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

328문제 · 16 / 17쪽

301.CLP-1 · 2.6절 · 14번우리말 번역

f(x)=(3x5+15x3+8)(3x2+8x−5)f(x)=\left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\left(3x^2+8x-5\right) 을 미분하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=(3x5+15x3+8)(3x2+8x−5)f(x)=\left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\left(3x^2+8x-5\right).

정답·풀이 보기

곱의 미분법을 쓰는 것이 전개하는 것보다 빠른 것 같다.

f′(x)=ddx{3x5+15x3+8}(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)ddx{3x2+8x−5}=ddx{3x15+15x13+8}(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)ddx{3x2+8x−5}=(35x−45+5x−23)(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)(6x+8)\begin{aligned} f'(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right\}\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3x^2+8x-5\right\}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3{x}^{\frac{1}{5}}+15{x}^{\frac{1}{3}}+8\right\}\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3x^2+8x-5\right\}\\ &=\left(\frac{3}{5}{x}^{\frac{-4}{5}}+5{x}^{\frac{-2}{3}}\right)\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\left(6x+8\right) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Using the product rule seems faster than expanding.

f′(x)=ddx{3x5+15x3+8}(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)ddx{3x2+8x−5}=ddx{3x15+15x13+8}(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)ddx{3x2+8x−5}=(35x−45+5x−23)(3x2+8x−5)+(3x5+15x3+8)(6x+8)\begin{aligned} f'(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right\}\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3x^2+8x-5\right\}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3{x}^{\frac{1}{5}}+15{x}^{\frac{1}{3}}+8\right\}\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{3x^2+8x-5\right\}\\ &=\left(\frac{3}{5}{x}^{\frac{-4}{5}}+5{x}^{\frac{-2}{3}}\right)\left(3x^2+8x-5\right)+ \left(3\sqrt[5]{x}+15\sqrt[3]{x}+8\right)\left(6x+8\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.6절 · 3번
# 다항함수의 미분법계산보통자동 분류
302.CLP-1 · 2.6절 · 15번우리말 번역

f(x)=(x2+5x+1)(x+x3)xf(x)=\dfrac{(x^2+5x+1)(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x} 을 미분하세요.

영어 원문 보기

Differentiate f(x)=(x2+5x+1)(x+x3)xf(x)=\dfrac{(x^2+5x+1)(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x}.

정답·풀이 보기

몫의 미분법을 피하기 위해 분모로 나누어 식을 정리할 수 있다.

f(x)=(x2+5x+1)(x+x3)x=(x2+5x+1)(x+x3)x=(x2+5x+1)(x−1/2+x−2/3)이제, 곱의 미분법:f′(x)=(2x+5)(x−1/2+x−2/3)+(x2+5x+1)(−12x−3/2−23x−5/3)\begin{aligned} f(x)&=\dfrac{(x^2+5x+1)(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x} =(x^2+5x+1)\dfrac{(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x}\\ &=(x^2+5x+1)(x^{-1/2}+x^{-2/3}) \\ \text{이제, 곱의 미분법:} \\ f'(x)&=(2x+5)(x^{-1/2}+x^{-2/3})+(x^2+5x+1)\left(\frac{-1}{2}x^{-3/2}-\frac{2}{3}x^{-5/3}\right) \end{aligned}

(다르게 간단히 했거나 몫의 미분법을 사용했다면 아마 다른 모양의 답을 얻었을 것이다. 그러나 도함수는 하나뿐이므로, 올바른 답은 모두 충분히 식을 정리하면 같은 모양이 된다.)

원본 교재 풀이(영어)

To avoid the quotient rule, we can divide through the denominator:

f(x)=(x2+5x+1)(x+x3)x=(x2+5x+1)(x+x3)x=(x2+5x+1)(x−1/2+x−2/3)Now, product rule:f′(x)=(2x+5)(x−1/2+x−2/3)+(x2+5x+1)(−12x−3/2−23x−5/3)\begin{aligned} f(x)&=\dfrac{(x^2+5x+1)(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x} =(x^2+5x+1)\dfrac{(\sqrt{x}+\sqrt[3]{x})}{x}\\ &=(x^2+5x+1)(x^{-1/2}+x^{-2/3}) \\ \text{Now, product rule:} \\ f'(x)&=(2x+5)(x^{-1/2}+x^{-2/3})+(x^2+5x+1)\left(\frac{-1}{2}x^{-3/2}-\frac{2}{3}x^{-5/3}\right) \end{aligned}

(If you simplified differently, or used the quotient rule, you probably came up with a different-looking answer. There is only one derivative, though, so all correct answers will look the same after sufficient algebraic manipulation.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.6절 · 14번
# 다항함수의 미분법계산보통자동 분류
303.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).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

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
304.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
305.CLP-1 · 2.13절 · 4번우리말 번역

다음 성질을 만족하는 함수 f(x)f(x) 를 하나 제시하세요.

  • f(x)f(x) 는 열린구간 0<x<100<x<10 에서 미분가능하다.
  • f(0)=0f(0)=0, f(10)=10f(10)=10

그러나 모든 c∈(0,10)c \in (0,10) 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다.

영어 원문 보기

Give a function f(x)f(x) with the properties that:

  • f(x)f(x) is differentiable on the open interval 0<x<100<x<10
  • f(0)=0f(0)=0, f(10)=10f(10)=10

but for all c∈(0,10)c \in (0,10), f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서 미분가능하므로 f(x)f(x) 는 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서 연속이기도 하다. 만약 f(x)f(x) 가 닫힌구간 [0,10][0,10] 에서 연속이라면 평균값 정리에 의해 어떤 c∈(0,10)c \in (0,10) 에 대해 f′(x)=f(10)−f(0)10−0=1f'(x)=\dfrac{f(10)-f(0)}{10-0}=1 이 보장된다. 그러나 이 경우는 그렇지 않다. 따라서 f(x)f(x) 는 모든 x∈(0,10)x \in (0,10) 에서는 연속이지만, 모든 x∈[0,10]x \in [0,10] 에서는 연속이 아니어야 한다.

c∈(0,10)c \in (0,10) 에서 f′(c)=0f'(c)=0 이므로 ff 는 그 구간에서 상수함수이다. 따라서 f(x)f(x) 는 다음과 같은 함수이다.

