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

59문제 · 3 / 3쪽

41.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
42.CLP-1 · 2.4절 · 4번우리말 번역

ff 를 미분가능한 함수라 하자. 적어도 세 가지 서로 다른 규칙을 사용하여 g(x)=3f(x)g(x)=3f(x) 를 미분하고, 모두 같은 답을 주는지 확인하세요.

영어 원문 보기

Let ff be a differentiable function. Use at least three different rules to differentiate g(x)=3f(x)g(x)=3f(x), and verify that they all give the same answer.

정답·풀이 보기

창의적으로 생각하면 미분하는 방법을 많이 찾을 수 있다!

상수배: g′(x)=3f′(x)g'(x)=3f'(x).

곱의 미분법: g′(x)=ddx{3}f(x)+3f′(x)=0f(x)+3f′(x)=3f′(x)g'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{3\}f(x)+3f'(x)=0f(x)+3f'(x)=3f'(x).

합의 미분법: g′(x)=ddx{f(x)+f(x)+f(x)}=f′(x)+f′(x)+f′(x)=3f′(x)g'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+f(x)+f(x)\}=f'(x)+f'(x)+f'(x)=3f'(x).

몫의 미분법: g′(x)=ddx{f(x)13}=13f′(x)−f(x)(0)19=13f′(x)19=9(13)f′(x)=3f′(x)g'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{f(x)}{\frac{1}{3}}\right\}= \frac{\frac{1}{3}f'(x)-f(x)(0)}{\frac{1}{9}}=\frac{\frac{1}{3}f'(x)}{\frac{1}{9}}=9\left(\frac{1}{3}\right)f'(x)=3f'(x).

모든 규칙이 g′(x)=3f′(x)g'(x)=3f'(x) 를 준다.

원본 교재 풀이(영어)

If you're creative, you can find lots of ways to differentiate!

Constant multiple: g′(x)=3f′(x)g'(x)=3f'(x).

Product rule: g′(x)=ddx{3}f(x)+3f′(x)=0f(x)+3f′(x)=3f′(x)g'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{3\}f(x)+3f'(x)=0f(x)+3f'(x)=3f'(x).

Sum rule: g′(x)=ddx{f(x)+f(x)+f(x)}=f′(x)+f′(x)+f′(x)=3f′(x)g'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)+f(x)+f(x)\}=f'(x)+f'(x)+f'(x)=3f'(x).

Quotient rule: g′(x)=ddx{f(x)13}=13f′(x)−f(x)(0)19=13f′(x)19=9(13)f′(x)=3f′(x)g'(x)=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{f(x)}{\frac{1}{3}}\right\}= \frac{\frac{1}{3}f'(x)-f(x)(0)}{\frac{1}{9}}=\frac{\frac{1}{3}f'(x)}{\frac{1}{9}}=9\left(\frac{1}{3}\right)f'(x)=3f'(x).

All rules give g′(x)=3f′(x)g'(x)=3f'(x).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.4절 · 16번
# 다항함수의 미분법증명·논술기본자동 분류
43.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
44.CLP-1 · 2.13절 · 6번우리말 번역

함수 f(x)=∣x∣f(x)=\sqrt{|x|} 가 기울기 113\frac{1}{13} 인 접선을 갖는 점이 존재함을 보이려고 한다. 다음 풀이에서 잘못된 부분을 모두 찾고, 올바른 증명을 쓰세요.

함수 f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이고 미분가능하므로 평균값 정리를 적용할 수 있다. f(−4)=2f(-4)=2 이고 f(9)=3f(9)=3 이므로, 평균값 정리에 의해 다음을 만족하는 c∈(−4,9)c \in (-4,9) 가 존재한다. f′(x)=3−29−(−4)=113f'(x) = \dfrac{3-2}{9-(-4)}=\dfrac{1}{13}.

영어 원문 보기

Suppose you want to show that a point exists where the function f(x)=∣x∣f(x)=\sqrt{|x|} has a tangent line with slope 113\frac{1}{13}. Find the mistake(s) in the following work, and give a correct proof.

The function f(x)f(x) is continuous and differentiable over all real numbers, so the mean value theorem applies. f(−4)=2f(-4)=2 and f(9)=3f(9)=3, so by the mean value theorem, there exists some c∈(−4,9)c \in (-4,9) such that f′(x)=3−29−(−4)=113f'(x) = \dfrac{3-2}{9-(-4)}=\dfrac{1}{13}.

정답·풀이 보기

함수 f(x)f(x) 는 모든 실수에서 연속이지만, x≠0x \neq 0 일 때만 미분가능하다. 따라서 평균값 정리를 적용하려면 구간이 양수만으로 또는 음수만으로 이루어져야 한다. 구간 (−4,13)(-4,13) 은 적절하지 않다.

평균값 정리를 이용해서 원하는 것을 증명할 수 있다. a=1a=1, b=144b=144 이면 구간 (1,144)(1,144) 에 0이 포함되지 않으므로 f(x)f(x) 는 이 구간에서 미분가능하고, f(x)f(x) 는 모든 곳에서 연속이다. 따라서 평균값 정리에 의해 f′(x)=∣144∣−∣1∣144−1=11143=113f'(x)=\dfrac{\sqrt{|144|}-\sqrt{|1|}}{144-1}=\dfrac{11}{143}=\dfrac{1}{13} 인 점 cc 가 존재한다.

그렇지만 그런 점이 존재함을 보이는 더 쉬운 방법은 평균값 정리를 쓰지 않고 그 점을 직접 찾는 것이다. x>0x>0 일 때 f(x)=xf(x)=\sqrt{x} 이므로 f′(x)=12xf'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt {x}} 이다. 그러면 f′(1694)=113f'\left(\dfrac{169}{4}\right)=\dfrac{1}{13} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The function f(x)f(x) is continuous over all real numbers, but it is only differentiable when x≠0x \neq 0. So, if we want to apply the MVT, our interval must consist of only positive numbers or only negative numbers: the interval (−4,13)(-4,13) is not valid.

It is possible to use the mean value theorem to prove what we want: if a=1a=1 and b=144b=144, then f(x)f(x) is differentiable over the interval (1,144)(1,144) (since 0 is not contained in that interval), and f(x)f(x) is continuous everywhere, so by the mean value theorem there exists some point cc where f′(x)=∣144∣−∣1∣144−1=11143=113f'(x)=\dfrac{\sqrt{|144|}-\sqrt{|1|}}{144-1}=\dfrac{11}{143}=\dfrac{1}{13}.

That being said, an easier way to prove that a point exists is to simply find it–without using the MVT. When x>0x>0, f(x)=xf(x)=\sqrt{x}, so f′(x)=12xf'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt {x}}. Then f′(1694)=113f'\left(\dfrac{169}{4}\right)=\dfrac{1}{13}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 7번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술기본자동 분류
45.CLP-1 · 2.13절 · 7번우리말 번역

f(x)=x2−2πx+cos⁡(x)−1f(x)=x^2-2\pi x+ \cos(x)-1 이라 하자. f′(c)=0f'(c)=0 인 실수 cc 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=x2−2πx+cos⁡(x)−1f(x)=x^2-2\pi x+ \cos(x)-1. Show that there exists a real number cc such that f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(0)=f(2π)=0f(0)=f(2\pi)=0 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(이 함수는 모든 실수에서 미분가능하다) 다음을 만족하는 cc 가 (0,2π)(0,2\pi) 에 존재한다고 결론지을 수 있다. f′(c)=f(2π)−f(0)2π−0=0.f'(c)=\frac{f(2\pi)- f(0)}{2\pi - 0} = 0.

