유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
29문제 · 1 / 2쪽
1.OpenStax 1권 · 4.4절 · 40번우리말 풀이
다음 문제에서 계산기로 구간 [a,b] 에서의 함수의 그래프와 a 에서 b 까지의 할선을 그리세요. 평균값 정리가 보장하는 모든 c 의 값을 계산기로 어림하세요. 그런 다음 가능하면 c 의 정확한 값을 구하고, 아니면 최종 방정식을 쓰고 계산기로 소수 넷째 자리까지 어림하세요.
[계산기 사용] 구간 [−4,0] 에서 y=x2+2x−4
영어 원문 보기
For the following exercises, use a calculator to graph the function over the interval [a,b] and graph the secant line from a to b. Use the calculator to estimate all values of c as guaranteed by the Mean Value Theorem. Then, find the exact value of c, if possible, or write the final equation and use a calculator to estimate to four digits.
[T]y=∣x2+2x−4∣ over [−4,0]
풀이 보기
평균값 정리를 쓰기 전에 연속·미분가능 조건부터 확인해요. 절댓값이 있으면 안쪽 식이 0이 되는 곳에서 그래프가 꺾일 수 있어요.
1
안쪽 식이 0이 되는 곳을 찾아요.x2+2x−4=0 을 풀면 x=−1±5, 즉 x≈−3.236 과 x≈1.236 이에요. 이 중 x=−1−5≈−3.236 이 구간 [−4,0] 안에 있어요.
2
그곳에서 미분가능한지 봐요. 이 점의 왼쪽에서는 안쪽 식이 양수이고 오른쪽에서는 음수예요. 그래서 f(x)=∣g(x)∣ 의 기울기가 왼쪽에서는 g′(x)=2x+2≈−4.47 , 오른쪽에서는 −g′(x)≈+4.47 이 되어 서로 달라요. 그래프가 뾰족하게 꺾이는 점이라 이 점에서 미분가능하지 않아요.
3
결론을 내려요. 열린 구간 (−4,0) 안에 미분불가능한 점이 있으므로 평균값 정리의 조건을 만족하지 않아요. 따라서 평균값 정리는 적용되지 않아요.
4
참고로 확인해 봐요.f(−4)=4, f(0)=4 이므로 평균변화율은 0 이에요. 실제로 −3.236<x<1.236 에서 f(x)=−(x2+2x−4) 이므로 f′(−1)=0 인 c=−1 이 있긴 해요. 하지만 이것은 정리가 보장해 준 것이 아니라 우연히 성립하는 것이에요.
답
평균값 정리를 적용할 수 없다 (x=−1−5 에서 미분불가능)
자주 하는 실수
결론이 우연히 성립해도 평균값 정리가 적용된다고 말하면 안 돼요. 조건을 만족하는지가 핵심이에요.
If f(x) has three roots, then it has 1 inflection point.
풀이 보기
근이 3개이면 롤의 정리를 두 번 써서 f′′ 의 근이 있음을 알 수 있지만, 변곡점의 개수까지는 함수의 종류에 따라 달라요.
1
롤의 정리를 두 번 써 봐요. 근이 a<b<c 이면 f(a)=f(b)=0 이므로 (a,b) 에서 f′ 의 근이 하나, (b,c) 에서도 하나 있어요. 이 두 근 사이에 다시 롤의 정리를 쓰면 f′′ 의 근이 적어도 하나 있어요.
2
삼차함수라면 맞아요.f 가 삼차함수이면 f′′ 는 일차식이라 근이 정확히 하나이고 그 앞뒤에서 부호가 바뀌어요. 그러므로 변곡점이 정확히 1 개예요. 원본 답의 '참, 도함수를 살펴보세요'는 이 경우를 말해요.
3
일반 함수에서는 틀려요.f(x)=x4−x2=x2(x−1)(x+1) 은 근이 0,±1 의 3개지만 f′′(x)=12x2−2 의 부호가 x=±61 에서 바뀌어 변곡점이 2 개예요. 또 sinx 처럼 근이 많은 함수도 있어요. 그래서 함수에 대한 조건 없이는 '변곡점이 정확히 1개'라고 할 수 없어요.
답
일반적으로는 거짓(반례 y=x4−x2: 근 3개, 변곡점 2개). 삼차함수라면 참이다
자주 하는 실수
근의 개수와 변곡점의 개수가 늘 같다고 생각하는 실수가 있어요. 변곡점은 f′′ 의 부호 변화로 정해져요.