그림

여기서 상수함수의 높이는 어떤 값이어도 된다.

따라서 가능한 답 중 하나는 f(x)={0x≠1010x=10f(x) = \left\{\begin{array}{lr} 0&x \neq 10\\ 10&x=10 \end{array}\right. 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is differentiable for all x∈(0,10)x \in (0,10), then f(x)f(x) is also continuous for all x∈(0,10)x \in (0,10). If f(x)f(x) were continuous on the closed interval [0,10][0,10], then the MVT would guarantee f′(x)=f(10)−f(0)10−0=1f'(x)=\dfrac{f(10)-f(0)}{10-0}=1 for some c∈(0,10)c \in (0,10); however, this is not the case. So, it must be that f(x)f(x) is continuous for all x∈(0,10)x \in (0,10), but not for all x∈[0,10]x \in [0,10].

Since f′(c)=0f'(c)=0 for c∈(0,10)c \in (0,10), that means ff is constant on that interval. So, f(x)f(x) is a function like this:

figure

where the height of the constant function can be anything.

So, one possible answer is f(x)={0x≠1010x=10f(x) = \left\{\begin{array}{lr} 0&x \neq 10\\ 10&x=10 \end{array}\right..

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 5번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산기본자동 분류
306.CLP-1 · 2.13절 · 11번우리말 번역

함수 f(x)=3x−sin⁡xf(x)=3x-\sin x 의 근은 몇 개인가요?

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=3x−sin⁡xf(x)=3x-\sin x have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

간단히 살펴보면 x=0x=0 은 f(x)f(x) 의 근이다. 이제 다른 근이 있을 수 있는지가 문제이다. f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 또 다른 근 aa 가 있다면 롤의 정리에 의해 00 과 aa 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=3−cos⁡xf'(x)=3-\cos x 는 결코 00 이 되지 않는다. 따라서 두 번째 근은 없으며, f(x)f(x) 의 근은 정확히 하나이다.

원본 교재 풀이(영어)

By inspection, we see x=0x=0 is a root of f(x)f(x). The question now is whether there could possibly be other roots. Since f(x)f(x) is differentiable over all real numbers, if there is another root aa, then by Rolle's Theorem, f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between 00 and aa. However, f′(x)=3−cos⁡xf'(x)=3-\cos x is never zero. So, there is no second root: f(x)f(x) has precisely one root.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 10번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
307.CLP-1 · 2.13절 · 12번우리말 번역

함수 f(x)=(4x+1)416+xf(x)=\dfrac{(4x+1)^4}{16}+x 의 근은 몇 개인가요?

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=(4x+1)416+xf(x)=\dfrac{(4x+1)^4}{16}+x have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이고 미분가능하다. aa 와 bb 가 f(x)f(x) 의 서로 다른 근이면, aa 와 bb 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다(롤의 정리). 그러므로 f′(x)f'(x) 를 생각해 보자. f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 이 식은 간단하여 영점을 직접 구할 수 있다. (4x+1)3+1=0⇔(4x+1)3=−1⇔4x+1=−1⇔4x=−2(4x+1)^3 +1= 0 \quad \Leftrightarrow \quad (4x+1)^3 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x+1 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x=-2 따라서 f′(c)=0f'(c)=0 인 것은 c=−12c=\dfrac{-1}{2} 일 때뿐이다. 도함수의 영점이 하나뿐이라는 사실은 매우 유용하다. 이는 (롤의 정리에 의해) f(x)f(x) 가 서로 다른 근 aa, bb (a<ba<b)를 가지면 반드시 a<−12<ba < \dfrac{-1}{2} < b 여야 함을 뜻한다. 또한 이는 f(x)f(x) 가 a<b<qa<b<q 인 서로 다른 세 근 a,ba,b 와 (예를 들어) qq 를 가질 수 없음을 뜻한다. 그렇게 되면 롤의 정리에 의해 f′(x)f'(x) 가 aa 와 bb 사이에 하나, bb 와 qq 사이에 또 하나, 모두 두 개의 영점을 갖게 되기 때문이다.

지금까지 f(x)f(x) 는 근이 많아야 두 개이며, 근이 두 개 있다면 그 근들이 어디에 있을 수 있는지를 알았다. 그러나 이것만으로는 f(x)f(x) 의 근이 0개, 1개, 2개 중 무엇인지 알 수 없다.

f(x)f(x) 의 근을 눈으로 어림해서 찾기는 쉽지 않다. 하지만 f(x)f(x) 와 f′(x)f'(x) 의 다음 성질을 이용하면 y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 충분히 파악하여 근이 정확히 몇 개인지 알 수 있다.

  • xx 가 ±∞\pm \infty 로 갈 때, f(x)f(x) 는 +∞+\infty 로 간다.
  • 도함수 f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 은 x<−12x<-\frac{1}{2} 일 때 음수이고 x>−12x>-\frac{1}{2} 일 때 양수이다. 즉, f(x)f(x) 는 x<−12x<-\frac{1}{2} 에서 감소하고 x>−12x>-\frac{1}{2} 에서 증가한다.
  • f(−12)=116−12<0f\left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{16}-\frac{1}{2}<0.

따라서 이 함수는 다음 그래프와 비슷한 모양이어야 한다.

그림

다만 xx절편의 위치는 아직 확실하지 않다. 현재 알고 있는 것은 하나는 x=−1/2x=-1/2 의 왼쪽에, 다른 하나는 오른쪽에 있다는 것뿐이다.

xx 가 아주 작은 음수에서 아주 큰 양수로 증가할 때 f(x)f(x) 가 어떻게 변하는지 살펴보자.

