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

11문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 2.2절 · 26번우리말 번역

점 (1,−3)(1,-3) 을 지나고 곡선 y=x2y = x^2 에 접하는 서로 다른 직선이 두 개 있습니다. 이 두 직선의 방정식을 구하세요.

참고: 점 (1,−3)(1,-3) 은 곡선 y=x2y=x^2 위에 있지 않습니다.

영어 원문 보기

There are two distinct straight lines that pass through the point (1,−3)(1,-3) and are tangent to the curve y=x2y = x^2. Find equations for these two lines.

Remark: the point (1,−3)(1,-3) does not lie on the curve y=x2y=x^2.

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y′=2xy'=2x 임을 안다. 따라서 곡선 y=x2y=x^2 위의 점 (α,α2)(\alpha,\alpha^2) 을 택하면, 그 점에서 곡선의 접선의 기울기는 2α2\alpha 이다. 즉, 접선의 방정식은

(y−α2)=2α(x−α)간단히 하면, y=(2α)x−α2따라서 (1,−3) 이 접선 위에 있으면−3=(2α)(1)−α2  ⟺  0=α2−2α−3  ⟺  0=(α−3)(α+1)  ⟺  α=3,또는α=−1.따라서 접선 y=(2α)x−α2 은y=6x−9와y=−2x−1.\begin{aligned} (y-\alpha^2)&=2\alpha(x-\alpha)\\ \text{간단히 하면, } \qquad y&=(2\alpha)x-\alpha^2 \\ \text{따라서 $(1,-3)$ 이 접선 위에 있으면} \\ -3&=(2\alpha)(1)-\alpha^2\\ \iff\qquad 0&=\alpha^2-2\alpha-3\\ \iff\qquad 0&=(\alpha-3)(\alpha+1)\\ \iff\qquad \alpha&=3, \quad\text{또는}\qquad \alpha=-1. \\ \text{따라서 접선 $y=(2\alpha)x-\alpha^2$ 은} \\ y&=6x-9 \quad\text{와}\quad y=-2x-1. \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We know that y′=2xy'=2x. So, if we choose a point (α,α2)(\alpha,\alpha^2) on the curve y=x2y=x^2, then the tangent line to the curve at that point has slope 2α2\alpha. That is, the tangent line has equation

(y−α2)=2α(x−α)simplified, y=(2α)x−α2So, if (1,−3) is on the tangent line, then−3=(2α)(1)−α2  ⟺  0=α2−2α−3  ⟺  0=(α−3)(α+1)  ⟺  α=3,orα=−1.So, the tangent lines y=(2α)x−α2 arey=6x−9andy=−2x−1.\begin{aligned} (y-\alpha^2)&=2\alpha(x-\alpha)\\ \text{simplified, } \qquad y&=(2\alpha)x-\alpha^2 \\ \text{So, if $(1,-3)$ is on the tangent line, then} \\ -3&=(2\alpha)(1)-\alpha^2\\ \iff\qquad 0&=\alpha^2-2\alpha-3\\ \iff\qquad 0&=(\alpha-3)(\alpha+1)\\ \iff\qquad \alpha&=3, \quad\text{or}\qquad \alpha=-1. \\ \text{So, the tangent lines $y=(2\alpha)x-\alpha^2$ are} \\ y&=6x-9 \quad\text{and}\quad y=-2x-1. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.2절 · 17번
# 도함수의 뜻계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 2.4절 · 13번우리말 번역

곡선 y=3x2y=3x^2 위의 점 중에서 접선이 (2,9)(2,9) 를 지나는 점을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Find all points on the curve y=3x2y=3x^2 where the tangent line passes through (2,9)(2,9).

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이미 ddxx2=2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}x^2=2x 임을 알고 있다. 따라서 y=3x2y=3x^2 의 x=ax=a 에서의 기울기는 6a6a 이다. y=3x2y=3x^2 의 x=a,y=3a2x=a, y=3a^2 에서의 접선은 y−3a2=6a(x−a)y-3a^2=6a(x-a) 이다. 이 접선이 (2,9)(2,9) 를 지나는 경우는 다음과 같다.