참고: 원본 교재의 답과 다르게 풀었어요 — 원본은 '참'인데, 함수의 종류(삼차함수 등)가 문제에 적혀 있지 않아 일반 함수로는 반례가 있어요. 원문에 '삼차함수'라는 전제가 있었는지 확인이 필요해요.
Determine whether the derivative of following function exists at
x=0.
f(x)={xcosxx2+x4 if x≥0 if x<0
You must justify your answer using the definition of a derivative.
정답·풀이 보기
다음 극한
x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limxf(x)−0=x→0limxf(x)
이 존재하면 함수는 x=0 에서 미분가능하다 (x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(0)=0 임을 이용했다). 먼저 좌극한을 계산한다. 이 계산에서 x<0 이면 x2=∣x∣=−x 임을 떠올리자.
x→0−limxf(x)=x→0−limxx2+x4=x→0−limxx21+x2=x→0limx−x1+x2=−1
이제 우극한을 구하면
x→0+limxxcosx=x→0+limcosx=1.
좌극한과 우극한이 같지 않으므로 x=0 에서 미분계수는 존재하지 않는다.
원본 교재 풀이(영어)
The function is differentiable at x=0 if the following limit:
x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limxf(x)−0=x→0limxf(x)
exists (note that we used the fact that f(0)=0 as per the definition of the
first branch which includes the point x=0). We start by computing the left limit. For this computation, recall that if x<0 then x2=∣x∣=−x.
x→0−limxf(x)=x→0−limxx2+x4=x→0−limxx21+x2=x→0limx−x1+x2=−1
Now, from the right:
x→0+limxxcosx=x→0+limcosx=1.
Since the limit from the left does not equal the limit from the right, the derivative does not exist at x=0.
The function is differentiable at x=0 if the following limit:
x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limxf(x)−0=x→0limxf(x)
exists (note that we used the fact that f(0)=0 as per the definition of the
first branch which includes the point x=0).
exists (note that we used the fact that f(0)=0 as per the definition of the first branch
which includes the point x=0). We compute left and right limits; so
x→0−limxf(x)=x→0−limxx3−7x2=x→0−limx2−7x=0
and
x→0+limxx3cos(x1)=x→0+limx2⋅cos(x1).
This last limit equals 0 by the Squeeze Theorem since
−1≤cos(x1)≤1
and so,
−x2≤x2⋅cos(x1)≤x2,
where in these inequalities we used the fact that x2≥0. Finally, since limx→0+−x2=limx→0+x2=0, the Squeeze Theorem
yields that also limx→0+x2cos(x1)=0, as claimed.
Since the left and right limits match (they're both equal to 0), we conclude that indeed
f(x) is differentiable at x=0 (and its derivative at x=0 is actually equal to 0).
Determine whether the derivative of the following function exists at
x=1
f(x)=⎩⎨⎧4x2−8x+4(x−1)2sin(x−11) if x≤1 if x>1
You must justify your answer using the definition of a derivative.
정답·풀이 보기
다음 극한이
x→1limx−1f(x)−f(1)=x→1limx−1f(x)−0=x→1limx−1f(x)
존재하면 함수는 x=1 에서 미분가능하다(점 x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(1)=0 임을 이용했음에 유의한다). 좌극한과 우극한을 각각 계산하면
x→1−limx−1f(x)=x→1−limx−14x2−8x+4=x→1−limx−14(x−1)2=x→1−lim4(x−1)=0
이고
x→1+limx−1(x−1)2sin(x−11)=x→1+lim(x−1)⋅sin(x−11)
이다. 이 마지막 극한은 조임 정리에 의해 0 이다. 왜냐하면
−1≤sin(x−11)≤1
이므로
−(x−1)≤(x−1)⋅sin(x−11)≤x−1
이고, 이 부등식에서 x→1+ 이면 x−1 이 양의 값을 가진다는 사실을 이용했기 때문이다. 마지막으로 limx→1+−x+1=limx→1+x−1=0 이므로, 조임 정리에 의해 limx→1+(x−1)sin(x−11)=0 이기도 하다.
좌극한과 우극한이 서로 같으므로(둘 다 0 이다), f(x) 는 x=1 에서 미분가능하다고 결론짓는다(그리고 x=1 에서의 미분계수는 실제로 0 이다).
