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

29문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-1 · 2.13절 · 21번우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 구간 [a,b][a,b] 에서 연속이고 구간 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 함수라고 하자. 또한 f(a)<g(a)f(a) < g(a) 이고 g(b)<f(b)g(b)< f(b) 라고 하자. f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 인 c∈[a,b]c \in [a,b] 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) and g(x)g(x) are functions that are continuous over the interval [a,b][a,b] and differentiable over the interval (a,b)(a,b). Suppose further that f(a)<g(a)f(a) < g(a) and g(b)<f(b)g(b)< f(b). Show that there exists some c∈[a,b]c \in [a,b] with f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c).

정답·풀이 보기

h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 로 놓으면 h(a)=f(a)−g(a)<0h(a)=f(a)-g(a)<0 이고 h(b)=f(b)−g(b)>0h(b)=f(b)-g(b)>0 임을 알 수 있다. hh 는 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능한 두 함수의 차이므로 hh 도 [a,b][a,b] 에서 연속이고 (a,b)(a,b) 에서 미분가능하다. 따라서 평균값 정리에 의해 h′(c)=h(b)−h(a)b−ah'(c)=\frac{h(b)-h(a)}{b-a} 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. (a,b)(a,b) 가 구간이므로 b>ab>a 이고, 따라서 위 식의 분모는 양수이다. 또 h(b)>0>h(a)h(b)>0>h(a) 이므로 위 식의 분자도 양수이다. 그러므로 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 h′(c)>0h'(c)>0 이다. h′(c)=f′(c)−g′(c)h'(c)=f'(c)-g'(c) 이므로, 어떤 c∈(a,b)c \in (a,b) 에 대해 f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) 라는 결론을 얻는다.

원본 교재 풀이(영어)

Define h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x), and notice h(a)=f(a)−g(a)<0h(a)=f(a)-g(a)<0 and h(b)=f(b)−g(b)>0h(b)=f(b)-g(b)>0. Since hh is the difference of two functions that are continuous over [a,b][a,b] and differentiable over (a,b)(a,b), also hh is continuous over [a,b][a,b] and differentiable over (a,b)(a,b). So, by the Mean Value Theorem, there exists some c∈(a,b)c \in (a,b) with h′(c)=h(b)−h(a)b−ah'(c)=\frac{h(b)-h(a)}{b-a} Since (a,b)(a,b) is an interval, b>ab>a, so the denominator of the above expression is positive; since h(b)>0>h(a)h(b)>0>h(a), also the numerator of the above expression is positive. So, h′(c)>0h'(c)>0 for some c∈(a,b)c \in (a,b). Since h′(c)=f′(c)−g′(c)h'(c)=f'(c)-g'(c), we conclude f′(c)>g′(c)f'(c)>g'(c) for some c∈(a,b)c \in (a,b).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 22번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술도전자동 분류
22.CLP-1 · 2.13절 · 22번우리말 번역

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 미분가능한 함수이고 f′(x)f'(x) 의 근이 정확히 두 개라고 하자. f(x)f(x) 가 가질 수 있는 서로 다른 근의 개수의 최댓값은 얼마인가요?

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function that is differentiable over all real numbers, and f′(x)f'(x) has precisely two roots. What is the maximum number of distinct roots that f(x)f(x) may have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이기도 하다. f(x)f(x) 는 서로 다른 근을 네 개 이상 가질 수 없음을 주장한다. 서로 다른 두 근 a<ba<b 마다 롤의 정리에 의해 f′(c)=0f'(c)=0 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. 즉, cc 는 f′f' 의 근이다. f′f' 의 서로 다른 근이 두 개뿐이므로 ff 의 서로 다른 근은 많아야 세 개이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is differentiable over all real numbers, it is also continuous over all real numbers. We claim that f(x)f(x) cannot have four or more distinct roots. For every two distinct roots a<ba<b, Rolle's Theorem tells us there is a c∈(a,b)c \in (a,b) such that f′(c)=0f'(c)=0: that is, cc is a root of f′f'. Since f′f' has only two distinct roots, ff can have at most three distinct roots.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 23번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
23.CLP-1 · 2.13절 · 23번우리말 번역

f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 은 몇 개의 근을 가지는지 구하세요.

영어 원문 보기

How many roots does f(x)=sin⁡x+x2+5x+1f(x)=\sin x + x^2 + 5x +1 have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

방정식 x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해의 개수를 구해야 한다. 아래 그림에는 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 의 그래프가 있다. x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x 의 해는 바로 y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 과 y=−sin⁡xy=-\sin x 가 만나는 점의 xx 값이다.

그림

그림을 보면 두 그래프는 두 번 만나는 것처럼 보인다. 함수 −sin⁡x-\sin x 의 치역이 [−1,1][-1,1] 이므로, 두 함수가 만난다면 −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 이기도 하다. 이차함수에서 이 부분은 그림에서 파란색으로 표시되어 있다. 파란 호의 양 끝점의 xx 좌표는 x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1 을 풀어 구한다. 즉 x=0x=0, −5-5, 그리고 (이차방정식을 이용하면) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2} 이다.