9−3a2=6a(2−a)3a2−12a+9=0a2−4a+3=0(a−3)(a−1)=0  ⟹    a=1,3\begin{aligned} 9-3a^2&=6a(2-a)\\ 3a^2-12a+9&=0\\ a^2-4a+3&=0\\ (a-3)(a-1)&=0\\ \implies~~a&=1,3 \end{aligned}

구하는 점은 (1,3), (3,27)(1,3),\ (3,27) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We already know that ddxx2=2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}x^2=2x. So the slope of y=3x2y=3x^2 at x=ax=a is 6a6a. The tangent line to y=3x2y=3x^2 at x=a,y=3a2x=a, y=3a^2 is y−3a2=6a(x−a)y-3a^2=6a(x-a). This tangent line passes through (2,9)(2,9) if

9−3a2=6a(2−a)3a2−12a+9=0a2−4a+3=0(a−3)(a−1)=0  ⟹    a=1,3\begin{aligned} 9-3a^2&=6a(2-a)\\ 3a^2-12a+9&=0\\ a^2-4a+3&=0\\ (a-3)(a-1)&=0\\ \implies~~a&=1,3 \end{aligned}

The points are (1,3), (3,27)(1,3),\ (3,27).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 12번
# 다항함수의 미분법계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 2.4절 · 14번우리말 번역

극한을 미분계수로 해석하여 lim⁡y→0(100180+y−100180y)\displaystyle \lim_{y\rightarrow 0}\left( \dfrac{\sqrt{100180+y}-\sqrt{100180}}{y}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡y→0(100180+y−100180y)\displaystyle \lim_{y\rightarrow 0}\left( \dfrac{\sqrt{100180+y}-\sqrt{100180}}{y}\right) by interpreting the limit as a derivative.

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이 극한은 함수 f(x)=xf(x)=\sqrt{x} 의 x=100180x=100180 에서의 미분계수를 나타낸다. f(x)f(x) 의 도함수가 12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}} 이므로, x=100180x=100180 에서의 값은 정확히 12100180\dfrac{1}{2\sqrt{100180}} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=100180x=100180 of the function f(x)=xf(x)=\sqrt{x}. Since the derivative of f(x)f(x) is 12x\dfrac{1}{2\sqrt{x}}, then its value at x=100180x=100180 is exactly 12100180\dfrac{1}{2\sqrt{100180}}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 7번
# 다항함수의 미분법계산도전자동 분류
4.CLP-1 · 2.4절 · 16번우리말 번역

어떤 미분가능한 함수 g(x)g(x) 에 대해 f(x)=x2g(x)f(x)=x^2g(x) 라 하자. f′(0) f'(0) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=x2g(x)f(x)=x^2g(x) for some differentiable function g(x)g(x). What is f′(0) f'(0)?

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정답·풀이 보기

곱의 미분법을 쓰면 f′(x)=(2x)g(x)+x2g′(x)f'(x)=(2x)g(x)+x^2g'(x) 이므로 f′(0)=0⋅g(x)+0⋅g′(x)=0f'(0)=0\cdot g(x)+0\cdot g'(x)=0 이다. (gg 가 미분가능하므로 g′g' 가 존재한다.)

원본 교재 풀이(영어)

Using the product rule, f′(x)=(2x)g(x)+x2g′(x)f'(x)=(2x)g(x)+x^2g'(x), so f′(0)=0⋅g(x)+0⋅g′(x)=0f'(0)=0\cdot g(x)+0\cdot g'(x)=0. (Since gg is differentiable, g′g' exists.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 13번
# 다항함수의 미분법계산도전자동 분류
5.CLP-1 · 2.6절 · 17번우리말 번역

두 곡선 y=x2y = x^2 과 y=x2−2x+2y = x^2 - 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=x2y = x^2 and y=x2−2x+2y = x^2 - 2x + 2 (at different points).

