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

8문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.5절 · 56번우리말 풀이

f(x)f(x) 가 세 개의 근을 가지면 변곡점이 11 개 있다.

영어 원문 보기

If f(x)f(x) has three roots, then it has 11 inflection point.

풀이 보기

근이 3개이면 롤의 정리를 두 번 써서 f′′f'' 의 근이 있음을 알 수 있지만, 변곡점의 개수까지는 함수의 종류에 따라 달라요.

  1. 1

    롤의 정리를 두 번 써 봐요. 근이 a<b<ca<b<c 이면 f(a)=f(b)=0f(a)=f(b)=0 이므로 (a,b)(a,b) 에서 f′f' 의 근이 하나, (b,c)(b,c) 에서도 하나 있어요. 이 두 근 사이에 다시 롤의 정리를 쓰면 f′′f'' 의 근이 적어도 하나 있어요.

  2. 2

    삼차함수라면 맞아요. ff 가 삼차함수이면 f′′f'' 는 일차식이라 근이 정확히 하나이고 그 앞뒤에서 부호가 바뀌어요. 그러므로 변곡점이 정확히 11 개예요. 원본 답의 '참, 도함수를 살펴보세요'는 이 경우를 말해요.

  3. 3

    일반 함수에서는 틀려요. f(x)=x4−x2=x2(x−1)(x+1)f(x)=x^4-x^2=x^2(x-1)(x+1) 은 근이 0,±10,\pm1 의 3개지만 f′′(x)=12x2−2f''(x)=12x^2-2 의 부호가 x=±16x=\pm\frac{1}{\sqrt6} 에서 바뀌어 변곡점이 22 개예요. 또 sin⁡x\sin x 처럼 근이 많은 함수도 있어요. 그래서 함수에 대한 조건 없이는 '변곡점이 정확히 1개'라고 할 수 없어요.

답

일반적으로는 거짓(반례 y=x4−x2y=x^4-x^2: 근 3개, 변곡점 2개). 삼차함수라면 참이다

자주 하는 실수

근의 개수와 변곡점의 개수가 늘 같다고 생각하는 실수가 있어요. 변곡점은 f′′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.

원본 교재 풀이(영어)

True, examine derivative

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.4절 · 8번
# 함수의 그래프 그리기증명·논술도전
2.CLP-1 · 2.2절 · 19번우리말 번역

다음 함수의 x=0x=0 에서의 미분계수가 존재하는지 판단하세요.

f(x)={xcos⁡x(x≥0 일 때)x2+x4(x<0 일 때)\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x \cos x & \text{(}x\ge 0\text{ 일 때)}\\ \sqrt{x^2+x^4} & \text{(}x< 0\text{ 일 때)}\end{cases} \end{aligned}

미분계수의 정의를 이용하여 답이 옳음을 보여야 합니다.

영어 원문 보기

Determine whether the derivative of following function exists at x=0x=0.

f(x)={xcos⁡x if x≥0x2+x4 if x<0\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x \cos x & \text{ if } x\ge 0\\ \sqrt{x^2+x^4} & \text{ if } x< 0 \end{cases} \end{aligned}

You must justify your answer using the definition of a derivative.