  • xx 가 절댓값이 큰 음수일 때, f(x)>0f(x)>0 이다.
  • xx 가 증가하면 f(x)f(x) 는 x=−12x=-\frac{1}{2} 까지 연속적으로 감소하며, 그곳에서 f(x)<0f(x)<0 이다. 특히 f(−1)=6516>0f(-1)=\frac{65}{16}>0 이고 f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 이며 f(x)f(x) 가 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)f(x) 는 −12-\frac{1}{2} 과 −1-1 사이의 어떤 xx 에서 값 0을 갖는다. 더 풀어서 말하면, xx 가 매우 작은 음수에서 −12-\frac{1}{2} 까지 증가하는 동안 f(x)f(x) 는 0을 정확히 한 번 지난다.
  • xx 가 −12-\frac{1}{2} 을 넘어 증가하면 f(x)f(x) 는 연속적으로 증가하여, 음수에서 시작해 xx 가 커질 때 매우 큰 양수가 된다. 특히 f(0)=116>0f(0)=\frac{1}{16}>0 이고 f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 이며 f(x)f(x) 가 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)f(x) 는 −12-\frac{1}{2} 과 00 사이의 어떤 xx 에서 값 0을 갖는다. 따라서 xx 가 −12-\frac{1}{2} 에서 +∞+\infty 가까이로 증가하는 동안 f(x)f(x) 는 다시 0을 정확히 한 번 지난다.

그러므로 f(x)f(x) 의 근은 정확히 두 개이며, 하나는 x<−12x<-\frac{1}{2} 에, 다른 하나는 x>−12x>-\frac{1}{2} 에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The function f(x)f(x) is continuous and differentiable over all real numbers. If aa and bb are distinct roots of f(x)f(x), then f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between aa and bb (Rolle's Theorem). So, let's think about f′(x)f'(x). f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 This is simple enough that we can find its zero explicitly: (4x+1)3+1=0⇔(4x+1)3=−1⇔4x+1=−1⇔4x=−2(4x+1)^3 +1= 0 \quad \Leftrightarrow \quad (4x+1)^3 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x+1 = -1 \quad \Leftrightarrow \quad 4x=-2 Hence f′(c)=0f'(c)=0 only when c=−12c=\dfrac{-1}{2}. That the derivative only has a single zero is very useful. It means (via Rolle's theorem) that if f(x)f(x) has distinct roots aa and bb with a<ba<b, then we must have a<−12<ba < \dfrac{-1}{2} < b. This also means that f(x)f(x) cannot have 3 distinct roots a,ba,b and (say) qq with a<b<qa<b<q, because then Rolle's theorem would imply that f′(x)f'(x) would have two zeros — one between aa and bb and another between bb and qq.

We've learned that f(x)f(x) has at most two roots, and we've learned something about where those roots can exist, if there are indeed two of them. But that means f(x)f(x) could have 0, 1, or 2 roots.

It's not easy to find a root of f(x)f(x) by inspection. But we can get a good enough picture of the graph of y=f(x)y=f(x) to tell exactly how many roots there are, just by exploiting the following properties of f(x)f(x) and f′(x)f'(x).

  • As xx tends to ±∞\pm \infty, f(x)f(x) tends to +∞+\infty.
  • The derivative f′(x)=(4x+1)3+1f'(x)=(4x+1)^3+1 is negative for x<−12x<-\frac{1}{2} and is positive for x>−12x>-\frac{1}{2}. That is, f(x)f(x) is decreasing for x<−12x<-\frac{1}{2} and increasing for x>−12x>-\frac{1}{2}.
  • f(−12)=116−12<0f\left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{1}{16}-\frac{1}{2}<0.

This means the function must look something like the graph below:

figure

except we are unsure of the locations of the xx-intercepts. At present we only know that one is to the left of x=−1/2x=-1/2 and one is to the right.

Note what happens to f(x)f(x) as xx increases from strongly negative values to strongly positive values.

  • When xx is large and negative, f(x)>0f(x)>0.
  • As xx increases, f(x)f(x) decreases continuously until x=−12x=-\frac{1}{2}, where f(x)<0f(x)<0. In particular, since f(−1)=6516>0f(-1)=\frac{65}{16}>0 and f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 and f(x)f(x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that f(x)f(x) takes the value zero for some xx between −12-\frac{1}{2} and −1-1. More descriptively put, as xx increases from hugely negative numbers to −12-\frac{1}{2}, f(x)f(x) passes through zero exactly once.
  • As xx increases beyond −12-\frac{1}{2}, f(x)f(x) increases continuously, starting negative and becoming very large and positive when xx becomes large and positive. In particular, since f(0)=116>0f(0)=\frac{1}{16}>0 and f(−12)<0f\big(-\frac{1}{2}\big)<0 and f(x)f(x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that f(x)f(x) takes the value zero for some xx between −12-\frac{1}{2} and 00. So, as xx increases from −12-\frac{1}{2} to near +∞+\infty, f(x)f(x) again passes through zero exactly once.

So f(x)f(x) must have exactly two roots, one with x<−12x<-\frac{1}{2} and one with x>−12x>-\frac{1}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 36번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
308.CLP-1 · 2.13절 · 13번우리말 번역

함수 f(x)=x3+sin⁡(x5)f(x)=x^3+\sin\left(x^5\right) 의 근은 몇 개인지 구하세요.

영어 원문 보기

How many roots does the function f(x)=x3+sin⁡(x5)f(x)=x^3+\sin\left(x^5\right) have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
  • 살펴보면 f(0)=0f(0)=0 임을 알 수 있으므로 근이 적어도 하나는 있다. 다른 근이 있는지, 있다면 몇 개인지 판단해야 한다.
  • 함수 f(x)f(x) 는 두 항 x3x^3 과 sin⁡(x5)\sin(x^5) 의 합이다. 어떤 수 xx 가 f(x)f(x) 의 근이 되는 것은 그 xx 의 값에서 두 항이 서로 정확히 상쇄될 때, 그리고 그때에 한한다. 즉, xx 가 ff 의 근일 필요충분조건은 x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5) 이다. 다른 근을 찾기 위한 감을 얻도록, 같은 그림에 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) 의 그래프를 그린다. 그러면 f(x)f(x) 의 근은 정확히 두 곡선 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y= -\sin(x^5) 가 만나는 점의 xx 값이다.