이제 위 그림으로 얻은 직관을 활용하여, f(x)f(x) 가 근을 정확히 두 개 가짐을 보이는 간결한 논증을 쓸 수 있다. 일반적으로 함수가 nn 개의 근을 가짐을 보이려면, 서로 다른 nn 개의 근이 어딘가에 존재함을 보이고, 서로 다른 n+1n+1 개의 근은 존재하지 않음을 보여야 함을 기억하자. 이 논증은 아래 파란 글씨로 주어진다.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이다.
  • f(x)=0f(x)=0 인 경우는 −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1 일 때뿐이고, 이는 ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1 일 때만 일어난다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 와 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에만 있다.
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0 이고, f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f(0)=1>0f(0)=1>0 이고, f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에 대해 f(c)=0f(c)=0 이다.
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5 이다. f′(x)=0f'(x)=0 이면 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x 이므로 ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1 이다. 따라서 f′(x)f'(x) 의 근을 포함할 수 있는 구간은 [−3,−2][-3,-2] 뿐이다.
  • f(x)f(x) 가 두 개보다 많은 근을 가진다고 가정하자. 그러면 구간 [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] 에 근이 두 개 있거나 또는 구간 [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right] 에 근이 두 개 있다. f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 롤의 정리에 의해 f′(x)f'(x) 는 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 또는 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 에서 근을 가진다. 그러나 f′(x)f'(x) 의 모든 근은 구간 [−3,−2][-3,-2] 안에 있고, 이 구간은 (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) 및 (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right) 와 공통인 점이 없으므로 이는 불가능하다. 따라서 f(x)f(x) 는 두 개보다 많은 근을 가지지 않는다.

그림

  • f(x)f(x) 는 적어도 두 개의 근을 가지고 두 개보다 많은 근은 가지지 않으므로, f(x)f(x) 는 근을 정확히 두 개 가진다.
원본 교재 풀이(영어)

We are asked to find the number of solutions to the equation x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x. The figure below contains the graphs of y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x. The solutions to x2+5x+1=−sin⁡xx^2+5x+1 = -\sin x are precisely the xx's where y=x2+5x+1y=x^2+5x+1 and y=−sin⁡xy=-\sin x cross.

figure

From the figure, it sure looks like there are two crossings. Since the function −sin⁡x-\sin x has range [−1,1][-1,1], if the two functions cross, then also −1≤x2+5x+1≤1-1 \leq x^2+5x+1\leq 1 . This portion of the quadratic function is highlighted in blue in the figure. The xx coordinates of the end points of the blue arcs are found by solving x2+5x+1=±1x^2+5x+1 = \pm1, i.e. x=0x=0, −5-5, and (using the quadratic equation) x=−5±172x= \frac{-5\pm\sqrt{17}}{2}.

We are now in a position to exploit the intuition that we have built using the above figure to write a concise argument showing that f(x)f(x) has exactly two roots. Remember that, in general, if we want to show that a function has nn roots, we need to show that there exist nn distinct roots somewhere, and that there do not exist n+1n+1 distinct roots. This argument is given below, in blue text.

  • f(x)f(x) is continuous over all real numbers
  • f(x)=0f(x)=0 only when −sin⁡x=x2+5x+1-\sin x=x^2+5x+1, which only happens when ∣x2+5x+1∣≤1|x^2+5x+1| \leq 1. Thus, f(x)f(x) only has roots in the intervals [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] and [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right].
  • f(−5)=sin⁡(−5)+1>0f(-5)=\sin(-5)+1 > 0, and f(−5−172)=sin⁡(−5−172)−1<0f\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right)-1 <0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5,−5−172)c \in \left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right).
  • f(0)=1>0f(0)=1>0, and f(−5+172)=sin⁡(−5+172)−1<0f\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)=\sin\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2}\right)-1<0. So, by the IVT, f(c)=0f(c)=0 for some c∈(−5+172,0)c \in \left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right).
  • f′(x)=cos⁡x+2x+5f'(x)=\cos x + 2x + 5. If f′(x)=0f'(x)=0, then 2x+5=−cos⁡x2x+5=-\cos x, so ∣2x+5∣≤1|2x+5| \leq 1. So, the only interval that can contain roots of f′(x)f'(x) is [−3,−2][-3,-2].
  • Suppose f(x)f(x) has more than two roots. Then it has two roots in the interval [−5,−5−172]\left[-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right] OR it has two roots in the interval [−5+172,0]\left[\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right]. Since f(x)f(x) is differentiable for all real numbers, Rolle's Theorem tells us that f′(x)f'(x) has a root in (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or in (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right). However, since all roots of f′(x)f'(x) are in the interval [−3,−2][-3,-2], and this interval shares no points with (−5,−5−172)\left(-5,\frac{-5-\sqrt{17}}{2}\right) or (−5+172,0)\left(\frac{-5+\sqrt{17}}{2},0\right), this cannot be the case. Therefore f(x)f(x) does not have more than two roots.

figure

  • Since f(x)f(x) has at least two roots, and not more than two roots, f(x)f(x) has exactly two roots.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 8번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
24.CLP-1 · 3.1절 · 16번우리말 번역

당신은 트램펄린 가장자리에서 처음 위쪽 속도 초속 11 미터로 뛰어오릅니다. 공중에 있는 동안 중력 때문에 당신의 감속도는 일정하게 초당 9.89.8 미터씩 매초 늘어납니다. 트램펄린에 닿은 뒤 떨어지는 동안에는 당신의 속력이 초당 4.94.9 미터마다 매초씩 줄어듭니다. 점프의 최고점부터 트램펄린 위에서 가장 낮은 지점까지 몇 초가 지나는지 구하세요.