정답·풀이 보기

다음 극한 lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} 이 존재하면 함수는 x=0x=0 에서 미분가능하다 (x=0x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(0)=0f(0)=0 임을 이용했다). 먼저 좌극한을 계산한다. 이 계산에서 x<0x<0 이면 x2=∣x∣=−x\sqrt{x^2}=|x|=-x 임을 떠올리자. lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−x2+x4x=lim⁡x→0−x21+x2x=lim⁡x→0−x1+x2x=−1\lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-}\frac{\sqrt{x^2+x^4}}{x}=\lim_{x\to 0^-} \frac{\sqrt{x^2}\sqrt{1+x^2}}{x}=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{-x\sqrt{1+x^2}}{x}=-1 이제 우극한을 구하면 lim⁡x→0+xcos⁡xx=lim⁡x→0+cos⁡x=1.\lim_{x\to 0^+}\frac{x\cos x}{x}=\lim_{x\to 0^+}\cos x = 1. 좌극한과 우극한이 같지 않으므로 x=0x=0 에서 미분계수는 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable at x=0x=0 if the following limit: lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} exists (note that we used the fact that f(0)=0f(0)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0x=0). We start by computing the left limit. For this computation, recall that if x<0x<0 then x2=∣x∣=−x\sqrt{x^2}=|x|=-x. lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−x2+x4x=lim⁡x→0−x21+x2x=lim⁡x→0−x1+x2x=−1\lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-}\frac{\sqrt{x^2+x^4}}{x}=\lim_{x\to 0^-} \frac{\sqrt{x^2}\sqrt{1+x^2}}{x}=\lim_{x \rightarrow 0}\frac{-x\sqrt{1+x^2}}{x}=-1 Now, from the right: lim⁡x→0+xcos⁡xx=lim⁡x→0+cos⁡x=1.\lim_{x\to 0^+}\frac{x\cos x}{x}=\lim_{x\to 0^+}\cos x = 1. Since the limit from the left does not equal the limit from the right, the derivative does not exist at x=0x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.2절 · 10번
# 도함수의 뜻증명·논술도전자동 분류
3.CLP-1 · 2.2절 · 20번우리말 번역

다음 함수의 x=0x=0 에서의 미분계수가 존재하는지 판단하세요.

f(x)={xcos⁡x(x≤0 일 때)1+x−1(x>0 일 때)\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x \cos x & \text{(}x\le 0\text{ 일 때)}\\ \sqrt{1+x}-1 & \text{(}x> 0\text{ 일 때)}\end{cases} \end{aligned}

답은 미분계수의 정의를 이용하여 정당화하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the derivative of the following function exists at x=0x=0

f(x)={xcos⁡x if x≤01+x−1 if x>0\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x \cos x & \text{ if } x\le 0\\ \sqrt{1+x}-1 & \text{ if } x> 0 \end{cases} \end{aligned}

You must justify your answer using the definition of a derivative.

정답·풀이 보기

다음 극한이 lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} 존재하면 이 함수는 x=0x=0 에서 미분가능하다 (x=0x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(0)=0f(0)=0 임을 이용했다).

먼저 좌극한을 계산한다.

lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−xcos⁡xx=lim⁡x→0−cos⁡x=1.\begin{aligned} \lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-} \frac{x\cos x}{x} =\lim_{x\to 0^-} \cos x = 1. \end{aligned}

이제 우극한을 계산한다.

lim⁡x→0+1+x−1x=lim⁡x→0+1+x−1x⋅1+x+11+x+1=lim⁡x→0+1+x−1x(1+x+1)=lim⁡x→0+11+x+1=12\begin{aligned} \lim_{x\to 0^+}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x} &= \lim_{x\to 0^+}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x} \cdot \frac{\sqrt{1+x}+1}{\sqrt{1+x}+1} \\ &= \lim_{x\to 0^+} \frac{1+x-1}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \lim_{x\to 0^+} \frac{1}{\sqrt{1+x}+1} = \frac{1}{2} \end{aligned}

좌극한과 우극한이 같지 않으므로 x=0x=0 에서의 미분계수는 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable at x=0x=0 if the following limit: lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} exists (note that we used the fact that f(0)=0f(0)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0x=0).