그림

  • 그래프를 보면 두 곡선은 ∣x∣>1|x|>1 인 점에서는 결코 만날 수 없다. ∣x∣>1|x|>1 이면 ∣x3∣>1|x^3|>1 이지만 ∣−sin⁡(x5)∣≤1|-\sin (x^5)|\le 1 이므로 x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5) 일 수 없기 때문이다. 즉, f(x)f(x) 의 모든 근은 구간 [−1,1][-1,1] 에 있다.
  • 그래프로 보아 y=x3y=x^3 과 y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) 는 x=0x=0 에서만 만난다고 짐작할 수 있다. 롤의 정리를 이용하여 실제로 그러함을 확인할 수 있다.
  • a≠0a \neq 0 인 근이 있다고 하면, 롤의 정리에 의해 (f(x)f(x) 는 모든 실수 xx 에 대해 연속이고 미분가능하므로) 00 과 aa 사이의 어떤 cc 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 특히, 근 aa 가 있다면 −1-1 과 11 사이에 있음을 이미 알고 있으므로, f(x)f(x) 가 근을 두 개 가지면 어떤 c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) 에 대해 f′(c)=0f'(c)=0 이다.
  • ff 의 도함수는

f′(x)=3x2+5x4cos⁡(x5)=x2(3+5x2cos⁡(x5))f'(x)=3x^2+5x^4\cos\big(x^5\big)=x^2\left(3+5x^2\cos\big(x^5\big)\right)

이다. 따라서 f′(x)=0f'(x)=0 이면 x=0x=0 또는 (3+5x2cos⁡(x5))=0\left(3+5x^2\cos\left(x^5\right)\right)=0 이다. x∈(−1,0)∪(0,1)x \in (-1,0) \cup (0,1) 이면

∣x∣<1  ⟹  ∣x5∣<1<π2  ⟹  cos⁡(x5)>0  ⟹  3+5x2cos⁡(x5)>3  ⟹  f′(x)≠0\begin{aligned} |x|<1 &\implies |x^5|<1<\tfrac{\pi}{2} \implies \cos\big(x^5\big)>0 \\ &\implies 3+5x^2\cos\big(x^5\big) > 3 \\ &\implies f'(x) \neq 0 \end{aligned}

이다. 즉, f′(c)=0f'(c)=0 인 c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) 은 없다. 그러므로 바로 앞의 항목에 따라 f(x)f(x) 의 근은 하나뿐이다.

여기서 f′(x)f'(x) 는 영점이 많음에 주목하자. 사실은 무수히 많다. 그러나 구간 (−1,1)(-1,1) 에서 f′(x)f'(x) 의 근은 x=0x=0 뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)
  • We can see by inspection that f(0)=0f(0)=0, so there is at least one root. We have to determine how many any other roots there are, if any.
  • The function f(x)f(x) is the sum of the two terms x3x^3 and sin⁡(x5)\sin(x^5). A number xx is a root of f(x)f(x) if and only if the two terms cancel each other exactly for that value of xx. That is, xx is a root of ff if and only if x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5). To develope some intuition in our hunt for other roots, we sketch, in the same figure, the graphs y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5). Then the roots of f(x)f(x) are precisely the xx's where the two curves y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y= -\sin(x^5) intersect.

figure

  • Looking at the sketch, we see that the two curves cannot possibly intersect at any point having ∣x∣>1|x|>1 — if ∣x∣>1|x|>1, then ∣x3∣>1|x^3|>1 but ∣−sin⁡(x5)∣≤1|-\sin (x^5)|\le 1 and we cannot possibly have x3=−sin⁡(x5)x^3=-\sin(x^5). That is, all roots of f(x)f(x) are in the interval [−1,1][-1,1].
  • From the sketch, we would probably guess that y=x3y=x^3 and y=−sin⁡(x5)y=-\sin(x^5) cross only at x=0x=0. We can use Rolle's Theorem to verify that that is indeed the case.
  • If there is a root a≠0a \neq 0, then by Rolle's Theorem (since f(x)f(x) is continuous and differentiable for all real numbers xx) f′(c)=0f'(c)=0 for some cc strictly between 00 and aa. In particular, since we already know any roots aa will be between −1-1 and 11, if f(x)f(x) has two roots then f′(c)=0f'(c)=0 for some c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1).
  • The derivative of ff is

f′(x)=3x2+5x4cos⁡(x5)=x2(3+5x2cos⁡(x5))f'(x)=3x^2+5x^4\cos\big(x^5\big)=x^2\left(3+5x^2\cos\big(x^5\big)\right)

So, if f′(x)=0f'(x)=0, then x=0x=0 or (3+5x2cos⁡(x5))=0\left(3+5x^2\cos\left(x^5\right)\right)=0. If x∈(−1,0)∪(0,1)x \in (-1,0) \cup (0,1), then

∣x∣<1  ⟹  ∣x5∣<1<π2  ⟹  cos⁡(x5)>0  ⟹  3+5x2cos⁡(x5)>3  ⟹  f′(x)≠0\begin{aligned} |x|<1 &\implies |x^5|<1<\tfrac{\pi}{2} \implies \cos\big(x^5\big)>0 \\ &\implies 3+5x^2\cos\big(x^5\big) > 3 \\ &\implies f'(x) \neq 0 \end{aligned}

That is, there is no c∈(−1,0)∪(0,1)c \in (-1,0) \cup (0,1) with f′(c)=0f'(c)=0. Therefore, following our last bullet point, f(x)f(x) has only one root.