원본 교재 풀이(영어)
The function is differentiable at x=1 if the following limit:
x→1limx−1f(x)−f(1)=x→1limx−1f(x)−0=x→1limx−1f(x)
exists (note that we used the fact that f(1)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0). We compute left and right limits; so
x→1−limx−1f(x)=x→1−limx−14x2−8x+4=x→1−limx−14(x−1)2=x→1−lim4(x−1)=0
and
x→1+limx−1(x−1)2sin(x−11)=x→1+lim(x−1)⋅sin(x−11).
This last limit equals 0 by the Squeeze Theorem since
−1≤sin(x−11)≤1
and so,
−(x−1)≤(x−1)⋅sin(x−11)≤x−1,
where in these inequalities we used the fact that x→1+ yields positive values for
x−1. Finally, since limx→1+−x+1=limx→1+x−1=0, the Squeeze Theorem
yields that also limx→1+(x−1)sin(x−11)=0, as claimed.
Since the left and right limits match (they're both equal to 0), we conclude that indeed f(x) is differentiable at x=1 (and its derivative at x=1 is actually equal to 0).
Remark: you can't always guess the behaviour of a function from its points, even if the points seem to be making a clear pattern.
정답·풀이 보기
가능한 답은 여러 가지이며, 여기서는 그중 하나를 보인다.
핵심은 주어진 몇 개의 점이 어떤 규칙을 암시하기는 하지만 그 규칙을 보장하지는 않는다는 것을 깨닫는 것이다. 알고 있는 점은 아홉 개뿐이며, 그 사이에서는 어떤 일이든 일어날 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
Many answers are possible; here is one.
The key is to realize that the few points you're given suggest a pattern, but don't guarantee it. You only know nine points; anything can happen in between.
We know that y′=2x. So, if we choose a point (α,α2) on the curve y=x2,
then the tangent line to the curve at that point has slope 2α. That is, the tangent line has equation
(y−α2)simplified, ySo, if (1,−3) is on the tangent line, then−3⟺0⟺0⟺αSo, the tangent lines y=(2α)x−α2 arey=2α(x−α)=(2α)x−α2=(2α)(1)−α2=α2−2α−3=(α−3)(α+1)=3,orα=−1.=6x−9andy=−2x−1.
나무 수레바퀴에 작은 못을 박습니다. R(t) 는 수레가 구르기 시작한 지 t초 후까지 못이 회전한 횟수를 나타냅니다. 못이 얼마나 빠르게 회전하는지를 초당 도 단위로 나타내는 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
You hammer a small nail into a wooden wagon wheel. R(t) gives the number of rotations the nail has undergone t seconds after the wagon started to roll. Give an equation for how quickly the nail is rotating, measured in degrees per second.
정답·풀이 보기
R′(t) 는 바퀴가 회전하는 속도(변화율)을 초당 회전수로 나타낸 것이다. 이를 도 단위로 바꾸려면 360을 곱하면 되므로 360R′(t) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
R′(t) is the rate at which the wheel is rotating measured in rotations per second. To convert to degrees, we multiply by 360: 360R′(t).
한 마을이 2000년에 세워졌다. t 년이 지난 뒤 이 마을에서는 출생이 b(t) 명, 사망이 d(t) 명 있었다. 출생이나 사망 외에는 이 마을에 들어오거나 떠나는 사람이 없다(어이쿠). 이 마을의 인구가 증가하는 변화율을 나타내는 식을 쓰세요.
영어 원문 보기
A town is founded in the year 2000. After t years, it has had b(t) births and d(t) deaths. Nobody enters or leaves the town except by birth or death (whoa). Give an expression for the rate the population of the town is growing.
정답·풀이 보기
인구 증가는 인구의 변화율이다.
2000+t 년의 인구는 P(t)=P0+b(t)−d(t) 로 주어진다. 여기서 P0 는 마을의 처음 인구이다. 그러면 P′(t) 가 우리가 구하는 식이고, P′(t)=b′(t)−d′(t) 이다.
처음 인구가 이 계산에 뚜렷하게 나타나지 않는다는 점은 흥미롭다. 처음 인구는 아마 b(t) 와 d(t) 에 영향을 주겠지만, 이 둘을 알고 있다면 문제에 답하기 위해 P0 를 알 필요는 없다.
원본 교재 풀이(영어)
Population growth is rate of change of population.
Population in year 2000+t is given by P(t)=P0+b(t)−d(t), where P0 is the initial population of the town. Then P′(t) is the expression we're looking for, and P′(t)=b′(t)−d′(t).