We start by computing the left limit.

lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−xcos⁡xx=lim⁡x→0−cos⁡x=1.\begin{aligned} \lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-} \frac{x\cos x}{x} =\lim_{x\to 0^-} \cos x = 1. \end{aligned}

Now, from the right:

lim⁡x→0+1+x−1x=lim⁡x→0+1+x−1x⋅1+x+11+x+1=lim⁡x→0+1+x−1x(1+x+1)=lim⁡x→0+11+x+1=12\begin{aligned} \lim_{x\to 0^+}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x} &= \lim_{x\to 0^+}\frac{\sqrt{1+x}-1}{x} \cdot \frac{\sqrt{1+x}+1}{\sqrt{1+x}+1} \\ &= \lim_{x\to 0^+} \frac{1+x-1}{x(\sqrt{1+x}+1)} = \lim_{x\to 0^+} \frac{1}{\sqrt{1+x}+1} = \frac{1}{2} \end{aligned}

Since the limit from the left does not equal the limit from the right, the derivative does not exist at x=0x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.2절 · 21번
# 도함수의 뜻증명·논술도전자동 분류
4.CLP-1 · 2.2절 · 21번우리말 번역

다음 함수의 x=0x=0 에서의 미분계수가 존재하는지 판단하세요.

f(x)={x3−7x2(x≤0 일 때)x3cos⁡(1x)(x>0 일 때)\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x^3-7x^2 & \text{(}x\le 0\text{ 일 때)}\\ x^3 \cos\left(\frac{1}{x}\right) & \text{(}x> 0\text{ 일 때)}\end{cases} \end{aligned}

답은 미분계수의 정의를 이용하여 정당화해야 합니다.

영어 원문 보기

Determine whether the derivative of the following function exists at x=0x=0

f(x)={x3−7x2 if x≤0x3cos⁡(1x) if x>0\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} x^3-7x^2 & \text{ if } x\le 0\\ x^3 \cos\left(\frac{1}{x}\right) & \text{ if } x> 0 \end{cases} \end{aligned}

You must justify your answer using the definition of a derivative.

정답·풀이 보기

다음 극한

lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\begin{aligned} \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} \end{aligned}

이 존재하면 함수는 x=0x=0 에서 미분가능하다(x=0x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(0)=0f(0)=0 임을 이용했음에 주의한다). 좌극한과 우극한을 계산하면

lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−x3−7x2x=lim⁡x→0−x2−7x=0\begin{aligned} \lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-}\frac{x^3-7x^2}{x}=\lim_{x\to 0^-} x^2-7x=0 \end{aligned}

이고

lim⁡x→0+x3cos⁡(1x)x=lim⁡x→0+x2⋅cos⁡(1x).\begin{aligned} \lim_{x\to 0^+}\frac{x^3\cos\left(\frac{1}{x}\right)}{x}=\lim_{x\to 0^+}x^2\cdot \cos\left(\frac{1}{x}\right). \end{aligned}

이 마지막 극한은 조임 정리에 의해 00 이다. 왜냐하면

−1≤cos⁡(1x)≤1\begin{aligned} -1\le \cos\left(\frac{1}{x}\right)\le 1 \end{aligned}

이므로

−x2≤x2⋅cos⁡(1x)≤x2,\begin{aligned} -x^2\le x^2\cdot \cos\left(\frac{1}{x}\right)\le x^2, \end{aligned}

이고, 이 부등식에서 x2≥0x^2\ge 0 임을 이용했기 때문이다. 마지막으로 lim⁡x→0+−x2=lim⁡x→0+x2=0\lim_{x\to 0^+}-x^2=\lim_{x\to 0^+}x^2=0 이므로, 조임 정리에 의해 lim⁡x→0+x2cos⁡(1x)=0\lim_{x\to 0^+}x^2\cos\left(\frac{1}{x}\right) =0 도 성립한다.

좌극한과 우극한이 같으므로(둘 다 00 이다) f(x)f(x) 는 x=0x=0 에서 미분가능하다고 결론짓는다(그리고 x=0x=0 에서의 미분계수는 실제로 00 이다).