그림

그림

영어 원문 보기

You jump up from the side of a trampoline with an initial upward velocity of 11 metre per second. While you are in the air, your deceleration is a constant 9.89.8 metres per second per second due to gravity. Once you hit the trampoline, as you fall your speed decreases by 4.94.9 metres per second per second. How many seconds pass between the peak of your jump and the lowest part of your fall on the trampoline?

figure

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정답·풀이 보기

(1) 뛰어오른 뒤 트램펄린에 닿기 전과 (2) 트램펄린 속으로 떨어지는 동안에는 서로 다른 힘이 작용한다. 두 경우 모두 가속도가 상수이므로 두 높이 함수는 모두 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 꼴의 이차함수이다. 여기서 aa 는 가속도, vv 는 t=0t=0 일 때의 속도, hh 는 처음 높이이다.

  • 먼저 (1), 즉 점프하는 동안 발이 트램펄린에 닿기 전의 시간을 생각하자. t=0t=0 을 뛰어오른 순간으로 하고, 트램펄린 가장자리의 높이를 00 으로 하자. 처음 속도가 (양수) 초속 11 미터였으므로 높이는 다음과 같다. h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) 가속도가 양의 속도와 반대로 작용하므로 음의 부호가 붙는다는 점에 주의한다.
  • 떨어지다가 발이 처음 트램펄린에 닿을 때의 속도를 알아야 한다. 점프한 뒤 발이 처음 트램펄린에 닿는 시각은 바로 h1(t)=0h_1(t)=0 이고 t>0t>0 일 때이다. 즉 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 일 때이다. 이제 h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1 이므로 h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1 이다. 따라서 발이 트램펄린에 닿는 순간 당신은 초속 1 미터로 내려가고 있다.

참고: 이 값이 처음 속력과 같은 것은 우연만은 아니다. 포물선의 대칭성과 에너지 보존을 생각해 보자.

  • 이제 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안의 높이를 생각해야 한다. 일반식 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 에서 vv 는 t=0t=0 일 때의 속도라는 점을 기억하자. 그런데 트램펄린에 닿는 시각은 t=0t=0 이 아니라 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 이다. 간단히 하기 위해 여정의 두 번째 부분에는 다른 시간 척도를 쓰자. 발이 트램펄린 표면에 닿는 순간(T=0T=0)부터 낙하의 맨 아래까지, 시각 TT 에서의 높이를 h2(T)h_2(T) 라 하자. 이제 처음 속도가 초속 −1-1 미터(높이가 줄어들므로 음수)이고 가속도가 초당 4.94.9 미터마다 매초(속도가 음수에서 00 으로 증가하므로 양수)라는 사실을 쓸 수 있다. h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T 여기서도 트램펄린 가장자리의 높이는 00 으로 본다.

참고: 자유 낙하할 때의 가속도는 음수인데 트램펄린 위에서의 가속도는 양수라는 점이 혼란스럽다면, 중력은 당신을 아래로 밀고 트램펄린은 당신을 위로 민다는 것을 기억하자.

  • 트램펄린 속에서 얼마나 오래 떨어졌을까? 식 h2(T)h_2(T) 는 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안에만 높이를 알려 준다. 속도가 00 이 될 때 낙하의 맨 아래에 이른다. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 이므로 T=14.9T=\frac{1}{4.9} 일 때 낙하의 맨 아래에 이른다. 주의하자. 이것은 트램펄린에 닿은 때로부터 14.9\frac{1}{4.9} 초 뒤이지, 낙하의 최고점이나 뛰어오른 때로부터가 아니다.
  • 마지막 조각은 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간이다. 그동안의 운동을 나타내는 식은 h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t 이다. 속도가 00 일 때 최고점에 이른다. h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} 따라서 당신은 t=19.8t=\frac{1}{9.8} 에서 최고점을 출발하여 t=21.98t=\frac{2}{1.98} 에서 트램펄린 가장자리 높이에 이르렀으므로, 낙하에 19.8\frac{1}{9.8} 초가 걸렸다.

참고: 앞에서 언급한 대칭성에 의해, 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간은 가장자리에서 뛰어오른 순간부터 다시 트램펄린 표면에 닿는 순간까지 걸린 시간의 절반과 같다.