It is interesting to note that the initial population does not obviously show up in this calculation. It would probably affect b(t) and d(t), but if we know these we do not need to know P0 to answer our question.
We already know that dxdx2=2x. So
the slope of y=3x2 at x=a is 6a. The tangent line to
y=3x2 at x=a,y=3a2 is y−3a2=6a(x−a). This tangent line passes
through (2,9) if
극한을 미분계수로 해석하여 y→0lim(y100180+y−100180) 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Evaluate y→0lim(y100180+y−100180) by interpreting the limit as a derivative.
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
이 극한은 함수 f(x)=x 의 x=100180 에서의 미분계수를 나타낸다. f(x) 의 도함수가 2x1 이므로, x=100180 에서의 값은 정확히 21001801 이다.
원본 교재 풀이(영어)
This limit represents the derivative computed at x=100180 of the function
f(x)=x. Since the derivative of f(x) is 2x1, then
its value at x=100180 is exactly 21001801.
직사각형이 커지고 있습니다. 시각 t=0 일 때 이 직사각형은 한 변의 길이가 1미터인 정사각형입니다. 가로의 길이는 초당 2미터의 일정한 비율로 증가하고, 세로의 길이는 초당 5미터의 일정한 비율로 증가합니다. 시각 t>0 일 때 이 직사각형의 넓이는 얼마나 빠르게 증가하고 있는지 구하세요.
영어 원문 보기
A rectangle is growing. At time t=0, it is a square with
side length 1 metre. Its width increases at a constant rate
of 2 metres per second, and its length increases at a constant
rate of 5 metres per second. How fast is its area increasing
at time t>0?
답 쓰고 채점
m²/s
정답·풀이 보기
w(t) 와 l(t) 을 각각 직사각형의 가로와 세로의 길이라고 하자. 문제에서 w′(t)=2 이고 l′(t)=5 로 주어졌다. 두 함수의 기울기가 모두 상수이므로 두 함수는 모두 직선이다. 기울기는 주어져 있고 절편은 w(0)=l(0)=1 이다. 따라서 w(t)=2t+1 이고 l(t)=5t+1 이다.
직사각형의 넓이는 A(t)=w(t)⋅l(t) 이므로, 곱의 미분법을 이용하면 넓이가 증가하는 비율은 A′(t)=w′(t)l(t)+w(t)l′(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7 제곱미터/초이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let w(t) and l(t) be the width and length of the rectangle. Given in the problem is that w′(t)=2 and l′(t)=5. Since both functions have constant slopes, both must be lines. Their slopes are given, and their intercepts are w(0)=l(0)=1. So, w(t)=2t+1 and l(t)=5t+1.
The area of the rectangle is A(t)=w(t)⋅l(t), so using the product rule, the rate at which the area is increasing is A′(t)=w′(t)l(t)+w(t)l′(t)=2(5t+1)+5(2t+1)=20t+7 square metres per second.
f(x)=h(x)g(x) 를 몫의 미분법으로 미분한 결과가, f(x)=k(x)g(x)⋅h(x)k(x) 를 곱의 미분법과 몫의 미분법으로 미분한 결과와 같음을 보이세요.
영어 원문 보기
Verify that differentiating f(x)=h(x)g(x) using the quotient rule gives the same answer as differentiating f(x)=k(x)g(x)⋅h(x)k(x) using the product rule and the quotient rule.
정답·풀이 보기
First expression, f(x)=h(x)g(x):f′(x)Second expresson, f(x)=k(x)g(x)⋅h(x)k(x):f′(x)and this is exactly what we got from differentiating the first expression.=h2(x)h(x)g′(x)−g(x)h′(x)=(k2(x)k(x)g′(x)−g(x)k′(x))(h(x)k(x))+(k(x)g(x))(h2(x)h(x)k′(x)−k(x)h′(x))=k(x)h(x)k(x)g′(x)−g(x)k′(x)+k(x)h2(x)g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−h(x)g(x)k′(x)+k(x)h2(x)g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−h(x)g(x)k′(x)+g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−g(x)k(x)h′(x)=h2(x)h(x)g′(x)−g(x)h′(x)
원본 교재 풀이(영어)
First expression, f(x)=h(x)g(x):f′(x)Second expresson, f(x)=k(x)g(x)⋅h(x)k(x):f′(x)and this is exactly what we got from differentiating the first expression.=h2(x)h(x)g′(x)−g(x)h′(x)=(k2(x)k(x)g′(x)−g(x)k′(x))(h(x)k(x))+(k(x)g(x))(h2(x)h(x)k′(x)−k(x)h′(x))=k(x)h(x)k(x)g′(x)−g(x)k′(x)+k(x)h2(x)g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−h(x)g(x)k′(x)+k(x)h2(x)g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−h(x)g(x)k′(x)+g(x)h(x)k′(x)−g(x)k(x)h′(x)=k(x)h2(x)h(x)k(x)g′(x)−g(x)k(x)h′(x)=h2(x)h(x)g′(x)−g(x)h′(x)
두 곡선 y=x2 과 y=x2−2x+2 에 (서로 다른 점에서) 모두 접하는 직선의 방정식을 구하세요.