원본 교재 풀이(영어)

We note that f(0)=f(2π)=0f(0)=f(2\pi)=0. Then using the Mean Value Theorem (note that the function is differentiable for all real numbers), we conclude that there exists cc in (0,2π)(0,2\pi) such that f′(c)=f(2π)−f(0)2π−0=0.f'(c)=\frac{f(2\pi)- f(0)}{2\pi - 0} = 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 4번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술보통자동 분류
46.CLP-1 · 2.13절 · 8번우리말 번역

f(x)=ex+(1−e)x2−1f(x)=e^x + (1-e)x^2 - 1 이라 하자. f′(c)=0f'(c)=0 인 실수 cc 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=ex+(1−e)x2−1f(x)=e^x + (1-e)x^2 - 1. Show that there exists a real number cc such that f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(이 함수는 모든 실수에서 미분가능하다) 다음을 만족하는 c∈(0,1)c\in (0,1) 이 존재함을 얻는다. f′(c)=f(1)−f(0)1−0=0.f'(c)=\frac{f(1)- f(0)}{1 - 0} = 0.

원본 교재 풀이(영어)

We note that f(0)=f(1)=0f(0)=f(1)=0. Then using the Mean Value Theorem (note that the function is differentiable for all real numbers), we get that there exists c∈(0,1)c\in (0,1) such that f′(c)=f(1)−f(0)1−0=0.f'(c)=\frac{f(1)- f(0)}{1 - 0} = 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 9번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술보통자동 분류
47.CLP-1 · 2.13절 · 9번우리말 번역

f(x)=3+sin⁡(x)+(x−π)2f(x)=\sqrt{3 + \sin(x)} + (x - \pi)^2 이라 하자. f′(c)=0f'(c)=0 인 실수 cc 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=3+sin⁡(x)+(x−π)2f(x)=\sqrt{3 + \sin(x)} + (x - \pi)^2. Show that there exists a real number cc such that f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(0)=f(2π)=3+π2f(0)=f(2\pi)=\sqrt{3} + \pi^2 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(3+sin⁡x>03+\sin x>0 이므로 이 함수는 모든 실수에서 미분가능하다) 다음을 만족하는 c∈(0,2π)c\in (0,2\pi) 가 존재함을 얻는다. f′(c)=f(2π)−f(0)2π−0=0.f'(c)=\frac{f(2\pi)- f(0)}{2\pi - 0} = 0.

원본 교재 풀이(영어)

We note that f(0)=f(2π)=3+π2f(0)=f(2\pi)=\sqrt{3} + \pi^2. Then using the Mean Value Theorem (note that the function is differentiable for all real numbers since 3+sin⁡x>03+\sin x>0), we get that there exists c∈(0,2π)c\in (0,2\pi) such that f′(c)=f(2π)−f(0)2π−0=0.f'(c)=\frac{f(2\pi)- f(0)}{2\pi - 0} = 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.13절 · 6번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술보통자동 분류
48.CLP-1 · 2.13절 · 10번우리말 번역

f(x)=xcos⁡(x)−xsin⁡(x)f(x)=x\cos(x) - x\sin(x) 라 하자. f′(c)=0f'(c)=0 인 실수 cc 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=xcos⁡(x)−xsin⁡(x)f(x)=x\cos(x) - x\sin(x). Show that there exists a real number cc such that f′(c)=0f'(c)=0.

정답·풀이 보기

f(0)=0f(0)=0 이고 f(π/4)=0f(\pi/4)=0 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(이 함수는 모든 실수에서 미분가능함에 유의한다) c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) 이고 f′(c)=f(π/4)−f(0)π/4−0=0.f'(c)=\frac{f(\pi/4)- f(0)}{\pi/4 - 0} = 0. 인 cc 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We note that f(0)=0f(0)=0 and f(π/4)=0f(\pi/4)=0. Then using the Mean Value Theorem (note that the function is differentiable for all real numbers), we get that there exists c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) such that f′(c)=f(π/4)−f(0)π/4−0=0.f'(c)=\frac{f(\pi/4)- f(0)}{\pi/4 - 0} = 0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.4절 · 30번
# 롤의 정리와 평균값 정리증명·논술보통자동 분류
49.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
50.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
51.CLP-1 · 3.6절 · 5번우리말 번역

f(x)=x4−x6ex2f(x)=\frac{x^4-x^6}{e^{x^2}} f(x)f(x) 가 우함수임을 보이세요.

영어 원문 보기

f(x)=x4−x6ex2f(x)=\frac{x^4-x^6}{e^{x^2}} Show that f(x)f(x) is even.

정답·풀이 보기

함수가 우함수이려면 f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) 이어야 한다.

f(−x)=(−x)4−(−x)6e(−x)2=x4−x6ex2=f(x)\begin{aligned} f(-x)&=\frac{(-x)^4-(-x)^6}{e^{(-x)^2}}\\ &=\frac{x^4-x^6}{e^{x^2}}\\ &=f(x) \end{aligned}

따라서 f(x)f(x) 는 우함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

A function is even if f(−x)=f(x)f(-x)=f(x).

f(−x)=(−x)4−(−x)6e(−x)2=x4−x6ex2=f(x)\begin{aligned} f(-x)&=\frac{(-x)^4-(-x)^6}{e^{(-x)^2}}\\ &=\frac{x^4-x^6}{e^{x^2}}\\ &=f(x) \end{aligned}

So, f(x)f(x) is even.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 4번
# 함수의 그래프 그리기증명·논술보통자동 분류
52.CLP-1 · 3.6절 · 6번우리말 번역

f(x)=sin⁡(x)+cos⁡(x2)f(x)=\sin(x)+\cos\left(\frac{x}{2}\right) f(x)f(x) 가 주기함수임을 보이세요.

영어 원문 보기

f(x)=sin⁡(x)+cos⁡(x2)f(x)=\sin(x)+\cos\left(\frac{x}{2}\right) Show that f(x)f(x) is periodic.

정답·풀이 보기

임의의 실수 xx 에 대해 f(x)=f(x+4π)f(x)=f(x+4\pi) 임을 보이겠다.

f(x+4π)=sin⁡(x+4π)+cos⁡(x+4π2)=sin⁡(x+4π)+cos⁡(x2+2π)=sin⁡(x)+cos⁡(x2)=f(x)\begin{aligned} f(x+4\pi)&=\sin(x+4\pi)+\cos\left(\frac{x+4\pi}{2}\right)\\ &=\sin(x+4\pi)+\cos\left(\frac{x}{2}+2\pi\right)\\ &=\sin(x)+\cos\left(\frac{x}{2}\right)\\ &=f(x) \end{aligned}

따라서 f(x)f(x) 는 주기함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

For any real number xx, we will show that f(x)=f(x+4π)f(x)=f(x+4\pi).

f(x+4π)=sin⁡(x+4π)+cos⁡(x+4π2)=sin⁡(x+4π)+cos⁡(x2+2π)=sin⁡(x)+cos⁡(x2)=f(x)\begin{aligned} f(x+4\pi)&=\sin(x+4\pi)+\cos\left(\frac{x+4\pi}{2}\right)\\ &=\sin(x+4\pi)+\cos\left(\frac{x}{2}+2\pi\right)\\ &=\sin(x)+\cos\left(\frac{x}{2}\right)\\ &=f(x) \end{aligned}

So, f(x)f(x) is periodic.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 5번
# 함수의 그래프 그리기증명·논술보통자동 분류
53.Active Calculus · 1.3절 · 12번우리말 번역

중국의 인구 PP (단위: 십억 명)를 함수 P(t)=1.15(1.014)tP(t) = 1.15(1.014)^t 으로 근사할 수 있다고 하자. 여기서 tt 는 1993년 초부터 지난 햇수이다.