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable at x=0x=0 if the following limit:

lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0f(x)−0x=lim⁡x→0f(x)x\begin{aligned} \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0} = \lim_{x\to 0}\frac{f(x)-0}{x}=\lim_{x\to 0} \frac{f(x)}{x} \end{aligned}

exists (note that we used the fact that f(0)=0f(0)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0x=0). We compute left and right limits; so

lim⁡x→0−f(x)x=lim⁡x→0−x3−7x2x=lim⁡x→0−x2−7x=0\begin{aligned} \lim_{x\to 0^-}\frac{f(x)}{x}=\lim_{x\to 0^-}\frac{x^3-7x^2}{x}=\lim_{x\to 0^-} x^2-7x=0 \end{aligned}

and

lim⁡x→0+x3cos⁡(1x)x=lim⁡x→0+x2⋅cos⁡(1x).\begin{aligned} \lim_{x\to 0^+}\frac{x^3\cos\left(\frac{1}{x}\right)}{x}=\lim_{x\to 0^+}x^2\cdot \cos\left(\frac{1}{x}\right). \end{aligned}

This last limit equals 00 by the Squeeze Theorem since

−1≤cos⁡(1x)≤1\begin{aligned} -1\le \cos\left(\frac{1}{x}\right)\le 1 \end{aligned}

and so,

−x2≤x2⋅cos⁡(1x)≤x2,\begin{aligned} -x^2\le x^2\cdot \cos\left(\frac{1}{x}\right)\le x^2, \end{aligned}

where in these inequalities we used the fact that x2≥0x^2\ge 0. Finally, since lim⁡x→0+−x2=lim⁡x→0+x2=0\lim_{x\to 0^+}-x^2=\lim_{x\to 0^+}x^2=0, the Squeeze Theorem yields that also lim⁡x→0+x2cos⁡(1x)=0\lim_{x\to 0^+}x^2\cos\left(\frac{1}{x}\right) =0, as claimed.

Since the left and right limits match (they're both equal to 00), we conclude that indeed f(x)f(x) is differentiable at x=0x=0 (and its derivative at x=0x=0 is actually equal to 00).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.2절 · 2번
# 도함수의 뜻증명·논술도전자동 분류
5.CLP-1 · 2.2절 · 22번우리말 번역

다음 함수의 x=1x=1 에서의 미분계수가 존재하는지 판단하세요.

f(x)={4x2−8x+4(x≤1 일 때)(x−1)2sin⁡(1x−1)(x>1 일 때)\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} 4x^2-8x+4 & \text{(}x\le 1\text{ 일 때)}\\ (x-1)^2\sin\left(\dfrac{1}{x-1}\right) & \text{(}x> 1\text{ 일 때)}\end{cases} \end{aligned}

미분계수의 정의를 이용하여 답을 정당화해야 합니다.

영어 원문 보기

Determine whether the derivative of the following function exists at x=1x=1

f(x)={4x2−8x+4 if x≤1(x−1)2sin⁡(1x−1) if x>1\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} 4x^2-8x+4 & \text{ if } x\le 1\\ (x-1)^2\sin\left(\dfrac{1}{x-1}\right) & \text{ if } x> 1 \end{cases} \end{aligned}

You must justify your answer using the definition of a derivative.

정답·풀이 보기

다음 극한이 lim⁡x→1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1f(x)−0x−1=lim⁡x→1f(x)x−1\lim_{x\to 1}\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x\to 1}\frac{f(x)-0}{x-1}=\lim_{x\to 1} \frac{f(x)}{x-1} 존재하면 함수는 x=1x=1 에서 미분가능하다(점 x=0x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(1)=0f(1)=0 임을 이용했음에 유의한다). 좌극한과 우극한을 각각 계산하면 lim⁡x→1−f(x)x−1=lim⁡x→1−4x2−8x+4x−1=lim⁡x→1−4(x−1)2x−1=lim⁡x→1−4(x−1)=0\lim_{x\to 1^-}\frac{f(x)}{x-1}=\lim_{x\to 1^-}\frac{4x^2-8x+4}{x-1}=\lim_{x\rightarrow 1^-}\frac{4(x-1)^2}{x-1} =\lim_{x\to 1^-} 4(x-1)=0 이고 lim⁡x→1+(x−1)2sin⁡(1x−1)x−1=lim⁡x→1+(x−1)⋅sin⁡(1x−1)\lim_{x\to 1^+}\frac{(x-1)^2\sin\left(\frac{1}{x-1}\right)}{x-1}=\lim_{x\to 1^+}(x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right) 이다. 이 마지막 극한은 조임 정리에 의해 00 이다. 왜냐하면 −1≤sin⁡(1x−1)≤1-1\le \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le 1 이므로 −(x−1)≤(x−1)⋅sin⁡(1x−1)≤x−1-(x-1)\le (x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le x-1 이고, 이 부등식에서 x→1+x\to 1^+ 이면 x−1x-1 이 양의 값을 가진다는 사실을 이용했기 때문이다. 마지막으로 lim⁡x→1+−x+1=lim⁡x→1+x−1=0\lim_{x\to 1^+}-x+1=\lim_{x\to 1^+}x-1=0 이므로, 조임 정리에 의해 lim⁡x→1+(x−1)sin⁡(1x−1)=0\lim_{x\to 1^+}(x-1)\sin\left(\frac{1}{x-1}\right) =0 이기도 하다.