  • 따라서 점프의 최고점에서 맨 아래까지 떨어진 시간은 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 초이다.
원본 교재 풀이(영어)

Different forces are acting on you (1) after you jump but before you land on the trampoline, and (2) while you are falling into the trampoline. In both instances, the acceleration is constant, so both height functions are quadratic, of the form a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h, where aa is the acceleration, vv is the velocity when t=0t=0, and hh is the initial height.

  • Let's consider (1) first, the time during your jump before your feet touch the trampoline. Let t=0t=0 be the moment you jump, and let the rim of the trampoline be height 00. Then, since your initial velocity was (positive) 11 meter per second, your height is given by h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) Notice that, because your acceleration is working against your positive velocity, it has a negative sign.
  • We'll need to know your velocity when your feet first touch the trampoline on your fall. The time your feet first first touch the trampoline after your jump is precisely when h1(t)=0h_1(t)=0 and t>0t>0. That is, when t=29.8t=\frac{2}{9.8}. Now, since h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1, h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1. So, you are descending at a rate of 1 metre per second at the instant your feet touch the trampoline.

Remark: it is not only coincidence that this was your initial speed. Think about the symmetries of parabolas, and conservation of energy.

  • Now we need to think about your height as the trampoline is slowing your fall. One thing to remember about our general equation a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h is that vv is the velocity when t=0t=0. But, you don't hit the trampoline at t=0t=0, you hit it at t=29.8t=\frac{2}{9.8}. In order to keep things simple, let's use a different time scale for this second part of your journey. Let's let h2(T)h_2(T) be your height at time TT, from the moment your feet touch the trampoline skin (T=0T=0) to the bottom of your fall. Now, we can use the fact that your initial velocity is −1-1 metres per second (negative, since your height is decreasing) and your acceleration is 4.94.9 metres per second per second (positive, since your velocity is increasing from a negative number to zero): h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T where still the height of the rim of the trampoline is taken to be zero.

Remark: if it seems very confusing that your free-falling acceleration is negative, while your acceleration in the trampoline is positive, remember that gravity is pushing you down, but the trampoline is pushing you up.

  • How long were you falling in the trampoline? The equation h2(T)h_2(T) tells you your height only as long as the trampoline is slowing your fall. You reach the bottom of your fall when your velocity is zero. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 so you reach the bottom of your fall at T=14.9T=\frac{1}{4.9}. Be careful: this is 14.9\frac{1}{4.9} seconds after you entered the trampoline, not after the peak of your fall, or after you jumped.
  • The last piece of the puzzle is how long it took you to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline. We know the equation of your motion during that time: h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t. You reached the peak when your velocity was zero: h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} So, you fell from your peak at t=19.8t=\frac{1}{9.8} and reached the level of the trampoline rim at t=21.98t=\frac{2}{1.98}, which means the fall took 19.8\frac{1}{9.8} seconds.

Remark: by the symmetry mentioned early, the time it took to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline is the same as one-half the time from the moment you jumped off the rim to the moment you're back on the surface of the trampoline.

  • So, your time falling from the peak of your jump to its bottom was 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 seconds.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 11번
# 속도와 가속도그래프·표 해석도전자동 분류
25.CLP-1 · 3.1절 · 17번우리말 번역

어떤 물체가 매초 속도가 두 배가 되도록 움직인다고 하자. 이 물체의 가속도를 나타내는 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose an object is moving so that its velocity doubles every second. Give an expression for the acceleration of the object.

정답·풀이 보기

v(t)v(t) 를 물체의 속도라 하자. 주어진 정보로부터 다음을 얻는다.

  • v(0)v(0) 은 어떤 값이며, 이를 v0v_0 이라 한다,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (첫 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (두 번째 1초 동안 속력이 두 배가 되었으므로),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, 이와 같은 식으로 계속된다. 따라서 일반적인 tt 에 대해 다음이 성립한다. v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) 가속도를 구하기 위해 간단히 미분하면 된다. ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2 임을 기억하자. 여기서 log⁡\log 는 밑이 ee 인 로그를 뜻한다. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 참고: a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2 로 쓸 수도 있다. 가속도 역시 매초 두 배가 된다.
원본 교재 풀이(영어)

Let v(t)v(t) be the velocity of the object. From the given information:

  • v(0)v(0) is some value, call it v0v_0,
  • v(1)=2v0v(1)=2v_0 (since the speed doubled in the first second),
  • v(2)=2(2)v0v(2)=2(2)v_0 (since the speed doubled in the second second),
  • v(3)=2(2)(2)v0v(3)=2(2)(2)v_0, and so on. So, for general tt: v(t)=2tv(0)v(t)=2^tv(0) To find its acceleration, we simply differentiate. Recall ddx{2x}=2xlog⁡2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}=2^x\log 2, where log⁡\log denotes logarithm base ee. a(t)=2tv0log⁡2a(t)=2^tv_0\log 2 Remark: we can also write a(t)=v(t)log⁡2a(t)=v(t)\log 2. The acceleration doubles every second as well.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 16번
# 속도와 가속도활용도전자동 분류
26.CLP-1 · 3.5절 · 5번우리말 번역

아래에는 여러 곡선이 있으며, 모두 x=2x=2 에서 특이점을 가진다. 각각에 대해 x=2x=2 가 극댓값인지, 극솟값인지, 아니면 둘 다 아닌지 표시하세요.