(a) 이 모델에 따르면, 1993년 1월 1일부터 2000년 1월 1일까지 중국 인구의 총 변화량은 얼마였습니까? 이 기간 동안 인구의 평균변화율은 얼마입니까? 이 평균변화율은 2000년 1월 1일의 인구의 순간변화율보다 큽니까, 작습니까? 모든 답에 알맞은 단위를 반드시 포함하여 설명하고 근거를 제시하세요. (b) 이 모델에 따르면, 2012년 1월 1일부터 시작하는 10년 동안 중국 인구의 평균변화율은 얼마입니까? 구하세요. (c) 오늘 날짜에서 인구의 정확한 순간변화율을 나타내는, 극한을 포함한 식을 쓰세요. 그런 다음 이 극한의 값을 어림하고(어떤 방법으로 어림하기로 했는지 설명하세요), 구한 값의 의미를 단위를 포함하여 설명하세요. (d) 오늘 날짜로 주어지는 tt 의 값에 해당하는 점에서 함수 y=P(t)y = P(t) 의 접선의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose that the population, PP, of China (in billions) can be approximated by the function P(t)=1.15(1.014)tP(t) = 1.15(1.014)^t where tt is the number of years since the start of 1993.

(a) According to the model, what was the total change in the population of China between January 1, 1993 and January 1, 2000? What will be the average rate of change of the population over this time period? Is this average rate of change greater or less than the instantaneous rate of change of the population on January 1, 2000? Explain and justify, being sure to include proper units on all your answers. (b) According to the model, what is the average rate of change of the population of China in the ten-year period starting on January 1, 2012? (c) Write an expression involving limits that, if evaluated, would give the exact instantaneous rate of change of the population on today's date. Then estimate the value of this limit (discuss how you chose to do so) and explain the meaning (including units) of the value you have found. (d) Find an equation for the tangent line to the function y=P(t)y = P(t) at the point where the tt-value is given by today's date.

정답·풀이 보기

(a) 먼저 P(7)−P(0)=115(1.014)7−115(1.014)0≈0.1175P(7)-P(0) = 115(1.014)^7-115(1.014)^0 \approx 0.1175 십억 명이 총 인구 변화량이다. 따라서 이 기간의 평균변화율은 AV[0,7]=0.11757≈0.01679AV_{[0,7]}=\frac{0.1175}{7} \approx 0.01679 십억 명/년이다. t=7t = 7 에서의 인구의 순간변화율은 P′(7)=lim⁡h→0AV[7,7+h]=lim⁡h→0115(1.014)7+h−115(1.014)7h P'(7) = \lim_{h \to 0} AV_{[7,7+h]} = \lim_{h \to 0} \frac{115(1.014)^{7+h}-115(1.014)^7}{h}\, 이고, 작은 hh 값들로 이 값을 어림하면 P′(7)≈0.1762P'(7) \approx 0.1762 이다. 그러므로 t=7t = 7 에서의 순간변화율은 구간 [0,7][0,7] 에서 PP 의 평균변화율보다 크다. (b) 평균변화율의 공식을 이용하면, AV[19,29]=1.15(1.014)29−1.15(1.014)1929−19≈0.02234AV_{[19,29]}=\frac{1.15(1.014)^{29}-1.15(1.014)^{19}}{29-19} \approx 0.02234 십억 명/년이다. (c) 오늘 날짜를 2015년 7월 1일이라고 하면 t=22.5t = 22.5 이므로 P′(22.5)P'(22.5) 를 계산하면 된다. 극한의 정의에 따라 P′(22.5)=lim⁡h→0115(1.014)22.5+h−115(1.014)22.5h .P'(22.5) = \lim_{h \to 0} \frac{115(1.014)^{22.5+h}-115(1.014)^{22.5}}{h}\,. 작은 hh 값들로 이 극한을 어림하면 P′(22.5)≈0.02186P'(22.5) \approx 0.02186 이고, 단위는 십억 명/년이다. (d) 기울기가 P′(22.5)≈0.02186P'(22.5) \approx 0.02186 이고 점 (22.5,P(22.5))(22.5, P(22.5)) 를 지나는 접선의 방정식을 구하면 된다. 점-기울기 꼴을 이용하면, 이 직선은 y−1.57236=0.02186(t−22.5) y - 1.57236 = 0.02186(t-22.5)\, 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) First, P(7)−P(0)=115(1.014)7−115(1.014)0≈0.1175P(7)-P(0) = 115(1.014)^7-115(1.014)^0 \approx 0.1175 billion people is the total population change. It follows that the average rate of change over this time period is AV[0,7]=0.11757≈0.01679AV_{[0,7]}=\frac{0.1175}{7} \approx 0.01679 billion people per year. The instantaneous rate of change of the population at t=7t = 7 is P′(7)=lim⁡h→0AV[7,7+h]=lim⁡h→0115(1.014)7+h−115(1.014)7h ,P'(7) = \lim_{h \to 0} AV_{[7,7+h]} = \lim_{h \to 0} \frac{115(1.014)^{7+h}-115(1.014)^7}{h}\,, and approximating this quantity with small values of hh, it follows that P′(7)≈0.1762P'(7) \approx 0.1762. Hence, the instantaneous rate of change at t=7t = 7 is greater than the average rate of change of PPon the interval [0,7][0,7]. (b) Using the formula for average rate of change, AV[19,29]=1.15(1.014)29−1.15(1.014)1929−19≈0.02234AV_{[19,29]}=\frac{1.15(1.014)^{29}-1.15(1.014)^{19}}{29-19} \approx 0.02234 billion people/year. (c) We will say that today's date is July 1, 2015, which means that t=22.5t = 22.5, so we want to compute P′(22.5)P'(22.5). The limit definition tells us that P′(22.5)=lim⁡h→0115(1.014)22.5+h−115(1.014)22.5h .P'(22.5) = \lim_{h \to 0} \frac{115(1.014)^{22.5+h}-115(1.014)^{22.5}}{h}\,. Estimating this limit by using small values of hh, we determine that P′(22.5)≈0.02186P'(22.5) \approx 0.02186, which is measured in billions of people per year. (d) We want the equation of the tangent line that has slope P′(22.5)≈0.02186P'(22.5) \approx 0.02186 and that passes through the point (22.5,P(22.5))(22.5, P(22.5)). Using point-slope form, it follows that the line is given by y−1.57236=0.02186(t−22.5) .y - 1.57236 = 0.02186(t-22.5)\,.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.3절 · 13번
# 평균변화율과 미분계수증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
54.Active Calculus · 1.5절 · 8번우리말 번역

공중으로 수직으로 던져 올린 공의 속도는 v(t)=16−32tv(t) = 16 - 32t 로 주어진다. 여기서 vv 는 초당 피트로, tt 는 초로 측정한다. 공은 t=0t = 0 부터 t=2t = 2 까지 공중에 떠 있다.