좌극한과 우극한이 서로 같으므로(둘 다 00 이다), f(x)f(x) 는 x=1x=1 에서 미분가능하다고 결론짓는다(그리고 x=1x=1 에서의 미분계수는 실제로 00 이다).

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable at x=1x=1 if the following limit: lim⁡x→1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1f(x)−0x−1=lim⁡x→1f(x)x−1\lim_{x\to 1}\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x\to 1}\frac{f(x)-0}{x-1}=\lim_{x\to 1} \frac{f(x)}{x-1} exists (note that we used the fact that f(1)=0f(1)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0x=0). We compute left and right limits; so lim⁡x→1−f(x)x−1=lim⁡x→1−4x2−8x+4x−1=lim⁡x→1−4(x−1)2x−1=lim⁡x→1−4(x−1)=0\lim_{x\to 1^-}\frac{f(x)}{x-1}=\lim_{x\to 1^-}\frac{4x^2-8x+4}{x-1}=\lim_{x\rightarrow 1^-}\frac{4(x-1)^2}{x-1} =\lim_{x\to 1^-} 4(x-1)=0 and lim⁡x→1+(x−1)2sin⁡(1x−1)x−1=lim⁡x→1+(x−1)⋅sin⁡(1x−1).\lim_{x\to 1^+}\frac{(x-1)^2\sin\left(\frac{1}{x-1}\right)}{x-1}=\lim_{x\to 1^+}(x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right). This last limit equals 00 by the Squeeze Theorem since −1≤sin⁡(1x−1)≤1-1\le \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le 1 and so, −(x−1)≤(x−1)⋅sin⁡(1x−1)≤x−1,-(x-1)\le (x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le x-1, where in these inequalities we used the fact that x→1+x\to 1^+ yields positive values for x−1x-1. Finally, since lim⁡x→1+−x+1=lim⁡x→1+x−1=0\lim_{x\to 1^+}-x+1=\lim_{x\to 1^+}x-1=0, the Squeeze Theorem yields that also lim⁡x→1+(x−1)sin⁡(1x−1)=0\lim_{x\to 1^+}(x-1)\sin\left(\frac{1}{x-1}\right) =0, as claimed.

Since the left and right limits match (they're both equal to 00), we conclude that indeed f(x)f(x) is differentiable at x=1x=1 (and its derivative at x=1x=1 is actually equal to 00).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.2절 · 23번
# 도함수의 뜻증명·논술도전자동 분류
6.CLP-1 · 2.4절 · 17번우리말 번역

f(x)=g(x)h(x)f(x)=\dfrac{g(x)}{h(x)} 를 몫의 미분법으로 미분한 결과가, f(x)=g(x)k(x)⋅k(x)h(x)f(x)=\dfrac{g(x)}{k(x)}\cdot\dfrac{k(x)}{h(x)} 를 곱의 미분법과 몫의 미분법으로 미분한 결과와 같음을 보이세요.