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영어 원문 보기

Below are a number of curves, all of which have a singular point at x=2x=2. For each, label whether x=2x=2 is a local maximum, a local minimum, or neither.

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정답·풀이 보기

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첫 번째 곡선에서는 x=2x=2 에서의 함숫값(즉, 속이 찬 점의 yy 값)이 주변의 어떤 값보다도 크므로 극댓값이다.

두 번째 곡선에서는 x=2x=2 에서의 함숫값(즉, 속이 찬 점의 yy 값)이 왼쪽의 모든 값보다는 크지만, 바로 오른쪽의 값들보다는 작다. (아래에 다시 나타낸 그래프에서 f(x)f(x) 는 빨간 부분의 모든 값보다 크고, 파란 부분의 모든 값보다 작다.) 따라서 극댓값도 극솟값도 아니다.

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마찬가지로 세 번째 곡선에서는 f(2)f(2) 가 오른쪽의 값들보다 작고 왼쪽의 값들보다 크므로 극솟값도 극댓값도 아니다.

마지막 곡선에서는 f(2)f(2) (속이 찬 점의 yy 값임을 기억하자)가 바로 왼쪽과 오른쪽의 모든 값(예를 들어 아래에 빨간색으로 표시한 구간에서)보다 크므로 극댓값이다.

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원본 교재 풀이(영어)

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For the first curve, the function's value at x=2x=2 (that is, the yy-value of the solid dot) is higher than anything around it. So, it's a local maximum.

For the second curve, the function's value at x=2x=2 (that is, the yy-value of the solid dot) is higher than everything to the left, but lower than values immediately to the right. (On the graph reproduced below, f(x)f(x) is higher than everything in the red section, and lower than everything in the blue section.) So, it is neither a local max nor a local min.

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Similarly, for the third curve, f(2)f(2) is lower than the values to the right of it, and higher than values to the left of it, so it is neither a local minimum nor a local maximum.

In the final curve, f(2)f(2) (remember–this is the yy-value of the solid dot) is higher than everything immediately to the left or right of it (for instance, over the interval marked in red below), so it is a local maximum.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 18번
# 극대와 극소그래프·표 해석도전자동 분류
27.CLP-1 · 3.5절 · 15번우리말 번역

철사 한 개를 두 조각으로 잘라, 한 조각은 구부려 원을 만들고 다른 조각은 구부려 정사각형을 만듭니다. 두 곡선으로 둘러싸인 넓이가 최대가 되려면 철사를 어떻게 잘라야 하는지 구하세요. 두 곡선으로 둘러싸인 넓이가 최소가 되려면 철사를 어떻게 잘라야 하는지 구하세요. 답이 옳은 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

A length of wire is cut into two pieces, one of which is bent to form a circle, the other to form a square. How should the wire be cut if the area enclosed by the two curves is maximized? How should the wire be cut if the area enclosed by the two curves is minimized? Justify your answers.

정답·풀이 보기

철사의 길이를 LL 단위라 하고, 한쪽 끝에서 ℓ\ell 단위만큼 떨어진 곳을 자른다고 하자. 길이가 ℓ\ell 인 조각으로 정사각형을 만들고, 나머지 길이가 L−ℓL-\ell 인 조각으로 원을 만든다.

정사각형의 둘레가 ℓ\ell 이므로 한 변의 길이는 ℓ/4\ell/4 이고 넓이는 (ℓ4)2\left(\dfrac{\ell}{4}\right)^2 이다. 원의 둘레가 L−ℓL-\ell 이므로 반지름은 L−ℓ2π\dfrac{L-\ell}{2\pi} 이고 넓이는 π(L−ℓ2π)2=(L−ℓ)24π\pi\left(\dfrac{L-\ell}{2\pi}\right)^2=\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} 이다.

정사각형을 길이 ℓ\ell 인 조각으로 만들 때 두 도형으로 둘러싸인 넓이는

A(ℓ)=ℓ216+(L−ℓ)24π조건 0≤ℓ≤L 에서 이 함수의 전체 최댓값과 최솟값을 구해야 하므로 도함수를 구한다:A′(ℓ)=ℓ8−L−ℓ2π=π+48πℓ−L2π이제 임계점을 구한다.A′(ℓ)=0π+48πℓ=L2πℓ=4Lπ+4\begin{aligned} A(\ell)&=\dfrac{\ell^2}{16}+\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} \\ \text{조건 $0 \leq \ell \leq L$ 에서 이 함수의 전체 최댓값과 최솟값을 구해야 하므로 도함수를 구한다:} \\ A'(\ell)&=\dfrac{\ell}{8} -\dfrac{L-\ell}{2\pi} =\dfrac{\pi+4}{8\pi}\ell-\dfrac{L}{2\pi} \\ \text{이제 임계점을 구한다.} \\ A'(\ell)&=0\\ \frac{\pi+4}{8\pi}\ell&=\frac{L}{2\pi}\\ \ell&=\frac{4L}{\pi+4} \end{aligned}