(a) 공의 속도가 가장 큰 때는 언제인지 구하세요. (b) v′(1)v'(1) 의 값을 구하세요. 그렇게 생각한 근거를 설명하세요. (c) v′(1)v'(1) 의 값의 단위는 무엇인지 구하세요. 이 값과 그에 해당하는 단위는 시각 t=1t = 1 에서 공의 움직임에 대해 무엇을 말해 주는지 설명하세요. (d) 함수 v′(t)v'(t) 의 물리적 의미는 무엇인지 설명하세요.

영어 원문 보기

The velocity of a ball that has been tossed vertically in the air is given by v(t)=16−32tv(t) = 16 - 32t, where vv is measured in feet per second, and tt is measured in seconds. The ball is in the air from t=0t = 0 until t=2t = 2.

(a) When is the ball's velocity greatest? (b) Determine the value of v′(1)v'(1). Justify your thinking. (c) What are the units on the value of v′(1)v'(1)? What does this value and the corresponding units tell you about the behavior of the ball at time t=1t = 1? (d) What is the physical meaning of the function v′(t)v'(t)?

정답·풀이 보기

(a) v(t)=16−32tv(t) = 16-32t 는 기울기가 음수인 −32-32 인 일차함수이므로 감소함수이다. 이 함수를 t=0t = 0 부터 t=2t=2 까지 살펴보므로, 속도는 왼쪽 끝점인 t=0t=0 일 때 가장 크다. 이때의 가장 큰 속도는 v(0)=16v(0) = 16 피트/초이다. (b) vv 는 일차함수이므로 기울기가 상수이고, 따라서 이 함수의 모든 접선의 기울기는 함수가 나타내는 직선의 기울기와 같다. 그러므로 v′(1)=−32v'(1) = -32 이다. (c) vv 는 초당 피트로, tt 는 초로 측정하므로 v′(1)v'(1) 의 단위는 “초당 피트 매 초”이다. v′(1)=−32v'(1) = -32 이므로, 이는 공의 속도가 매 초 초당 32피트의 비율로 감소하고 있음을 뜻한다. 즉, t=1t = 1 에서 공의 속도가 얼마이든, 그다음 1초 동안 속도가 (정확히) 초당 3232 피트만큼 감소할 것으로 기대할 수 있다. (보통은 이 전체 감소량이 정확한 값이 아니라 근삿값이지만, 속도 함수가 일차함수이므로 전체 변화량을 정확하게 계산할 수 있다.) (d) 속도의 순간변화율이 바로 공의 가속도이다. 실제로 v′(t)v'(t) 는 공의 속도가 어떻게 변하는지를 알려 주며, 속도가 초당 피트 매 초 단위로 −32-32 라는 일정한 비율로 변함을 나타낸다. 이는 중력에 의한 가속도가 상수라는 사실과도 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Observe that v(t)=16−32tv(t) = 16-32t is a linear function with negative slope −32-32, and thus decreasing. Since the function is of interest from t=0t = 0 to t=2t=2, the velocity is greatest at the left endpoint, when t=0t=0. This greatest velocity is v(0)=16v(0) = 16 feet per second. (b) Since vv is a linear function, its slope is constant, and hence the slope of every tangent line to the function is the same as the slope of the line the function generates. Thus, v′(1)=−32v'(1) = -32. (c) Because vv is measured in feet per second and tt in seconds, the units on v′(1)v'(1) are “feet per second per second.” Knowing that v′(1)=−32v'(1) = -32, this tells us that the ball's velocity is decreasing at a rate of 32 feet per second per second; that is, for whatever the ball's velocity is at t=1t = 1, we would expect the velocity to decrease by (exactly) 3232 feet per second over the next one second. (Normally this total decrease would be approximate, not exact, but since the velocity function is linear, we can compute the exact total change.) (d) The instantaneous rate of change of velocity is precisely the acceleration of the ball. Indeed, v′(t)v'(t) tells us how the ball's velocity changes, and that it does so at a constant rate of −32-32 feet per second per second. This is also consistent with the fact that acceleration due to gravity is constant.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.3절 · 8번
# 평균변화율과 미분계수증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
55.Active Calculus · 1.7절 · 10번우리말 번역

함수 g(x)=∣x∣g(x) = \sqrt{|x|} 를 생각하세요.

(a) 그래프를 이용하여 gg 가 x=0x = 0 에서 미분가능하지 않은 이유를 시각적으로 설명하세요. (b) 도함수의 극한 정의를 이용하여 다음을 보이세요. g′(0)=lim⁡h→0∣h∣h .g'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h}\,. (c) (b)의 극한을 절댓값이 작은 양수와 음수 hh 의 값으로 어림하여 g′(0)g'(0) 의 값을 알아보세요. 예를 들어 ∣−0.01∣0.01\frac{\sqrt{|-0.01|}}{0.01} 을 계산해 볼 수 있습니다. 0.01보다 0에 더 가까운 값을 포함하여 서로 다른 hh 의 값을 (양수와 음수 모두) 여러 개 사용하세요. 이 결과는 g′(0)g'(0) 에 대해 무엇을 말해 주는지 설명하세요. (d) (a)의 그래프를 이용하여 y=g′(x)y = g'(x) 의 대략적인 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Consider the function g(x)=∣x∣g(x) = \sqrt{|x|}.

(a) Use a graph to explain visually why gg is not differentiable at x=0x = 0. (b) Use the limit definition of the derivative to show that g′(0)=lim⁡h→0∣h∣h .g'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h}\,. (c) Investigate the value of g′(0)g'(0) by estimating the limit in (b) using small positive and negative values of hh. For instance, you might compute ∣−0.01∣0.01\frac{\sqrt{|-0.01|}}{0.01}. Be sure to use several different values of hh (both positive and negative), including ones closer to 0 than 0.01. What do your results tell you about g′(0)g'(0)? (d) Use your graph in (a) to sketch an approximate graph of y=g′(x)y = g'(x).