Note here that f′(x)f'(x) has many zeroes — infinitely many, in fact. However, x=0x=0 is the only root of f′(x)f'(x) in the interval (−1,1)(-1,1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 12번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
309.CLP-1 · 2.13절 · 14번우리말 번역

방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 실수 해를 몇 개 가지는지 구하세요.

영어 원문 보기

How many positive-valued solutions does the equation ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

방정식 ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 양의 해의 개수를 구하려고 한다. 아래 그림은 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 의 그래프이다. ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) 의 해는 y=exy=e^x 와 y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) 가 만나는 점의 xx 값과 정확히 같다.

그림

x≥0x\ge 0 에서 두 그래프는 정확히 한 번 만나는 것으로 보이며, 그 교점은 x=0x=0 과 x=1x=1 사이에 있다. 실제로 [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 이고 [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 이며 f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 0<x<10<x<1 에서 적어도 하나의 근이 존재한다.

그래프가 정확하지 않더라도 두 번째 근이 없음을 보여야 한다.

코사인 함수의 치역이 [−1,1][-1,1] 임을 떠올리자. ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 이면 ex≤4e^x \leq 4 이므로 x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39 이다. 따라서 f(x)f(x) 의 근은 구간 (0,1.4)(0,1.4) 에서만 찾으면 되고, 그 밖에는 근이 없음이 보장된다. 이 구간에서 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8) 이므로 sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0 이고, 따라서 f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0 이다. f′(x)f'(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 갖지 않으므로, 롤의 정리에 의해 f(x)f(x) 는 (0,1.4)(0,1.4) 에서 근을 많아야 하나 가진다(따라서 양의 근은 전체에서 많아야 하나이다). 앞에서 f(x)f(x) 의 근이 (0,1)(0,1) 에 존재함을 이미 보였으므로, ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) 는 양의 해를 정확히 하나 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

We are to find the number of positive solutions to the equation ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x). The figure below contains the graphs of y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x). The solutions to ex=4cos⁡(2x)e^x = 4\cos(2x) are precisely the xx's where y=exy=e^x and y=4cos⁡(2x)y= 4\cos(2x) cross.

figure

It sure looks like there is exactly one crossing with x≥0x\ge 0 and that one crossing is somewhere between x=0x=0 and x=1x=1. Indeed since [ex−4cos⁡(2x)]x=0=−3<0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=0} = -3<0 and [ex−4cos⁡(2x)]x=1>e>0\big[e^x- 4\cos(2x)\big]_{x=1} > e > 0 and f(x)=ex−4cos⁡(2x)f(x)=e^x- 4\cos(2x) is continuous, the intermediate value theorem guarantees that there is at least one root with 0<x<10<x<1.

We still have to show that there is no second root — even if our graphs are not accurate.

Recall that the range of the cosine function is [−1,1][-1,1]. If ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x), then ex≤4e^x \leq 4, so x≤log⁡(4)≈1.39x \leq \log(4)\approx 1.39. So, we only need to search for roots of f(x)f(x) on the interval (0,1.4)(0,1.4): we are guaranteed there are no roots elsewhere. Over this interval, 2x∈(0,2.8)2x \in (0,2.8), so sin⁡(2x)>0\sin(2x)>0, and thus f′(x)=ex+8sin⁡(2x)>0f'(x)=e^x+8\sin(2 x)>0. Since f′(x)f'(x) has no roots in (0,1.4)(0,1.4), we conclude by Rolle's Theorem that f(x)f(x) has at most one root in (0,1.4)(0,1.4) (and so at most one positive root total). Since we've already found that a root of f(x)f(x) exists in (0,1)(0,1), we conclude ex=4cos⁡(2x)e^x=4\cos(2x) has precisely one positive-valued solution.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 34번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
310.CLP-1 · 2.13절 · 16번우리말 번역

구간 [0,T][0, T] 에서 함수 exe^x 에 대해 평균값 정리가 보장하는 점을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the point promised by the Mean Value Theorem for the function exe^x on the interval [0,T][0, T].

정답·풀이 보기

f(x)=exf(x)=e^x 라 하자. f(x)f(x) 는 연속이고 미분가능하므로, 평균값 정리에 의해 00 과 TT 사이에

f′(c)=f(T)−f(0)T−0문제는 이 c 의 값을 구하는 것이다. 풀면:ec=eT−e0Tec=eT−1Tc=log⁡(eT−1T)\begin{aligned} f'(c)&=\frac{f(T)-f(0)}{T-0} \\ \text{문제는 이 $c$ 의 값을 구하는 것이다. 풀면:} \\ e^c&=\frac{e^T-e^0}{T}\\ e^c&=\frac{e^T-1}{T}\\ c&=\log\left(\frac{e^T-1}{T}\right) \end{aligned}

를 만족하는 cc 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

Write f(x)=exf(x)=e^x. Since f(x)f(x) is continuous and differentiable, the Mean Value Theorem asserts that there exists some cc between 00 and TT such that

f′(c)=f(T)−f(0)T−0The problem asks us to find this value of c. Solving:ec=eT−e0Tec=eT−1Tc=log⁡(eT−1T)\begin{aligned} f'(c)&=\frac{f(T)-f(0)}{T-0} \\ \text{The problem asks us to find this value of $c$. Solving:} \\ e^c&=\frac{e^T-e^0}{T}\\ e^c&=\frac{e^T-1}{T}\\ c&=\log\left(\frac{e^T-1}{T}\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 32번
# 롤의 정리와 평균값 정리계산보통자동 분류
311.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
312.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
313.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
314.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
315.CLP-1 · 3.5절 · 4번우리말 번역

f(x)=x2+6x−10f(x)=x^2+6x-10 이다. 구간 [−5,5][-5,5] 에서 최댓값과 최솟값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=x2+6x−10f(x)=x^2+6x-10. Find all global extrema on the interval [−5,5][-5,5]

정답·풀이 보기

최댓값과 최솟값은 구간 (−5,5)(-5,5) 안의 임계점이나 특이점, 또는 끝점 x=5, x=−5x=5,\,x=-5 에서 나타난다.