영어 원문 보기
Find an equation of a line that is tangent to both of the
curves y=x2 and y=x2−2x+2 (at different points).
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
공통접선의 기울기를 m, y=x2 과의 접점을 (x1,y1), y=x2−2x+2 와의 접점을 (x2,y2) 라 하자. 그러면 다음이 성립해야 한다.
y1=x12y2=x22−2x2+2m=2x1=2x2−2=x2−x1y2−y1
“m” 에 관한 등식들로부터 x1=2m, x2=2m+1 이고
Denote by m the slope of the common tangent, by (x1,y1)
the point of tangency with y=x2, and by (x2,y2) the point of tangency
with y=x2−2x+2. Then we must have
y1=x12y2=x22−2x2+2m=2x1=2x2−2=x2−x1y2−y1
From the “m” equations we get x1=2m, x2=2m+1
and
이다. 직선이 두 포물선에 동시에 접하려면
m=2α=2−2β그리고b=−α2=β2−5
이어야 한다. α=1−β 를 −α2=β2−5 에 대입하면 −(1−β)2=β2−5, 즉 2β2−2β−4=0 이므로 β=−1,2 이다. 이에 대응하는 나머지 값은 α=2,−1, m=4,−2, b=−4,−1 이다. 따라서 두 직선은 y=4x−4 와 y=−2x−1 이다.
원본 교재 풀이(영어)
The line y=mx+b is tangent to y=x2 at x=α if
2α=m and α2=mα+b⟺m=2α and b=−α2
The same line y=mx+b is tangent to y=−x2+2x−5 at x=β if
−2β+2=m⟺m=2−2β and −β2+2β−5=mβ+b and b=−β2+2β−5−(2−2β)β=β2−5
For the line to be simultaneously tangent to the two parabolas we need
m=2α=2−2β and b=−α2=β2−5
Substituting α=1−β into −α2=β2−5 gives −(1−β)2=β2−5
or 2β2−2β−4=0 or β=−1,2. The corresponding values of the other
parameters are α=2,−1, m=4,−2 and b=−4,−1. The two lines are
y=4x−4 and y=−2x−1.
f(x) 의 도함수는 2015⋅x2014 이므로 x=2 에서의 값은 정확히 2015⋅22014 이다.
원본 교재 풀이(영어)
This limit represents the derivative computed at x=2 of the function f(x)=x2015.
To see this, simply use the definition of the derivative at a=2 with f(x)=x2015:
f(x)=2x+sinx 라 하자. x=0 을 포함하는 구간 중 f(x) 가 일대일함수인 가장 큰 구간을 구하세요. f−1(x) 의 정의역과 치역을 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=2x+sinx. What is the largest interval containing x=0 over which f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)?
정답·풀이 보기
2x+sinx 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간 안의 서로 다른 두 수에 대해 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 a 와 b 에 대해 f(a)=f(b) 이면
a 와 b 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=2+cosx 는 결코 0이 되지 않는다. 실제로 모든 x 에 대해 f′(x)≥1 이므로 f(x) 는 정의역 전체에서 엄격하게 증가한다. 따라서 함수 f 는 같은 값을 두 번 갖는 일이 결코 없으므로, 모든 실수 (−∞,∞) 에서 일대일함수이다.
역함수 f−1(x) 를 정의할 때, f 의 정의역은 f−1 의 치역이고 그 반대도 마찬가지이다. 일반적으로는 f 의 정의역(따라서 f−1 의 치역)을 f 가 일대일함수인 구간으로 제한해야 할 수도 있지만, 이 경우에는 그럴 필요가 없다. 그러므로 f−1 의 치역은 (−∞,∞) 이고, f−1 의 정의역은 f 의 치역인 (−∞,∞) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
If 2x+sinx is one–to–one over an interval, it never takes the same value for two distinct numbers in that interval. By Rolle's Theorem, if f(a)=f(b) for distinct a and b, then
f′(c)=0 for some c between a and b. However, f′(x)=2+cosx, which is never zero. In fact, f′(x)≥1 for all x, so f(x) is strictly increasing over its entire domain. Therefore, our function fnever takes the same value twice, so it is one–to–one over all the real numbers, (−∞,∞).