영어 원문 보기

Verify that differentiating f(x)=g(x)h(x)f(x)=\dfrac{g(x)}{h(x)} using the quotient rule gives the same answer as differentiating f(x)=g(x)k(x)⋅k(x)h(x)f(x)=\dfrac{g(x)}{k(x)}\cdot\dfrac{k(x)}{h(x)} using the product rule and the quotient rule.

정답·풀이 보기

First expression, f(x)=g(x)h(x):f′(x)=h(x)g′(x)−g(x)h′(x)h2(x)Second expresson, f(x)=g(x)k(x)⋅k(x)h(x):f′(x)=(k(x)g′(x)−g(x)k′(x)k2(x))(k(x)h(x))+(g(x)k(x))(h(x)k′(x)−k(x)h′(x)h2(x))=k(x)g′(x)−g(x)k′(x)k(x)h(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)k(x)h2(x)=h(x)g′(x)−g(x)h′(x)h2(x)and this is exactly what we got from differentiating the first expression.\begin{aligned} \\ \text{First expression, $f(x)=\dfrac{g(x)}{h(x)}$:} \\ f'(x)&=\frac{h(x)g'(x)-g(x)h'(x)}{h^2(x)} \\ \text{Second expresson, $f(x)=\dfrac{g(x)}{k(x)}\cdot\dfrac{k(x)}{h(x)}$:} \\ f'(x)&=\left(\frac{k(x)g'(x)-g(x)k'(x)}{k^2(x)}\right)\left(\frac{k(x)}{h(x)}\right)+\left(\frac{g(x)}{k(x)}\right)\left(\frac{h(x)k'(x)-k(x)h'(x)}{h^2(x)}\right)\\ &=\frac{k(x)g'(x)-g(x)k'(x)}{k(x)h(x)}+ \frac{g(x)h(x)k'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)k(x)g'(x)-h(x)g(x)k'(x)}{k(x)h^2(x)}+ \frac{g(x)h(x)k'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{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)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)k(x)g'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)g'(x)-g(x)h'(x)}{h^2(x)} \\ \text{and this is exactly what we got from differentiating the first expression.} \\ \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First expression, f(x)=g(x)h(x):f′(x)=h(x)g′(x)−g(x)h′(x)h2(x)Second expresson, f(x)=g(x)k(x)⋅k(x)h(x):f′(x)=(k(x)g′(x)−g(x)k′(x)k2(x))(k(x)h(x))+(g(x)k(x))(h(x)k′(x)−k(x)h′(x)h2(x))=k(x)g′(x)−g(x)k′(x)k(x)h(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)k(x)h2(x)=h(x)g′(x)−g(x)h′(x)h2(x)and this is exactly what we got from differentiating the first expression.\begin{aligned} \\ \text{First expression, $f(x)=\dfrac{g(x)}{h(x)}$:} \\ f'(x)&=\frac{h(x)g'(x)-g(x)h'(x)}{h^2(x)} \\ \text{Second expresson, $f(x)=\dfrac{g(x)}{k(x)}\cdot\dfrac{k(x)}{h(x)}$:} \\ f'(x)&=\left(\frac{k(x)g'(x)-g(x)k'(x)}{k^2(x)}\right)\left(\frac{k(x)}{h(x)}\right)+\left(\frac{g(x)}{k(x)}\right)\left(\frac{h(x)k'(x)-k(x)h'(x)}{h^2(x)}\right)\\ &=\frac{k(x)g'(x)-g(x)k'(x)}{k(x)h(x)}+ \frac{g(x)h(x)k'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)k(x)g'(x)-h(x)g(x)k'(x)}{k(x)h^2(x)}+ \frac{g(x)h(x)k'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{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)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)k(x)g'(x)-g(x)k(x)h'(x)}{k(x)h^2(x)}\\ &=\frac{h(x)g'(x)-g(x)h'(x)}{h^2(x)} \\ \text{and this is exactly what we got from differentiating the first expression.} \\ \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 4번
# 다항함수의 미분법증명·논술도전자동 분류
7.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
8.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