정답·풀이 보기

(a) 아래 (d)의 그림에서 왼쪽에 나타난 것처럼, gg 는 x=0x = 0 에서 뾰족한 꼭짓점을 가지므로 이 점에서 gg 는 미분가능하지 않다. 정의에 따라 다음을 얻는다. g′(0)=lim⁡h→0g(0+h)−g(0)h=lim⁡h→0g(h)−g(0)h=lim⁡h→0∣h∣−∣0∣h=lim⁡h→0∣h∣h\begin{aligned}g'(0) & = \lim_{h \to 0} \frac{g(0+h) - g(0)}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{g(h) - g(0)}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|} - \sqrt{|0|}}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h}\end{aligned} (b) 다음 표에 hh 가 작은 값일 때 ∣h∣h\frac{\sqrt{|h|}}{h} 의 값을 기록하였다.

hh 0.10.1 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001 −0.1-0.1 −0.01-0.01 −0.001-0.001 −0.0001-0.0001
∥h∥/h\sqrt{\|h\|}/h 3.1623.162 1010 31.6231.62 100100 −3.162-3.162 −10-10 −31.62-31.62 −100-100
이 결과는 다른 관점에서도 g′(0)g'(0) 이 존재하지 않음을 보여 준다. 절댓값이 작은 음수 hh 에 대해 평균변화율은 음수이고 한없이 더 작아진다. 작은 양수 hh 에 대해서는 평균변화율이 양수이고 한없이 증가한다. 따라서 lim⁡h→0∣h∣h\lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h} 은 존재하지 않는다.
(c) g′g' 의 대략적인 그래프는 아래 그림의 오른쪽에 나타나 있다.
![왼쪽은 g(x) = sqrt x 의 그래프이다. 이 그래프는 가로 방향으로 열린 포물선의 두 조각으로 이루어져 있다. x gt 0 일 때는 포물선 x = y 2 의 위쪽 절반이고, x lt 0 일 때는 포물선의 위쪽 절반이다.](activecalc/1_7_Ez4_Soln-updated.svg)
원본 교재 풀이(영어)

(a) As seen at left in the figure below in part (d), gg has a sharp corner point at x=0x = 0, which makes gg not differentiable at this point. By definition, we know g′(0)=lim⁡h→0g(0+h)−g(0)h=lim⁡h→0g(h)−g(0)h=lim⁡h→0∣h∣−∣0∣h=lim⁡h→0∣h∣h\begin{aligned}g'(0) & = \lim_{h \to 0} \frac{g(0+h) - g(0)}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{g(h) - g(0)}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|} - \sqrt{|0|}}{h} \\ & = \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h}\end{aligned} (b) In the following table, we record the values of ∣h∣h\frac{\sqrt{|h|}}{h} for small values of hh.

hh 0.10.1 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001 −0.1-0.1 −0.01-0.01 −0.001-0.001 −0.0001-0.0001
∥h∥/h\sqrt{\|h\|}/h 3.1623.162 1010 31.6231.62 100100 −3.162-3.162 −10-10 −31.62-31.62 −100-100
These results show from a different perspective that g′(0)g'(0) does not exist. For small negative hh values, the difference quotient is negative and getting more negative without bound. For small positive values of hh, the difference quotient is positive and increasing without bound. This shows that lim⁡h→0∣h∣h\lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{|h|}}{h} does not exist.
(c) An approximate graph of g′g' is shown at right in the figure below.
![At left, the graph of g(x) = sqrt x . The graph consists of two pieces of parabolas that open horizontally: for x gt 0, we have the top half of the parabola x = y 2; for x lt 0, we have the top half](activecalc/1_7_Ez4_Soln-updated.svg)
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.7절 · 8번
# 미분가능성과 연속성증명·논술자동 분류
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56.Active Calculus · 2.1절 · 11번우리말 번역

f(x)=axf(x) = a^x 라 하자. 이 문제의 목표는 이 절의 앞부분에서 제시하고 사용했던 ddx[ax]\frac{d}{dx}[a^x] 의 공식을 안다고 가정하지 않고, aa 의 값이 f(x)f(x) 의 도함수에 어떤 영향을 주는지 알아보는 것이다.

(a) 도함수의 극한 정의를 이용하여 다음을 보이세요. f′(x)=lim⁡h→0ax⋅ah−axh .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^x \cdot a^h - a^x}{h}\,. (b) 다음 등식도 성립하는 이유를 설명하세요. f′(x)=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = a^x \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h}\,. (c) 계산 도구와 작은 hh 의 값을 이용하여 a=2a = 2 일 때 L=lim⁡h→0ah−1hL = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} 의 값을 어림하세요. a=3a = 3 일 때도 마찬가지로 하세요. (d) 극한 LL 의 값이 11 이면 이상적이라는 점에 주목하자. 그러면 ff 는 매우 특별한 함수가 되는데, 그 도함수가 단지 axa^x 이므로 도함수가 자기 자신이 되기 때문이다. 22 와 33 사이의 여러 aa 의 값을 시험해 보면서 L=lim⁡h→0ah−1h=1L = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} = 1 이 되는 aa 의 값을 찾아보세요. (e) ln⁡(2)\ln(2) 와 ln⁡(3)\ln(3) 의 값을 계산하세요. (b)와 (c)에서 한 작업은 ddx[2x]\frac{d}{dx}[2^x] 와 ddx[3x]\frac{d}{dx}[3^x] 에 대해 어떤 사실을 암시하나요? (f) (d)에서 한 탐구는 함수 f(x)=exf(x) = e^x 에 관한 어떤 특별히 중요한 사실로 이어지나요?

영어 원문 보기

Let f(x)=axf(x) = a^x. The goal of this problem is to explore how the value of aa affects the derivative of f(x)f(x), without assuming we know the rule for ddx[ax]\frac{d}{dx}[a^x] that we have stated and used in earlier work in this section.

(a) Use the limit definition of the derivative to show that f′(x)=lim⁡h→0ax⋅ah−axh .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^x \cdot a^h - a^x}{h}\,. (b) Explain why it is also true that f′(x)=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = a^x \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h}\,. (c) Use computing technology and small values of hh to estimate the value of L=lim⁡h→0ah−1hL = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} when a=2a = 2. Do likewise when a=3a = 3. (d) Note that it would be ideal if the value of the limit LL was 11, for then ff would be a particularly special function: its derivative would be simply axa^x, which would mean that its derivative is itself. By experimenting with different values of aa between 22 and 33, try to find a value for aa for which L=lim⁡h→0ah−1h=1 .L = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} = 1\,. (e) Compute ln⁡(2)\ln(2) and ln⁡(3)\ln(3). What does your work in (b) and (c) suggest is true about ddx[2x]\frac{d}{dx}[2^x] and ddx[3x]\frac{d}{dx}[3^x]? (f) How do your investigations in (d) lead to a particularly important fact about the function f(x)=exf(x) = e^x?