When we define the inverse function f−1(x), the domain of f is the range of f−1, and vice-versa. In general, we might have to restrict the domain of f (and hence the range of f−1) to an interval where f is one–to–one, but in our case, this isn't necessary. So, the range of f−1 is (−∞,∞) and the domain of f−1 is the range of f: (−∞,∞).
f(x)=2x+sinx 라 하자. f(x) 가 일대일함수가 되는, x=0 을 포함하는 가장 큰 구간은 무엇인가? f 를 이 구간으로 제한할 때, f−1(x) 의 정의역과 치역은 무엇인가?
영어 원문 보기
Let f(x)=2x+sinx. What is the largest interval containing x=0 over which f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x), if we restrict f to this interval?
정답·풀이 보기
f(x)=2x+sinx 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간의 서로 다른 두 수에서 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 a, b 에 대해 f(a)=f(b) 이면
a 와 b 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. f′(x)=21+cosx 이므로,
어떤 정수 n 에 대해 x=2nπ±32π 일 때 f′(x)=0 이다. 따라서 특히 a 와 b 가 구간 [−32π,32π] 의 서로 다른 수이면, a 와 b 사이에 있는 모든 c (양 끝은 제외)에 대해 f′(c)=0 이므로 롤의 정리에 의해 f(a)=f(b) 이다. 그러므로 f(x) 는 구간 [−32π,32π] 에서 일대일함수이다.
또한 구간 [−32π,32π] 을 더 넓혀서 f(x) 가 여전히 일대일함수가 되도록 할 수는 없음을 보여야 한다.
도함수 f′(x)=21+cosx 를 생각하자.
−32π<x<32π 인 모든 x 에 대해
cosx>−21 이므로 (cosx 의 그래프를 직접 그려 보세요)
f′(x)>0 이고 f(x) 는
증가한다. 그러나 x=32π 에서 f′(x)=0 이고,
x 가 32π 보다 조금 크면
cosx<−21 이므로 f′(x)<0 이고 f(x) 는
감소한다. 따라서 그래프가 “방향을 바꾸어” f(x) 는
같은 값을 다시 갖는다. (y=f(x) 의 그래프를 아래에서 보세요.)
x 가 −32π 보다 조금 작은 경우에도
마찬가지이다.
역함수 f−1(x) 를 정의할 때, 먼저 f 를 [−32π,32π] 로 제한한다. 그러면 f−1 의 치역도 [−32π,32π] 이다. f−1 의 정의역은 이 구간에서 f 의 치역이므로
[−(3π+23),(3π+23)] 이다.
원본 교재 풀이(영어)
If f(x)=2x+sinx is one–to–one over an interval, it never takes the same value for two distinct numbers in that interval. By Rolle's Theorem, if f(a)=f(b) for distinct a and b, then
f′(c)=0 for some c between a and b. Since f′(x)=21+cosx,
f′(x)=0 when x=2nπ±32π for some integer n. So, in particular, if a and b are distinct numbers in the interval [−32π,32π], then for every c strictly between a and b, f′(c)=0, so by Rolle's Theorem f(a)=f(b). Therefore f(x) is one–to–one on the interval [−32π,32π].
We should also show that the interval [−32π,32π] cannot be extended to a larger interval over which f(x) is still one–to–one.
Consider the derivative f′(x)=21+cosx.
For all −32π<x<32π, we have
cosx>−21 (sketch the graph of cosx
yourself) so that f′(x)>0 and f(x) is
increasing. But at x=32π, f′(x)=0, and then
for x a bit bigger than 32π we have
cosx<−21 so that f′(x)<0 and f(x) is
decreasing. So the graph “reverses direction", and f(x)
repeats values. (See the graph of y=f(x) below.) The
same is true for x a little smaller than −32π.
When we define the inverse function f−1(x), first we restrict f to [−32π,32π]. Then the range of f−1 is also [−32π,32π]. The domain of f−1 is the range of f over this interval, so
[−(3π+23),(3π+23)].