below.

figure

figure

So, the values of xx for which x=sin⁡ax=\sin a are x=2πn+arcsin⁡(a)x=2\pi n+\arcsin(a) and x=2πn+π−arcsin⁡(a)x=2\pi n + \pi - \arcsin (a) for any integer nn.

Remark: when a=1a=1, then 2πn+arcsin⁡(a)=2πn+π2=2πn+π−(π2)=2πn+π−arcsin⁡(a).2\pi n+\arcsin(a) = 2\pi n + \dfrac{\pi}{2}=2\pi n +\pi -\left(\dfrac {\pi}{2}\right)=2\pi n+\pi-\arcsin(a). Similarly, when a=−1a=-1, 2πn+arcsin⁡(a)=2πn−π2=2π(n−1)+π−(−π2)=2π(n−1)+π−arcsin⁡(a).2\pi n+\arcsin(a) = 2\pi n - \dfrac{\pi}{2}=2\pi (n-1) +\pi -\left(-\dfrac {\pi}{2}\right) =2\pi(n-1)+\pi-\arcsin(a). So, if we try to use the descriptions in the third bullet point to describe points where the tangent line is horizontal when ∣a∣=1|a|=1, we get the correct points but each point is listed twice. This is why we separated the case ∣a∣=1|a|=1 from the case ∣a∣<1|a|<1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.12절 · 21번
# 역삼각함수의 미분계산기본자동 분류