f′(x)=2x+6f'(x)=2x+6 이다. 이는 모든 실수에서 정의되므로 특이점은 없다. f′(x)=0f'(x)=0 인 경우는 x=−3x=-3 일 때뿐이다. 이 값은 구간 [−5,5][-5,5] 안에 있다. 따라서 확인할 점은 x=−3, x=−5x=-3,\,x=-5, 그리고 x=5x=5 이다.

c−3−55종류임계점끝점끝점f(c)−19−1545\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline c & -3 & -5 & 5 \\ \hline \text{종류} & \text{임계점} & \text{끝점} & \text{끝점} \\ \hline f(c) & -19 & -15 & 45 \\ \hline \end{array}

최댓값은 x=5x=5 에서 45 이고, 최솟값은 x=−3x=-3 에서 −19-19 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Global extrema will occur at critical or singular points in the interval (−5,5)(-5,5) or at the endpoints x=5, x=−5x=5,\,x=-5.

f′(x)=2x+6f'(x)=2x+6. Since this is defined for all real numbers, there are no singular points. The only time f′(x)=0f'(x)=0 is when x=−3x=-3. This is inside the interval [−5,5][-5,5]. So, our points to check are x=−3, x=−5,x=-3,\,x=-5, and x=5x=5.

c−3−55typecritical pointendpointendpointf(c)−19−1545\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline c & -3 & -5 & 5 \\ \hline \text{type} & \text{critical point} & \text{endpoint} & \text{endpoint} \\ \hline f(c) & -19 & -15 & 45 \\ \hline \end{array}

The global maximum is 45 at x=5x=5 and the global minimum is −19-19 at x=−3x=-3.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 5번
# 최댓값·최솟값과 최적화계산보통자동 분류
316.CLP-1 · 3.5절 · 5번우리말 번역

f(x)=23x3−2x2−30x+7f(x)=\dfrac{2}{3}x^3-2x^2-30x+7. 구간 [−4,0][-4,0] 에서 모든 최댓값과 최솟값을 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=23x3−2x2−30x+7f(x)=\dfrac{2}{3}x^3-2x^2-30x+7. Find all global extrema on the interval [−4,0][-4,0].

정답·풀이 보기

최댓값과 최솟값은 구간의 양 끝점 x=−4x=-4, x=0x=0 에서 나타나거나, 구간 안의 특이점 또는 임계점에서 나타난다. f(x)f(x) 는 다항식이므로 모든 점에서 미분가능하고, 따라서 특이점은 없다. 임계점을 구하기 위해 도함수를 0과 같다고 놓는다.

f′(x)=2x2−4x−300=2x2−4x−30=(2x−10)(x+3)x=5, −3\begin{aligned} f'(x)&=2x^2-4x-30\\ 0&=2x^2-4x-30 &=(2x-10)(x+3)\\ x&=5,\,-3 \end{aligned}

구간 안에 있는 임계점은 x=−3x=-3 뿐이다.

c−3−40종류임계점끝점끝점f(c)611573=52+137\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline c & -3 & -4 & 0 \\ \hline \text{종류} & \text{임계점} & \text{끝점} & \text{끝점} \\ \hline f(c) & 61 & \frac{157}{3}=52+\frac{1}{3} & 7 \\ \hline \end{array}

이 구간에서 최댓값은 x=−3x=-3 일 때 6161 이고, 최솟값은 x=0x=0 일 때 77 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Global extrema will occur at the endpoints of the interval, x=−4x=-4 and x=0x=0, or at singular or critical points inside the interval. Since f(x)f(x) is a polynomial, it is differentiable everywhere, so there are no singular points. To find the critical points, we set the derivative equal to zero.

f′(x)=2x2−4x−300=2x2−4x−30=(2x−10)(x+3)x=5, −3\begin{aligned} f'(x)&=2x^2-4x-30\\ 0&=2x^2-4x-30 &=(2x-10)(x+3)\\ x&=5,\,-3 \end{aligned}

The only critical point inside the interval is x=−3x=-3.

c−3−40typecritical pointendpointendpointf(c)611573=52+137\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline c & -3 & -4 & 0 \\ \hline \text{type} & \text{critical point} & \text{endpoint} & \text{endpoint} \\ \hline f(c) & 61 & \frac{157}{3}=52+\frac{1}{3} & 7 \\ \hline \end{array}

The global maximum over the interval is 6161 at x=−3x=-3, and the global minimum is 77 at x=0x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 2번
# 최댓값·최솟값과 최적화계산보통자동 분류
317.CLP-1 · 3.6절 · 4번우리말 번역

f(x)=x(2x+1)(x−7)3x3−81f(x)=\dfrac{x(2x+1)(x-7)}{3x^3-81} 의 모든 점근선을 구하세요.

영어 원문 보기

Find all asymptotes of f(x)=x(2x+1)(x−7)3x3−81f(x)=\dfrac{x(2x+1)(x-7)}{3x^3-81}.

정답·풀이 보기

수직 점근선은 함수가 무한히 커지는 곳에서 생긴다. 유리함수에서는 분모가 0이 될 때에만 이런 일이 일어날 수 있다. 이 문제에서는 x=3x=3 일 때 분모가 0이고, 이때 분자는 147147 이다. 즉 xx 가 3에 한없이 가까워지면 분자는 147에 한없이 가까워지고 분모는 0에 한없이 가까워지므로, ∣f(x)∣|f(x)| 는 한없이 커진다. 따라서 x=3x=3 에서 수직 점근선이 있다.