ℓ0L...4Lπ+4종류끝점끝점임계점A(ℓ)...L24πL216A(4Lπ+4)\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline \ell & 0 & L & \dfrac{.^.}{.}\frac{4L}{\pi+4} \\ \hline \text{종류} & \text{끝점} & \text{끝점} & \text{임계점} \\ \hline A(\ell) & \dfrac{.^.}{.}\frac{L^2}{4\pi} & \frac{L^2}{16}_{} & A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) \\ \hline \end{array}

A(4Lπ+4)A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) 의 값을 계산하는 것은 번거로워 보이고 문제에서 요구하지도 않는다. 그러나 이것이 전체 최댓값인지 최솟값인지는 따져 보아야 한다.

ℓ<4Lπ+4\ell<\frac{4L}{\pi+4} 일 때 A′(ℓ)<0A'(\ell)<0 이고, ℓ>4Lπ+4\ell>\frac{4L}{\pi+4} 일 때 A′(ℓ)>0A'(\ell)>0 이다. 따라서 A(ℓ)A(\ell) 은 ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} 까지 감소하다가 그 뒤로 증가한다. 즉 임계점 ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} 에서 극솟값을 갖는다.

그러므로 최솟값은 유일한 임계점인 ℓ=(44+π)L\ell=\left(\dfrac{4}{4+\pi}\right)L 에서 생긴다. 이는 ℓL=44+π\dfrac{\ell}{L}=\dfrac{4}{4+\pi} 에 해당한다. 즉 정사각형을 만드는 철사 조각의 비율은 44+π\dfrac{4}{4+\pi} 이다.

최댓값은 ℓ=0\ell=0 또는 ℓ=L\ell=L 에서 생겨야 한다. A(0)=L24π>A(L)=L216A(0)=\dfrac{L^2}{4\pi} > A(L)=\dfrac{L^2}{16} 이므로 최댓값은 ℓ=0\ell=0 에서 생긴다(즉, 정사각형을 만들지 않는다).

원본 교재 풀이(영어)

Call the length of the wire LL units and suppose that it is cut ℓ\ell units from one end. Make the square from the piece of length ℓ\ell, and make the circle from the remaining piece of length L−ℓL-\ell.

The square has perimeter ℓ\ell, so its side length is ℓ/4\ell/4 and its area is (ℓ4)2\left(\dfrac{\ell}{4}\right)^2. The circle has circumference L−ℓL-\ell, so its radius is L−ℓ2π\dfrac{L-\ell}{2\pi} and its area is π(L−ℓ2π)2=(L−ℓ)24π\pi\left(\dfrac{L-\ell}{2\pi}\right)^2=\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi}.

The area enclosed by the shapes, when the square is made from a length of size ℓ\ell, is

A(ℓ)=ℓ216+(L−ℓ)24πWe want to find the global max and min for this function, given the constraint 0≤ℓ≤L, so we find its derivative:A′(ℓ)=ℓ8−L−ℓ2π=π+48πℓ−L2πNow, we find the critical point.A′(ℓ)=0π+48πℓ=L2πℓ=4Lπ+4\begin{aligned} A(\ell)&=\dfrac{\ell^2}{16}+\dfrac{(L-\ell)^2}{4\pi} \\ \text{We want to find the global max and min for this function, given the constraint $0 \leq \ell \leq L$, so we find its derivative:} \\ A'(\ell)&=\dfrac{\ell}{8} -\dfrac{L-\ell}{2\pi} =\dfrac{\pi+4}{8\pi}\ell-\dfrac{L}{2\pi} \\ \text{Now, we find the critical point.} \\ A'(\ell)&=0\\ \frac{\pi+4}{8\pi}\ell&=\frac{L}{2\pi}\\ \ell&=\frac{4L}{\pi+4} \end{aligned}

ℓ0L...4Lπ+4typeendpointendpointcritical pointA(ℓ)...L24πL216A(4Lπ+4)\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline \ell & 0 & L & \dfrac{.^.}{.}\frac{4L}{\pi+4} \\ \hline \text{type} & \text{endpoint} & \text{endpoint} & \text{critical point} \\ \hline A(\ell) & \dfrac{.^.}{.}\frac{L^2}{4\pi} & \frac{L^2}{16}_{} & A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right) \\ \hline \end{array}

It seems obnoxious to evaluate A(4Lπ+4)A\left(\frac{4L}{\pi+4}\right), and the problem doesn't ask for it–but we still have to figure out whether it is a global max or min.

When ℓ<4Lπ+4\ell<\frac{4L}{\pi+4}, A′(ℓ)<0A'(\ell)<0, and when ℓ>4Lπ+4\ell>\frac{4L}{\pi+4}, A′(ℓ)>0A'(\ell)>0. So, A(ℓ)A(\ell) is decreasing until ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4}, then increasing. That means our critical point ℓ=4Lπ+4\ell=\frac{4L}{\pi+4} is a local minimum.