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해 f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\,. f(x)=axf(x)=a^x 이고 ax+h=ax⋅aha^{x+h} = a^x \cdot a^h 임을 이용하면 f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0ax+h−axh=lim⁡h→0ax⋅ah−axh=lim⁡h→0ax(ah−1)h ,\begin{aligned}f'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x+h}-a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x} \cdot a^{h} - a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h}\end{aligned}\,, 이다. 여기서 마지막 등호는 분자의 각 항에서 공통인수 axa^x 을 묶어 내면 성립한다. (b) axa^x 은 hh 에 전혀 의존하지 않으므로, 이 극한에서 axa^x 을 상수로 취급할 수 있다. 따라서 f′(x)=lim⁡h→0ax(ah−1)h=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h} = a^{x} \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}\,. 이는 axa^x 의 도함수가 axa^x 의 어떤 상수 배임을 알려 준다. (그리고 그 상수의 값은 lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} 이어야 한다.) (c) h=±0.0001h = \pm 0.0001 을 이용하면, a=2a = 2 일 때 L≈0.6931L \approx 0.6931 이고 a=3a = 3 일 때 L≈1.0986L \approx 1.0986 인 것으로 보인다. (d) 시험해 보면, 먼저 a≈2.7a \approx 2.7 임을 알 수 있다(L≈0.993L \approx 0.993 이므로 aa 는 2.72.7 보다 조금 더 커야 한다). LL 이 11 에 점점 더 가까워지는 aa 의 값을 계속 시험하면 a≈2.71828a \approx 2.71828 을 얻는다(L≈1.000L \approx 1.000 이 되는 값). (e) ln⁡(2)≈0.6931\ln(2) \approx 0.6931 이고 ln⁡(3)≈1.0986\ln(3) \approx 1.0986 임에 주목하자. 이 값들은 a=2a = 2 와 a=3a = 3 일 때 lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} 의 값과 일치하므로, ddx[2x]=2x⋅ln⁡(2)\frac{d}{dx}[2^x] = 2^x \cdot \ln(2) 그리고 ddx[3x]=3x⋅ln⁡(3)\frac{d}{dx}[3^x] = 3^x \cdot \ln(3) 이라고 추측한다. (f) 위의 작업은 ddx[ax]=ax⋅ln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \cdot \ln(a) 임을 암시하며, a=e≈2.71828a = e \approx 2.71828 일 때 ddx[ex]=ex⋅ln⁡(e)=ex\frac{d}{dx}[e^x] = e^x \cdot \ln(e) = e^x 이다. 따라서 exe^x 은 매우 특별한 함수이다. 그 도함수가 자기 자신이다!

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition, f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\,. Using the fact that f(x)=axf(x)=a^x along with ax+h=ax⋅aha^{x+h} = a^x \cdot a^h, we have f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0ax+h−axh=lim⁡h→0ax⋅ah−axh=lim⁡h→0ax(ah−1)h ,\begin{aligned}f'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x+h}-a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x} \cdot a^{h} - a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h}\end{aligned}\,, where the last equality follows by removing the common factor of axa^x from each term in the numerator. (b) Since axa^x does not depend at all on hh, we may treat axa^x as constant in the noted limit. Thus, f′(x)=lim⁡h→0ax(ah−1)h=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h} = a^{x} \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}\,. Note that this tells us that the derivative of axa^x is some constant multiple of axa^x (and that the constant's values must be lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}.) (c) Using h=±0.0001h = \pm 0.0001, it appears that when a=2a = 2, L≈0.6931L \approx 0.6931, while when a=3a = 3, L≈1.0986L \approx 1.0986. (d) By experimenting, we see first that a≈2.7a \approx 2.7 (for which L≈0.993L \approx 0.993, so aa needs to be slightly bigger than 2.72.7). Continuing to try values of aa that result in LL being closer and closer to 11, we find a≈2.71828a \approx 2.71828 (for which L≈1.000L \approx 1.000) (e) We note that ln⁡(2)≈0.6931\ln(2) \approx 0.6931 and ln⁡(3)≈1.0986\ln(3) \approx 1.0986. Since these values correspond to the values of lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} when a=2a = 2 and a=3a = 3, we conjecture that ddx[2x]=2x⋅ln⁡(2)\frac{d}{dx}[2^x] = 2^x \cdot \ln(2) and ddx[3x]=3x⋅ln⁡(3)\frac{d}{dx}[3^x] = 3^x \cdot \ln(3) (f) Our work suggests that ddx[ax]=ax⋅ln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \cdot \ln(a), and when a=e≈2.71828a = e \approx 2.71828, it follows that ddx[ex]=ex⋅ln⁡(e)=ex\frac{d}{dx}[e^x] = e^x \cdot \ln(e) = e^x Thus, exe^x is a very special function: its derivative is itself!

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.6절 · 12번
# 다항함수의 미분법증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
57.Active Calculus · 3.3절 · 12번우리말 번역

함수 g(x)g(x) 가 x≠2x \ne 2 인 모든 xx 의 값에서 연속이고, 그 1계 도함수가 g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} 라고 하자. 또한 gg 가 x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖는 것으로 알려져 있다고 가정하자.

(a) gg 의 모든 임계수를 구하세요. (b) 1계 도함수의 부호표를 정확히 표기하여 만들고, 각 임계수에서 gg 가 극댓값을 갖는지, 극솟값을 갖는지, 아니면 둘 다 갖지 않는지 판단하세요. 참고: g′(x)g'(x) 는 g(x)g(x) 의 수직 점근선에서 부호가 바뀔 수 있음에 유의하세요. (c) gg 는 최댓값을 갖나요? 최솟값을 갖나요? 그 근거를 설명하세요. (d) lim⁡x→∞g′(x)\lim_{x \to \infty} g'(x) 의 값은 얼마인가요? 이 극한값은 gg 의 장기적인 변화 양상에 대해 무엇을 말해 주나요? (e) y=g(x)y = g(x) 의 가능한 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Suppose that g(x)g(x) is a function continuous for every value of x≠2x \ne 2 whose first derivative is g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2}. Further, assume that it is known that gg has a vertical asymptote at x=2x = 2.

(a) Determine all critical numbers of gg. (b) By developing a carefully labeled first derivative sign chart, decide whether gg has as a local maximum, local minimum, or neither at each critical number. Note: observe that g′(x)g'(x) can change sign at the vertical asymptote of g(x)g(x). (c) Does gg have a global maximum? global minimum? Justify your claims. (d) What is the value of lim⁡x→∞g′(x)\lim_{x \to \infty} g'(x)? What does the value of this limit tell you about the long-term behavior of gg? (e) Sketch a possible graph of y=g(x)y = g(x).