수평 점근선은 xx 가 양의 무한대와 음의 무한대로 갈 때의 극한을 구하여 찾는다. 이 문제에서는 두 극한이 같으므로 풀이를 하나로 합쳐 쓴다.

lim⁡x→±∞x(2x+1)(x−7)3x3−81=lim⁡x→±∞2x3+ax2+bx+c3x3−81여기서 a, b, c 는 어떤 상수이다. 유리함수에서는 최고차항만 보면 양 끝에서의 변화 양상을 알 수 있고 나머지 항은 영향을 주지 않으므로, 그 값을 굳이 구하지 않는다는 점을 기억하자. 이제 분자와 분모를 분모의 최고차항인 x3 으로 나눈다.=lim⁡x→±∞2x3+ax2+bx+c3x3−81(1x31x3)=lim⁡x→±∞2+ax+bx2+cx33−81x3=2+0+0+03−0=23\begin{aligned} \lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{x(2x+1)(x-7)}{3x^3-81} &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2x^3+ax^2+bx+c}{3x^3-81} \\ \text{여기서 $a$, $b$, $c$ 는 어떤 상수이다. 유리함수에서는 최고차항만 보면 양 끝에서의 변화 양상을 알 수 있고 나머지 항은 영향을 주지 않으므로, 그 값을 굳이 구하지 않는다는 점을 기억하자. 이제 분자와 분모를 분모의 최고차항인 $x^3$ 으로 나눈다.} \\ &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2x^3+ax^2+bx+c}{3x^3-81}\left(\frac{\tfrac{1}{x^3}}{\tfrac{1}{x^3}}\right)\\ &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2+\tfrac{a}{x}+\tfrac{b}{x^2}+\tfrac{c}{x^3}}{3-\tfrac{81}{x^3}}\\ &=\dfrac{2+0+0+0}{3-0}=\frac{2}{3} \end{aligned}

따라서 x→∞x \to \infty 일 때와 x→−∞x \to -\infty 일 때 모두 수평 점근선 y=23y=\dfrac{2}{3} 가 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Vertical asymptotes occur where the function blows up. In rational functions, this can only happen when the denominator goes to 0. In our case, the denominator is 0 when x=3x=3, and in this case the numerator is 147147. That means that as xx gets closer and closer to 3, the numerator gets closer and closer to 147 while the denominator gets closer and closer to 0, so ∣f(x)∣|f(x)| grows without bound. That is, there is a vertical asymptote at x=3x=3.

The horizontal asymptotes are found by taking the limits as xx goes to infinity and negative infinity. In our case, they are the same, so we condense our work.

lim⁡x→±∞x(2x+1)(x−7)3x3−81=lim⁡x→±∞2x3+ax2+bx+c3x3−81where a, b, ad c are some constants. Remember, for rational functions, you can figure out the end behaviour by looking only at the terms with the highest degree–the others won’t matter, so we don’t bother finding them. From here, we divide the numerator and denominator by the highest power of x in the denominator, x3.=lim⁡x→±∞2x3+ax2+bx+c3x3−81(1x31x3)=lim⁡x→±∞2+ax+bx2+cx33−81x3=2+0+0+03−0=23\begin{aligned} \lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{x(2x+1)(x-7)}{3x^3-81} &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2x^3+ax^2+bx+c}{3x^3-81} \\ \text{where $a$, $b$, ad $c$ are some constants. Remember, for rational functions, you can figure out the end behaviour by looking only at the terms with the highest degree--the others won't matter, so we don't bother finding them. From here, we divide the numerator and denominator by the highest power of $x$ in the denominator, $x^3$.} \\ &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2x^3+ax^2+bx+c}{3x^3-81}\left(\frac{\tfrac{1}{x^3}}{\tfrac{1}{x^3}}\right)\\ &=\lim_{x \to \pm \infty}\dfrac{2+\tfrac{a}{x}+\tfrac{b}{x^2}+\tfrac{c}{x^3}}{3-\tfrac{81}{x^3}}\\ &=\dfrac{2+0+0+0}{3-0}=\frac{2}{3} \end{aligned}

So there is a horizontal asymptote of y=23y=\dfrac{2}{3} both as x→∞x \to \infty and as x→−∞x \to -\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 5번
# 함수의 그래프 그리기계산보통자동 분류
318.CLP-1 · 3.6절 · 5번우리말 번역

f(x)=103x−7f(x)=10^{3x-7} 의 모든 점근선을 구하세요.

영어 원문 보기

Find all asymptotes of f(x)=103x−7f(x)=10^{3x-7}.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이므로 수직 점근선은 없다.

수평 점근선을 구하기 위해 lim⁡x→±∞f(x)\displaystyle \lim_{x \to \pm \infty}f(x) 의 값을 구한다.

lim⁡x→∞103x−7=lim⁡X→∞10X⏟치환 X=3x−7=∞따라서 x→∞ 일 때 수평 점근선은 없다.lim⁡x→−∞103x−7=lim⁡X→−∞10X⏟치환 X=3x−7=lim⁡X′→∞10−X′⏟치환 X′=−X=lim⁡X′→∞110X′=0\begin{aligned} \lim_{x \to \infty}10^{3x-7}&=\underbrace{\lim_{X \to \infty}10^X}_{\text{치환 }X=3x-7}=\infty \\ \text{따라서 $x \to \infty$ 일 때 수평 점근선은 없다.} \\ \lim_{x \to -\infty}10^{3x-7}&=\underbrace{\lim_{X \to -\infty}10^{X}}_{\text{치환 }X=3x-7}\\ &=\underbrace{\lim_{X' \to \infty}10^{-X'}}_{\text{치환 }X'=-X}\\ &=\lim_{X' \to \infty}\frac{1}{10^{X'}}\\ &=0 \end{aligned}

즉, y=0y=0 은 x→−∞x \to -\infty 일 때의 수평 점근선이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is continuous over all real numbers, it has no vertical asymptote.