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공통접선의 기울기를 mm, y=x2y=x^2 과의 접점을 (x1,y1)(x_1,y_1), y=x2−2x+2y=x^2-2x+2 와의 접점을 (x2,y2)(x_2,y_2) 라 하자. 그러면 다음이 성립해야 한다. y1=x12y2=x22−2x2+2m=2x1=2x2−2=y2−y1x2−x1y_1=x_1^2\qquad y_2=x_2^2-2x_2+2\qquad m=2x_1=2x_2-2=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} “mm” 에 관한 등식들로부터 x1=m2x_1=\frac{m}{2}, x2=m2+1x_2=\frac{m}{2}+1 이고

m=y2−y1x2−x1=y2−y1=x22−2x2+2−x12=(x2−x1)(x2+x1)−2(x2−1)=(m2+1−m2)(m2+1+m2)−2(m2+1−1)=(1)(m+1)−2m2=1따라서,   m=1,x1=12,y1=14,x2=32,y2=94−3+2=54\begin{aligned} m&=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\\ &=y_2-y_1\\ &=x_2^2-2x_2+2-x_1^2\\ \\& =(x_2-x_1)(x_2+x_1)-2(x_2-1)\\ &=\left(\frac{m}{2}+1-\frac{m}{2}\right)\left(\frac{m}{2}+1+\frac{m}{2}\right) -2\left(\frac{m}{2}+1-1\right) \\ &=(1)(m+1)-2\frac{m}{2}\\ &=1\\ \text{따라서,}~~~m&=1,\qquad x_1=\tfrac{1}{2},\qquad y_1=\frac{1}{4},\qquad x_2=\frac{3}{2},\qquad y_2=\frac{9}{4}-3+2=\frac{5}{4} \end{aligned}

공통접선의 방정식은 y=x−14y=x-\frac{1}{4} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Denote by mm the slope of the common tangent, by (x1,y1)(x_1,y_1) the point of tangency with y=x2y=x^2, and by (x2,y2)(x_2,y_2) the point of tangency with y=x2−2x+2y=x^2-2x+2. Then we must have y1=x12y2=x22−2x2+2m=2x1=2x2−2=y2−y1x2−x1y_1=x_1^2\qquad y_2=x_2^2-2x_2+2\qquad m=2x_1=2x_2-2=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1} From the “mm” equations we get x1=m2x_1=\frac{m}{2}, x2=m2+1x_2=\frac{m}{2}+1 and

m=y2−y1x2−x1=y2−y1=x22−2x2+2−x12=(x2−x1)(x2+x1)−2(x2−1)=(m2+1−m2)(m2+1+m2)−2(m2+1−1)=(1)(m+1)−2m2=1So,   m=1,x1=12,y1=14,x2=32,y2=94−3+2=54\begin{aligned} m&=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}\\ &=y_2-y_1\\ &=x_2^2-2x_2+2-x_1^2\\ \\& =(x_2-x_1)(x_2+x_1)-2(x_2-1)\\ &=\left(\frac{m}{2}+1-\frac{m}{2}\right)\left(\frac{m}{2}+1+\frac{m}{2}\right) -2\left(\frac{m}{2}+1-1\right) \\ &=(1)(m+1)-2\frac{m}{2}\\ &=1\\ \text{So,}~~~m&=1,\qquad x_1=\tfrac{1}{2},\qquad y_1=\frac{1}{4},\qquad x_2=\frac{3}{2},\qquad y_2=\frac{9}{4}-3+2=\frac{5}{4} \end{aligned}

An equation of the common tangent is y=x−14y=x-\frac{1}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.6절 · 1번
# 다항함수의 미분법계산도전자동 분류
6.CLP-1 · 2.6절 · 19번우리말 번역

lim⁡x→2(x2015−22015x−2)\displaystyle \lim_{x\to 2}\left( \dfrac{x^{2015}-2^{2015}}{x-2}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→2(x2015−22015x−2).\displaystyle \lim_{x\to 2}\left( \dfrac{x^{2015}-2^{2015}}{x-2}\right).

정답·풀이 보기

이 극한은 함수 f(x)=x2015f(x)=x^{2015} 의 x=2x=2 에서의 미분계수를 나타낸다. 이는 a=2a=2, f(x)=x2015f(x)=x^{2015} 에 미분계수의 정의를 그대로 적용하면 확인할 수 있다.