정답·풀이 보기

(a) g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} 이므로 g′(x)=0g'(x) = 0 이면 x=−4x = -4 또는 x=1x = 1 임을 알 수 있다. x=2x = 2 는 g′g' 을 정의되지 않게 하지만, gg 가 x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖는다고 하였으므로 x=2x = 2 는 gg 의 정의역에 속하지 않고, 따라서 엄밀히 말해 gg 의 임계수가 아니다. 그럼에도 수직 점근선은 g′g' 의 부호가 바뀔 수 있는 위치이므로, 1계 도함수의 부호표에는 x=2x = 2 를 표시한다. (b) 1계 도함수의 부호표는 x<−4x < -4 일 때 g′(x)>0g'(x) > 0, −4<x<1-4 < x < 1 일 때 g′(x)<0g'(x) < 0, 1<x<21 < x < 2 일 때 g′(x)<0g'(x) < 0, x>2x > 2 일 때 g′(x)>0g'(x) > 0 임을 보여 준다. 1계 도함수 판정법에 의해 gg 는 x=−4x = -4 에서 극댓값을 갖고, x=1x = 1 에서는 극댓값도 극솟값도 갖지 않는다. 이 두 값이 유일한 임계수이므로, 극값이 가능한 위치는 이 두 곳뿐이다. (참고: gg 가 x=2x = 2 에서 감소에서 증가로 바뀌지만, 이는 수직 점근선 때문이며 gg 는 그곳에서 극솟값을 갖지 않는다.) (c) gg 는 x→2−x \to 2^- 일 때 (이곳에서 gg 는 수직 점근선을 갖는다) 감소하므로 gg 는 최솟값을 갖지 않는다. x>2x > 2 에서 gg 는 항상 증가하므로 gg 가 최댓값을 갖지 않을 것으로 짐작된다. (다만 gg 가 한없이 증가하는지는 확실히 알지 못한다.) (d) 다음을 관찰하자. lim⁡x→∞g′(x)=(lim⁡x→∞(x+4)(x−1)2x−2=(lim⁡x→∞x3+2x2−7x+4x−2⋅1x1x=(lim⁡x→∞x2+2x−7+4x1−2x=(∞\begin{aligned}\lim_{x \to \infty} g'(x) =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^3 + 2x^2 - 7x + 4}{x-2} \cdot \frac{\frac{1}{x}}{\frac{1}{x}} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^2 + 2x - 7 + \frac{4}{x}}{1 - \frac{2}{x}} \\ =\mathstrut & \infty\end{aligned} x→∞x \to \infty 일 때 g′(x)→∞g'(x) \to \infty 이므로, 이는 x→∞x \to \infty 일 때 gg 가 한없이 증가함을 말해 준다. (e) 위의 모든 풀이로부터 gg 는 x=−4x = -4 에서 극댓값을 갖고, x=1x = 1 에서는 극댓값도 극솟값도 갖지 않으면서 수평인 접선을 가지며, x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖고, 또한 x→∞x \to \infty 일 때 gg 와 g′g' 이 모두 한없이 증가함을 알 수 있다. 따라서 gg 의 가능한 그래프는 다음과 같다. 이 그림에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2}, we see that g′(x)=0g'(x) = 0 implies that x=−4x = -4 or x=1x = 1. While x=2x = 2 makes g′g' undefined, we are told that gg has a vertical asymptote at x=2x = 2, so x=2x = 2 is not in the domain of gg, and hence is technically not a critical number of gg. Nonetheless, we place x=2x = 2 on our first derivative sign chart since the vertical asymptote is a location at which g′g' may change sign. (b) The first derivative sign chart shows that g′(x)>0g'(x) > 0 for x<−4x < -4, g′(x)<0g'(x) < 0 for −4<x<1-4 < x < 1, g′(x)<0g'(x) < 0 for 1<x<21 < x < 2, and g′(x)>0g'(x) > 0 for x>2x > 2. By the first derivative test, gg has a local maximum at x=−4x = -4 and neither a max nor min at x=1x = 1. As these are the only two critical numbers, these are the only two locations for possible extremes. (Note: although gg changes from decreasing to increasing at x=2x = 2, this is due to a vertical asymptote, and gg does not have a minimum there.) (c) Because gg is decreasing as x→2−x \to 2^- (where gg has a vertical asymptote), gg does not have a global minimum. For x>2x > 2, gg is always increasing, which suggests that gg does not have a global maximum (though we do not know for sure that gg increases without bound). (d) We observe that lim⁡x→∞g′(x)=(lim⁡x→∞(x+4)(x−1)2x−2=(lim⁡x→∞x3+2x2−7x+4x−2⋅1x1x=(lim⁡x→∞x2+2x−7+4x1−2x=(∞\begin{aligned}\lim_{x \to \infty} g'(x) =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^3 + 2x^2 - 7x + 4}{x-2} \cdot \frac{\frac{1}{x}}{\frac{1}{x}} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^2 + 2x - 7 + \frac{4}{x}}{1 - \frac{2}{x}} \\ =\mathstrut & \infty\end{aligned} Since g′(x)→∞g'(x) \to \infty as x→∞x \to \infty, this tells us that gg increases without bound as x→∞x \to \infty. (e) From all of our work above, we know that gg has a local maximum at x=−4x = -4, a horizontal tangent line with neither a max nor min at x=1x = 1, and a vertical asymptote at x=2x = 2, plus gg and g′g' both increase without bound as x→∞x \to \infty. Thus, a possible graph of gg is the following. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.3절 · 13번
# 극대와 극소증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
58.Active Calculus · 3.6절 · 9번우리말 번역

정사각형 밑면과 닫힌 윗면을 가진 직육면체 상자를 두 가지 재료로 만들려고 합니다. 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이고, 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00입니다. 상자에 $15를 쓸 수 있다면, 상자에 담을 수 있는 가장 큰 부피는 얼마입니까? 미적분을 사용하여 답을 완전히 정당화하세요.

영어 원문 보기

A rectangular box with a square bottom and closed top is to be made from two materials. The material for the sides costs $1.50 per square foot and the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot. If you are willing to spend $15 on the box, what is the largest volume it can contain? Justify your answer completely using calculus.

정답·풀이 보기

xx 를 정사각형 밑면의 한 변의 길이, hh 를 옆면의 높이라고 하자. 먼저 상자의 부피 VV 는 V=x2hV = x^2 h 이고, 상자의 겉넓이는 S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh 임에 주목한다. 넓이가 x2x^2 인 정사각형 면이 두 개(밑면과 윗면) 있고, 넓이가 xhxh 인 똑같은 옆면이 네 개 있기 때문이다. 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00이고 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이므로, 겉넓이가 SS 인 상자의 총비용은

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,

이다.

우리는 $15를 들여 만들 수 있는 부피가 가장 큰 상자에 관심이 있다. 이 비용 조건에 의해

15=6x2+6xh 15 = 6x^2 + 6xh\, 이고, 이를 hh 에 대해 풀면 hh 를 xx 의 함수로 나타낼 수 있다. 그렇게 하면 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2 이므로

h=15−6x26x h = \frac{15-6x^2}{6x}\,

이다. 이 관계를 이용하면 상자의 부피 VV 를 변수 xx 하나의 함수로 나타낼 수 있다. hh 의 식을 대입하면

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,

이다. 특히 상자가 만들어지려면 x>0x > 0 이고 h>0h > 0 이어야 함에 유의한다. 뒤의 조건과 h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} 로부터 15−6x2>015 - 6x^2 > 0 이어야 하므로 x2<156x^2 < \frac{15}{6}, 즉 x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다. 따라서 V(x)V(x) 의 정의역은 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다.

x→0+x \to 0^+ 또는 x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^- 일 때 상자는 사라지고(부피는 0에 가까워지고), 따라서 최댓값은 이 두 값 사이의 임계수에서 나타나야 함이 분명하다. VV 를 미분하면 V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2 이다. 정의역에서 VV 의 모든 임계수를 찾기 위해 V′(x)=0V'(x) = 0 을 풀면 x2=1518x^2 = \frac{15}{18} 이고, 따라서 x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}} 이므로 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 에 속하는 임계수는 x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} 뿐이다. 최솟값 V=0V = 0 이 양 끝점에서 나타나므로, 최댓값은 V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 세제곱피트이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let xx be the length of one side of the square bottom and hh the height of one of the sides. We first note that the volume, VV, of the box is V=x2hV = x^2 h, and the surface area of the box is S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh, since there are two square sides (bottom and top) of area x2x^2 and four identical sides of area xhxh. Since the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot and the material for the sides costs $1.50 per square foot, it follows that the total cost of a box with surface area SS is

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh .C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,.