So, the minimum occurs at the only critical point, which is ℓ=(44+π)L\ell=\left(\dfrac{4}{4+\pi}\right)L. This corresponds to ℓL=44+π\dfrac{\ell}{L}=\dfrac{4}{4+\pi}: the proportion of the wire that is cut is 44+π\dfrac{4}{4+\pi}.

The maximum has to be either at ℓ=0\ell=0 or at ℓ=L\ell=L. As A(0)=L24π>A(L)=L216A(0)=\dfrac{L^2}{4\pi} > A(L)=\dfrac{L^2}{16}, the maximum has ℓ=0\ell=0 (that is, no square).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.5절 · 9번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술도전자동 분류
28.CLP-1 · 3.6절 · 10번우리말 번역

f(x)=tan⁡(3x)+sin⁡(4x)f(x)=\tan\left(3 x\right)+\sin\left(4 x\right) f(x)f(x) 의 주기를 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=tan⁡(3x)+sin⁡(4x)f(x)=\tan\left(3 x\right)+\sin\left(4 x\right) What is the period of f(x)f(x)?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

g(x)=tan⁡(3x)g(x)=\tan(3x) 와 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 를 따로 생각해 보자. 탄젠트의 주기는 π\pi 임을 떠올리자.

tan⁡X=tan⁡(X+π)tan⁡X 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 3x 로 바꾸면:tan⁡(3x)=tan⁡(3x+π)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해tan⁡(3x)=tan⁡(3(x+π3))tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해g(x)=g(x+π3)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해따라서 g(x)=tan⁡(3x) 의 주기는 π3 이다.마찬가지로 사인의 주기는 2π 이다.sin⁡(X)=sin⁡(X+2π)sin⁡(X) 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 4x 로 바꾸면:sin⁡(4x)=sin⁡(4x+2π)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해sin⁡(4x)=sin⁡(4(x+π2))sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해h(x)=h(x+π2)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해\begin{aligned} \tan X &= \tan(X+\pi)&&\text{$\tan X$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $3x$ 로 바꾸면:} \\ \tan(3x)&=\tan(3x+\pi)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \tan(3x)&=\tan\left(3\left(x+\frac{\pi}{3}\right)\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ g(x)&=g\left(x+\frac{\pi}{3}\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \\ \text{따라서 $g(x)=\tan(3x)$ 의 주기는 $\dfrac{\pi}{3}$ 이다.} \\ \\ \text{마찬가지로 사인의 주기는 $2\pi$ 이다.} \\ \sin(X)&=\sin(X+2\pi)&&\text{$\sin(X)$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $4x$ 로 바꾸면:} \\ \sin(4x)&=\sin(4x+2\pi)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \sin(4x)&=\sin\left(4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ h(x)&=h\left(x+\frac{\pi}{2}\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \end{aligned}

따라서 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 의 주기는 π2\dfrac{\pi}{2} 이다.

종합하면, f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) 는 g(x)g(x) 와 h(x)h(x) 가 모두 반복될 때 반복된다. π3\dfrac{\pi}{3} 와 π2\dfrac{\pi}{2} 의 공통인 정수 배수 중 가장 작은 것은 π\pi 이다. g(x)g(x) 는 π3\dfrac{\pi}{3} 만큼마다 반복되고 h(x)h(x) 는 π2\dfrac{\pi}{2} 만큼마다 반복되므로, 둘은 π\pi 만큼 이동해야 비로소 함께 반복된다. 따라서 f(x)f(x) 의 주기는 π\pi 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's consider g(x)=tan⁡(3x)g(x)=\tan(3x) and h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) separately. Recall that π\pi is the period of tangent.

tan⁡X=tan⁡(X+π)for every X in the domain of tan⁡XReplacing X with 3x:tan⁡(3x)=tan⁡(3x+π)for every x in the domain of tan⁡3xtan⁡(3x)=tan⁡(3(x+π3))for every x in the domain of tan⁡3xg(x)=g(x+π3)for every x in the domain of tan⁡3xSo, the period of g(x)=tan⁡(3x) is π3.Similarly, 2π is the period of sine.sin⁡(X)=sin⁡(X+2π)for every X in the domain of sin⁡(X)Replacing X with 4x:sin⁡(4x)=sin⁡(4x+2π)for every x in the domain of sin⁡(4x)sin⁡(4x)=sin⁡(4(x+π2))for every x in the domain of sin⁡(4x)h(x)=h(x+π2)for every x in the domain of sin⁡(4x)\begin{aligned} \tan X &= \tan(X+\pi)&&\text{for every $X$ in the domain of $\tan X$} \\ \text{Replacing $X$ with $3x$:} \\ \tan(3x)&=\tan(3x+\pi)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$}\\ \tan(3x)&=\tan\left(3\left(x+\frac{\pi}{3}\right)\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$}\\ g(x)&=g\left(x+\frac{\pi}{3}\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$} \\ \text{So, the period of $g(x)=\tan(3x)$ is $\dfrac{\pi}{3}$.} \\ \\ \text{Similarly, $2\pi$ is the period of sine.} \\ \sin(X)&=\sin(X+2\pi)&&\text{for every $X$ in the domain of $\sin(X)$} \\ \text{Replacing $X$ with $4x$:} \\ \sin(4x)&=\sin(4x+2\pi)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$}\\ \sin(4x)&=\sin\left(4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$}\\ h(x)&=h\left(x+\frac{\pi}{2}\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$} \end{aligned}

So, the period of h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) is π2\dfrac{\pi}{2}.