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{x2015}∣2=lim⁡x→2x2015−22015x−2\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}\{x^{2015}\}\right|_{2} &=\lim_{x\to2} \frac{x^{2015}-2^{2015}}{x-2} \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수는 2015⋅x20142015\cdot x^{2014} 이므로 x=2x=2 에서의 값은 정확히 2015⋅220142015\cdot 2^{2014} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=2x=2 of the function f(x)=x2015f(x)=x^{2015}. To see this, simply use the definition of the derivative at a=2a=2 with f(x)=x2015f(x)=x^{2015}:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{x2015}∣2=lim⁡x→2x2015−22015x−2\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}\{x^{2015}\}\right|_{2} &=\lim_{x\to2} \frac{x^{2015}-2^{2015}}{x-2} \end{aligned}

Since the derivative of f(x)f(x) is 2015⋅x20142015\cdot x^{2014}, then its value at x=2x=2 is exactly 2015⋅220142015\cdot 2^{2014}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.6절 · 18번
# 다항함수의 미분법계산도전자동 분류
7.CLP-1 · 2.13절 · 19번우리말 번역

f(x)=2x+sin⁡xf(x)=2x+\sin x 라 하자. x=0x=0 을 포함하는 구간 중 f(x)f(x) 가 일대일함수인 가장 큰 구간을 구하세요. f−1(x)f^{-1}(x) 의 정의역과 치역을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=2x+sin⁡xf(x)=2x+\sin x. What is the largest interval containing x=0x=0 over which f(x)f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)f^{-1}(x)?

정답·풀이 보기

2x+sin⁡x2x+\sin x 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간 안의 서로 다른 두 수에 대해 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 aa 와 bb 에 대해 f(a)=f(b)f(a)=f(b) 이면 aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=2+cos⁡xf'(x)=2+\cos x 는 결코 0이 되지 않는다. 실제로 모든 xx 에 대해 f′(x)≥1f'(x)\ge 1 이므로 f(x)f(x) 는 정의역 전체에서 엄격하게 증가한다. 따라서 함수 ff 는 같은 값을 두 번 갖는 일이 결코 없으므로, 모든 실수 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 에서 일대일함수이다.

역함수 f−1(x)f^{-1}(x) 를 정의할 때, ff 의 정의역은 f−1f^{-1} 의 치역이고 그 반대도 마찬가지이다. 일반적으로는 ff 의 정의역(따라서 f−1f^{-1} 의 치역)을 ff 가 일대일함수인 구간으로 제한해야 할 수도 있지만, 이 경우에는 그럴 필요가 없다. 그러므로 f−1f^{-1} 의 치역은 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 이고, f−1f^{-1} 의 정의역은 ff 의 치역인 (−∞,∞)(-\infty,\infty) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If 2x+sin⁡x2x+\sin x 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)f(a)=f(b) for distinct aa and bb, then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc between aa and bb. However, f′(x)=2+cos⁡xf'(x)=2+\cos x, which is never zero. In fact, f′(x)≥1f'(x)\ge 1 for all xx, so f(x)f(x) is strictly increasing over its entire domain. Therefore, our function ff never takes the same value twice, so it is one–to–one over all the real numbers, (−∞,∞)(-\infty,\infty).

When we define the inverse function f−1(x)f^{-1}(x), the domain of ff is the range of f−1f^{-1}, and vice-versa. In general, we might have to restrict the domain of ff (and hence the range of f−1f^{-1}) to an interval where ff is one–to–one, but in our case, this isn't necessary. So, the range of f−1f^{-1} is (−∞,∞)(-\infty,\infty) and the domain of f−1f^{-1} is the range of ff: (−∞,∞)(-\infty,\infty).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3.2절 · 2번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
8.CLP-1 · 2.13절 · 20번우리말 번역

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 라 하자. f(x)f(x) 가 일대일함수가 되는, x=0x=0 을 포함하는 가장 큰 구간은 무엇인가? ff 를 이 구간으로 제한할 때, f−1(x)f^{-1}(x) 의 정의역과 치역은 무엇인가?