We are interested in building box of largest volume for which we spend $15. This cost constraint implies that

15=6x2+6xh ,15 = 6x^2 + 6xh\,, which allows us to express hh as a function of xx by solving for hh. Doing so, we see that 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2, so

h=15−6x26x .h = \frac{15-6x^2}{6x}\,. Using this relationship, we are now able to express the volume, VV, of the box as a function of the single variable xx. Subsituting the expression for hh, we have

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 .V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,. Note particularly that in order to have a box, we require that both x>0x > 0 and h>0h > 0. The latter condition along with the fact that h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} shows that we need 15−6x2>015 - 6x^2 > 0, and thus x2<156x^2 < \frac{15}{6}, so x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Hence we are considering V(x)V(x) on the domain 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}.

It is apparent that the box vanishes (and its volume tends to zero) as either x→0+x \to 0^+ or x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^-, and thus the absolute maximum volume must appear between these values at a critical number. Differentiating VV, we find that V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2. Solving V′(x)=0V'(x) = 0 to find all critical numbers of VV in the domain, we see that x2=1518x^2 = \frac{15}{18}, and thus x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}}, so only x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} is a critical number that lies in 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Noting that the absolute minimum volume V=0V = 0 occurs at each endpoint, it must be the case that the absolute maximum volume is V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 cubic feet.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 4번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
59.Active Calculus · 3.6절 · 11번우리말 번역

높이가 각각 60 ft, 80 ft인 두 수직 기둥이 평평한 땅 위에 밑면 사이의 거리 100 ft를 두고 서 있습니다. 케이블을 한 기둥의 꼭대기에서 두 기둥 사이의 땅 위의 한 점까지 늘인 다음, 다시 다른 기둥의 꼭대기까지 늘입니다. 필요한 케이블 길이의 가능한 최솟값은 얼마인가요? 미적분을 이용하여 답을 완전하게 정당화하세요.

영어 원문 보기

Two vertical poles of heights 60 ft and 80 ft stand on level ground, with their bases 100 ft apart. A cable that is stretched from the top of one pole to some point on the ground between the poles, and then to the top of the other pole. What is the minimum possible length of cable required? Justify your answer completely using calculus.

정답·풀이 보기

먼저 전체 상황을 정확하게 그림으로 나타낸다. 케이블이 땅에 닿는 점이 첫 번째 기둥에서 떨어진 거리를 xx, 첫 번째 기둥 꼭대기에서 땅까지의 케이블 길이를 yy, 땅에서 두 번째 기둥 꼭대기까지의 케이블 길이를 zz라 하자. 다음 그림과 같다. 주어진 기둥의 높이와 기둥 사이의 거리도 함께 나타내었다.

높이가 60과 80인 두 수직 기둥이 100피트 떨어져 있는 그림이다. 두 기둥 사이의 수평 선분 위에 첫 번째 기둥 꼭대기에서 내려온 케이블이 닿는 위치가 x로 표시되어 있다.

사용되는 케이블의 전체 길이 LL(이것을 최소로 하려 한다)은 L=y+zL = y + z 이다. 이 상황의 기하적 관계를 이용하여 yy 와 zz 를 모두 xx 로 나타낼 수 있다. 첫 번째 직각삼각형에서 피타고라스 정리에 의해 x2+602=y2x^2 + 60^2 = y^2 이므로 y=x2+3600y = \sqrt{x^2 + 3600} 이다. 두 번째 직각삼각형에서 가로 변의 길이는 100−x100-x 이므로 (100−x)2+802=z2(100-x)^2 + 80^2 = z^2 이고, 따라서 z=(100−x)2+6400z = \sqrt{(100-x)^2 + 6400} 이다. 그러므로 L=y+zL = y + z 에서

L(x)=x2+3600+6400+(100−x)2 .L(x) = \sqrt{x^2 + 3600} + \sqrt{6400 + (100-x)^2}\,. 또한 주어진 상황에서 LL 의 정의역은 0≤x≤1000 \le x \le 100 임이 분명하다. 이 닫힌구간에서 LL 의 최솟값을 구하려 하므로, LL 의 임계점을 찾는 일이 남아 있다.

연쇄 법칙에 의해

L′(x)=2x2(x2+3600)1/2+−2(100−x)2((100−x)2+6400)1/2L'(x) = \frac{2x}{2(x^2+3600)^{1/2}} + \frac{-2(100-x)}{2((100-x)^2 + 6400)^{1/2}}

이다.

계산 도구를 사용하여 방정식 L′(x)=0L'(x) = 0 을 풀면, 구간 0≤x≤1000 \le x \le 100 에서 해는 x≈42.85714x \approx 42.85714 하나뿐이다.

정의역에서 LL 의 최솟값을 구하기 위해 양 끝점과 유일한 임계점에서 LL 의 값을 구한다. 계산하면 L(0)≈188.062L(0) \approx 188.062, L(100)≈196.619L(100) \approx 196.619, L(42.85714)≈172.047L(42.85714) \approx 172.047 이다. 따라서 사용할 수 있는 케이블의 최소 길이는 약 172.047172.047 피트이며, 케이블을 첫 번째 기둥에서 약 42.8571442.85714 피트 떨어진 곳에 고정할 때 이루어진다.

원본 교재 풀이(영어)

We start by constructing a careful diagram of the overall situation. Let xx be the distance from the first pole to the second pole where the cable touches the ground, and let yy be the length of the cable from the top of the first tower to the ground, and zz the length of cable from the ground to the top of the second tower, as pictured in the following figure. Note that we have included the given heights of the towers and the distance between them.

An image showing two vertical towers of height 60 and 80 that are 100 feet apart. On the horizontal segment between the towers, the location x is labeled where the cable from the top of the first towe

The total amount of cable, LL, used (which we wish to minimize) is given by L=y+zL = y + z. We can use the geometry of the situation to write both yy and zz in terms of xx. In the first right triangle, by the Pythagorean Theorem we know that x2+602=y2x^2 + 60^2 = y^2, and thus y=x2+3600y = \sqrt{x^2 + 3600}. In the second right triangle, note that the horizontal leg of the triangle has length 100−x100-x, and thus (100−x)2+802=z2(100-x)^2 + 80^2 = z^2, so z=(100−x)2+6400z = \sqrt{(100-x)^2 + 6400}. It follows that with L=y+zL = y + z,

L(x)=x2+3600+6400+(100−x)2 .L(x) = \sqrt{x^2 + 3600} + \sqrt{6400 + (100-x)^2}\,. It is also apparent from the given situation that the relevant domain for LL is 0≤x≤1000 \le x \le 100. Given that we want to minimize LL on this closed interval, it remains to find any critical numbers of LL.

We note by the chain rule that

L′(x)=2x2(x2+3600)1/2+−2(100−x)2((100−x)2+6400)1/2L'(x) = \frac{2x}{2(x^2+3600)^{1/2}} + \frac{-2(100-x)}{2((100-x)^2 + 6400)^{1/2}}

We use technology to solve the equation L′(x)=0L'(x) = 0 and find that it has a single solution in the interval 0≤x≤1000 \le x \le 100: x≈42.85714x \approx 42.85714.

To find the absolute minimum of LL on the relevant domain, we evaluate LL at the endpoints and the only critical number. Doing so, we fine L(0)≈188.062L(0) \approx 188.062, L(100)≈196.619L(100) \approx 196.619, and L(42.85714)≈172.047L(42.85714) \approx 172.047. Hence the least amount of cable we can use is approximately 172.047172.047 feet and is accomplished by anchoring the cable about 42.8571442.85714 feet from the first tower.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.7절 · 5번
# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
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