All together, f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) will repeat when both g(x)g(x) and h(x)h(x) repeat. The least common integer multiple of π3\dfrac{\pi}{3} and π2\dfrac{\pi}{2} is π\pi. Since g(x)g(x) repeats every π3\dfrac{\pi}{3} units, and h(x)h(x) repeats every π2\dfrac{\pi}{2} units, they will not both repeat until we move π\pi units. So, the period of f(x)f(x) is π\pi.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 3번
# 함수의 그래프 그리기계산도전자동 분류
29.CLP-1 · 3.6절 · 13번우리말 번역

(a) 함수 y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x 의 그래프를 그리세요. 이때 점근선, 극댓값과 극솟값, 변곡점, 그리고 그래프가 아래로 볼록인 구간과 위로 볼록인 구간을 나타내세요. (b) 함수 f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k 를 생각하세요. 여기서 kk 는 상수이고 −∞<k<∞-\infty<k<\infty 입니다. 이 함수는 몇 개의 근을 갖는지 구하세요. (답은 kk 의 값에 따라 달라질 수 있습니다.)

영어 원문 보기

(a) Sketch the graph of y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x, indicating asymptotes, local maxima and minima, inflection points, and where the graph is concave up/concave down. (b) Consider the function f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k, where kk is a constant, −∞<k<∞-\infty<k<\infty. How many roots does the function have? (Your answer might depend on the value of kk.)

정답·풀이 보기

(a) 먼저 미분한다. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad 함수와 그 도함수로부터 다음을 알 수 있다.

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)>0f'(x)> 0 (즉, ff 는 증가)
  • x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67 에서 f′(x)=0f'(x)=0 (즉, ff 는 임계점을 가짐)
  • ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)<0f'(x)< 0 (즉, ff 는 감소)
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

이로부터 그래프의 대략적인 모양을 처음으로 짐작할 수 있다.

그림

이 뼈대를 이계도함수의 정보를 이용해 다듬는다.

  • x>0x> 0 에서 f′′(x)>0f''(x)> 0 (즉, ff 는 아래로 볼록),
  • x=0x=0 에서 f′′(x)=0f''(x)=0 (즉, ff 는 변곡점을 가짐),
  • x<0x<0 에서 f′′(x)<0f''(x)< 0 (즉, ff 는 위로 볼록)

따라서

  • ff 는 점근선이 없다
  • ff 는 x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극대이고 x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극소이다
  • ff 는 x=0x=0 에서 변곡점을 갖는다
  • ff 는 x<0x<0 에서 위로 볼록이고 x>0x>0 에서 아래로 볼록이다

그림

(b) 함수 x5−x+kx^5-x+k 가 x=x0x=x_0 에서 근을 가질 필요충분조건은 x=x0x=x_0 에서 x5−x=−kx^5-x=-k 인 것이다. 따라서 x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 곡선 y=x5−xy=x^5-x 가 수평선 y=−ky=-k 와 만나는 횟수와 같다. x5−xx^5-x 의 극댓값(x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이고, x5−xx^5-x 의 극솟값(x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이다. 따라서 위의 x5−xx^5-x 의 그래프를 보면, x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 다음과 같다.

  • ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 1
  • ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 2
  • ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 3
원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we differentiate. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad The function and its first derivative tells us the following:

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • f′(x)>0f'(x)> 0 (i.e. ff is increasing) for ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f′(x)=0f'(x)=0 (i.e. ff has critical points) for x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67
  • f′(x)<0f'(x)< 0 (i.e. ff is decreasing) for ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

This gives us a first idea of the shape of the graph.

figure

We refine this skeleton using information from the second derivative.

  • f′′(x)>0f''(x)> 0 (i.e. ff is concave up) for x>0x> 0,
  • f′′(x)=0f''(x)=0 (i.e. ff has an inflection point) for x=0x=0, and
  • f′′(x)<0f''(x)< 0 (i.e. ff is concave down) for x<0x<0

Thus

  • ff has no asymptotes
  • ff has a local maximum at x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} and a local minimum at x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • ff has an inflection point at x=0x=0
  • ff is concave down for x<0x<0 and concave up for x>0x>0

figure

(b) The function x5−x+kx^5-x+k has a root at x=x0x=x_0 if and only if x5−x=−kx^5-x=-k at x=x0x=x_0. So the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is the number of times the curve y=x5−xy=x^5-x crosses the horizontal line y=−ky=-k. The local maximum of x5−xx^5-x (when x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}, and the local minimum of x5−xx^5-x (when x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}. So, looking at the graph of x5−xx^5-x above, we see that the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is

  • 1 when ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 2 when ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 3 when ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
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