영어 원문 보기

Let f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x. What is the largest interval containing x=0x=0 over which f(x)f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)f^{-1}(x), if we restrict ff to this interval?

정답·풀이 보기

f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간의 서로 다른 두 수에서 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 aa, bb 에 대해 f(a)=f(b)f(a)=f(b) 이면 aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x 이므로, 어떤 정수 nn 에 대해 x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} 일 때 f′(x)=0f'(x)=0 이다. 따라서 특히 aa 와 bb 가 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 의 서로 다른 수이면, aa 와 bb 사이에 있는 모든 cc (양 끝은 제외)에 대해 f′(c)≠0f'(c) \neq 0 이므로 롤의 정리에 의해 f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b) 이다. 그러므로 f(x)f(x) 는 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 에서 일대일함수이다.

또한 구간 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 을 더 넓혀서 f(x)f(x) 가 여전히 일대일함수가 되도록 할 수는 없음을 보여야 한다. 도함수 f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x 를 생각하자. −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3} 인 모든 xx 에 대해 cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} 이므로 (cos⁡x\cos x 의 그래프를 직접 그려 보세요) f′(x)>0f'(x)>0 이고 f(x)f(x) 는 증가한다. 그러나 x=2π3x=\frac{2\pi}{3} 에서 f′(x)=0f'(x)=0 이고, xx 가 2π3\frac{2\pi}{3} 보다 조금 크면 cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} 이므로 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f(x)f(x) 는 감소한다. 따라서 그래프가 “방향을 바꾸어” f(x)f(x) 는 같은 값을 다시 갖는다. (y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 아래에서 보세요.) xx 가 −2π3-\frac{2\pi}{3} 보다 조금 작은 경우에도 마찬가지이다.

그림

역함수 f−1(x)f^{-1}(x) 를 정의할 때, 먼저 ff 를 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 로 제한한다. 그러면 f−1f^{-1} 의 치역도 [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] 이다. f−1f^{-1} 의 정의역은 이 구간에서 ff 의 치역이므로 [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right] 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)=x2+sin⁡xf(x)=\dfrac{x}{2}+\sin x 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)f(a)=f(b) for distinct aa and bb, then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc between aa and bb. Since f′(x)=12+cos⁡xf'(x)=\frac{1}{2}+\cos x, f′(x)=0f'(x)=0 when x=2nπ±2π3x=2n\pi\pm\frac{2\pi}{3} for some integer nn. So, in particular, if aa and bb are distinct numbers in the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right], then for every cc strictly between aa and bb, f′(c)≠0f'(c) \neq 0, so by Rolle's Theorem f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b). Therefore f(x)f(x) is one–to–one on the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right].

We should also show that the interval [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right] cannot be extended to a larger interval over which f(x)f(x) is still one–to–one. Consider the derivative f′(x)=12+cos⁡xf'(x) = \frac{1}{2}+\cos x. For all −2π3<x<2π3-\frac{2\pi}{3} < x < \frac{2\pi}{3}, we have cos⁡x>−12\cos x > -\frac{1}{2} (sketch the graph of cos⁡x\cos x yourself) so that f′(x)>0f'(x)>0 and f(x)f(x) is increasing. But at x=2π3x=\frac{2\pi}{3}, f′(x)=0f'(x)=0, and then for xx a bit bigger than 2π3\frac{2\pi}{3} we have cos⁡x<−12\cos x < -\frac{1}{2} so that f′(x)<0f'(x)<0 and f(x)f(x) is decreasing. So the graph “reverses direction", and f(x)f(x) repeats values. (See the graph of y=f(x)y=f(x) below.) The same is true for xx a little smaller than −2π3.-\frac{2\pi}{3}.

figure

When we define the inverse function f−1(x)f^{-1}(x), first we restrict ff to [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. Then the range of f−1f^{-1} is also [−2π3,2π3]\left[-\frac{2\pi}{3},\frac{2\pi}{3}\right]. The domain of f−1f^{-1} is the range of ff over this interval, so [−(π3+32),(π3+32)]\left[-\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right),\left(\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\right].

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 21번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산도전자동 분류
9.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?

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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
10.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?

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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
11.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)?

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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