To find the horizontal asymptotes, we evaluate lim⁡x→±∞f(x)\displaystyle \lim_{x \to \pm \infty}f(x).

lim⁡x→∞103x−7=lim⁡X→∞10X⏟let X=3x−7=∞So, there’s no horizontal asymptote as x→∞.lim⁡x→−∞103x−7=lim⁡X→−∞10X⏟let X=3x−7=lim⁡X′→∞10−X′⏟let X′=−X=lim⁡X′→∞110X′=0\begin{aligned} \lim_{x \to \infty}10^{3x-7}&=\underbrace{\lim_{X \to \infty}10^X}_{\text{let }X=3x-7}=\infty \\ \text{So, there's no horizontal asymptote as $x \to \infty$.} \\ \lim_{x \to -\infty}10^{3x-7}&=\underbrace{\lim_{X \to -\infty}10^{X}}_{\text{let }X=3x-7}\\ &=\underbrace{\lim_{X' \to \infty}10^{-X'}}_{\text{let }X'=-X}\\ &=\lim_{X' \to \infty}\frac{1}{10^{X'}}\\ &=0 \end{aligned}

That is, y=0y=0 is a horizontal asymptote as x→−∞x \to -\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.5절 · 30번
# 함수의 그래프 그리기계산보통자동 분류
319.CLP-1 · 3.6절 · 2번우리말 번역

f(x)=exx+3f(x)=\dfrac{e^x}{x+3} 이 증가하는 가장 큰 열린구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the largest open interval on which f(x)=exx+3f(x)=\dfrac{e^x}{x+3} is increasing.

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정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 정의역은 −3-3 을 제외한 모든 실수이다(x=−3x=-3 일 때 분모가 00 이기 때문이다). x≠−3x\neq -3 에서 몫의 미분법으로 미분하면 다음과 같다. f′(x)=ex(x+3)−ex(1)(x+3)2=ex(x+3)2(x+2)f'(x)=\frac{e^x(x+3) - e^x(1)}{(x+3)^2} = \frac{e^x}{(x+3)^2} (x+2) f(x)f(x) 의 정의역에 속하는 모든 xx 에 대해 exe^x 와 (x+3)2(x+3)^2 은 양수이므로, f′(x)f'(x) 의 부호는 x+2x+2 의 부호와 같다. 따라서 f(x)f(x) 는 정의역에 속하면서 x+2>0x+2>0 인 모든 xx 에서 증가한다. 즉, 열린구간 (−2,∞)(-2,\infty) 에서 증가한다.

원본 교재 풀이(영어)

The domain of f(x)f(x) is all real numbers except −3-3 (because when x=−3x=-3 the denominator is zero). For x≠−3x\neq -3, we differentiate using the quotient rule: f′(x)=ex(x+3)−ex(1)(x+3)2=ex(x+3)2(x+2)f'(x)=\frac{e^x(x+3) - e^x(1)}{(x+3)^2} = \frac{e^x}{(x+3)^2} (x+2) Since exe^x and (x+3)2(x+3)^2 are positive for every xx in the domain of f(x)f(x), the sign of f′(x)f'(x) is the same as the sign of x+2x+2. We conclude that f(x)f(x) is increasing for every xx in its domain with x+2>0x+2>0. That is, over the open interval (−2,∞)(-2,\infty).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 4번
# 함수의 증가와 감소계산보통자동 분류
320.CLP-1 · 3.6절 · 3번우리말 번역

함수 f(x)=x−12x+4f(x)=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2x+4} 가 증가하는 가장 큰 열린구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the largest open interval on which f(x)=x−12x+4f(x)=\dfrac{\sqrt{x-1}}{2x+4} is increasing.

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정답·풀이 보기

음수의 제곱근은 취할 수 없으므로 f(x)f(x) 는 x≥1x \ge 1 일 때만 정의된다. 또한 분모가 0이 될 수 없으므로 x=−2x=-2 는 정의역에 속하지 않지만, x≥1x \ge 1 이기만 하면 x≠−2x \ne -2 도 성립한다. 따라서 이 함수의 정의역은 [1,∞)[1,\infty) 이다.

f(x)f(x) 가 증가하는 구간을 찾기 위해 f′(x)f'(x) 가 양수인 곳을 찾는다. f′(x)=2x+42x−1−2x−1(2x+4)2=(x+2)−2(x−1)x−1(2x+4)2=−x+4x−1(2x+4)2f'(x)=\frac{\frac{2x+4}{2\sqrt{x-1}}-2\sqrt{x-1}}{(2x+4)^2} =\frac{(x+2)-2(x-1)}{\sqrt{x-1}(2x+4)^2} =\frac{-x+4}{\sqrt{x-1}(2x+4)^2} 분모는 결코 음수가 아니므로 f(x)f(x) 는 f′(x)f'(x) 의 분자가 양수일 때, 즉 4−x>04-x>0 일 때, 다시 말해 x<4x<4 일 때 증가한다. f(x)f(x) 의 정의역이 [1,+∞)[1,+\infty) 임을 떠올리면, f(x)f(x) 는 열린구간 (1,4)(1,4) 에서 증가한다고 결론짓는다.

원본 교재 풀이(영어)

Since we can't take the square root of a negative number, f(x)f(x) is only defined when x≥1x \ge 1. Furthermore, since we can't have zero as a denominator, x=−2x=-2 is not in the domain — but as long as x≥1x \ge 1, we also have x≠−2x \ne -2. So, the domain of the function is [1,∞)[1,\infty).

In order to find where f(x)f(x) is increasing, we find where f′(x)f'(x) is positive. f′(x)=2x+42x−1−2x−1(2x+4)2=(x+2)−2(x−1)x−1(2x+4)2=−x+4x−1(2x+4)2f'(x)=\frac{\frac{2x+4}{2\sqrt{x-1}}-2\sqrt{x-1}}{(2x+4)^2} =\frac{(x+2)-2(x-1)}{\sqrt{x-1}(2x+4)^2} =\frac{-x+4}{\sqrt{x-1}(2x+4)^2} The denominator is never negative, so f(x)f(x) is increasing when the numerator of f′(x)f'(x) is positive, i.e. when 4−x>04-x>0, or x<4x<4. Recalling that the domain of definition for f(x)f(x) is [1,+∞)[1,+\infty), we conclude that f(x)f(x) is increasing on the open interval (1,4)(1,4).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 2번
# 함수의 증가와 감소계산보통자동 분류