유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
736문제 · 34 / 37쪽
661.CLP-1 · 2.13절 · 9번우리말 번역
f(x)=3+sin(x)+(x−π)2 이라 하자. f′(c)=0 인 실수 c 가 존재함을 보이세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=3+sin(x)+(x−π)2. Show that there exists a real number c such that f′(c)=0.
정답·풀이 보기
f(0)=f(2π)=3+π2 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(3+sinx>0 이므로 이 함수는 모든 실수에서 미분가능하다) 다음을 만족하는 c∈(0,2π) 가 존재함을 얻는다.
f′(c)=2π−0f(2π)−f(0)=0.
원본 교재 풀이(영어)
We note that f(0)=f(2π)=3+π2. Then using the Mean Value Theorem (note that
the function is differentiable for all real numbers since 3+sinx>0), we get that
there exists c∈(0,2π) such that
f′(c)=2π−0f(2π)−f(0)=0.
f(x)=xcos(x)−xsin(x) 라 하자. f′(c)=0 인 실수 c 가 존재함을 보이세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=xcos(x)−xsin(x). Show that there exists a real number c such
that f′(c)=0.
정답·풀이 보기
f(0)=0 이고 f(π/4)=0 임에 주목한다. 그러면 평균값 정리를 이용하여(이 함수는 모든 실수에서 미분가능함에 유의한다) c∈(0,π/4) 이고
f′(c)=π/4−0f(π/4)−f(0)=0.
인 c 가 존재한다.
원본 교재 풀이(영어)
We note that f(0)=0 and f(π/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) such that
f′(c)=π/4−0f(π/4)−f(0)=0.
How many roots does the function f(x)=3x−sinx have?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
간단히 살펴보면 x=0 은 f(x) 의 근이다. 이제 다른 근이 있을 수 있는지가 문제이다. f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 또 다른 근 a 가 있다면 롤의 정리에 의해 0 과 a 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=3−cosx 는 결코 0 이 되지 않는다. 따라서 두 번째 근은 없으며, f(x) 의 근은 정확히 하나이다.
원본 교재 풀이(영어)
By inspection, we see x=0 is a root of f(x). The question now is whether there could possibly be other roots. Since f(x) is differentiable over all real numbers, if there is another root a, then by Rolle's Theorem, f′(c)=0 for some c strictly between 0 and a. However, f′(x)=3−cosx is never zero. So, there is no second root: f(x) has precisely one root.
How many roots does the function f(x)=16(4x+1)4+x have?
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정답·풀이 보기
함수 f(x) 는 모든 실수에서 연속이고 미분가능하다.
a 와 b 가 f(x) 의 서로 다른 근이면, a 와 b 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다(롤의 정리). 그러므로 f′(x) 를 생각해 보자.
f′(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
따라서 f′(c)=0 인 것은 c=2−1 일 때뿐이다. 도함수의 영점이 하나뿐이라는 사실은 매우 유용하다. 이는 (롤의 정리에 의해) f(x) 가 서로 다른 근 a, b (a<b)를 가지면 반드시 a<2−1<b 여야 함을 뜻한다. 또한 이는 f(x) 가 a<b<q 인 서로 다른 세 근 a,b 와 (예를 들어) q 를 가질 수 없음을 뜻한다. 그렇게 되면 롤의 정리에 의해 f′(x) 가 a 와 b 사이에 하나, b 와 q 사이에 또 하나, 모두 두 개의 영점을 갖게 되기 때문이다.
지금까지 f(x) 는 근이 많아야 두 개이며, 근이 두 개 있다면 그 근들이 어디에 있을 수 있는지를 알았다. 그러나 이것만으로는 f(x) 의 근이 0개, 1개, 2개 중 무엇인지 알 수 없다.
f(x) 의 근을 눈으로 어림해서 찾기는 쉽지 않다. 하지만 f(x) 와 f′(x) 의 다음 성질을 이용하면 y=f(x) 의 그래프를 충분히 파악하여 근이 정확히 몇 개인지 알 수 있다.
x 가 ±∞ 로 갈 때, f(x) 는 +∞ 로 간다.
도함수 f′(x)=(4x+1)3+1 은 x<−21 일 때 음수이고
x>−21 일 때 양수이다. 즉, f(x) 는 x<−21 에서 감소하고
x>−21 에서 증가한다.
f(−21)=161−21<0.
따라서 이 함수는 다음 그래프와 비슷한 모양이어야 한다.
다만 x절편의 위치는 아직 확실하지 않다. 현재 알고 있는 것은 하나는 x=−1/2 의 왼쪽에, 다른 하나는 오른쪽에 있다는 것뿐이다.
x 가 아주 작은 음수에서 아주 큰 양수로 증가할 때 f(x) 가 어떻게 변하는지 살펴보자.
x 가 절댓값이 큰 음수일 때, f(x)>0 이다.
x 가 증가하면 f(x) 는
x=−21 까지 연속적으로 감소하며, 그곳에서 f(x)<0 이다.
특히 f(−1)=1665>0 이고
f(−21)<0 이며 f(x) 가 연속이므로,
사잇값 정리에 의해 f(x) 는
−21 과 −1 사이의 어떤 x 에서
값 0을 갖는다.
더 풀어서 말하면, x 가 매우 작은 음수에서 −21 까지 증가하는 동안 f(x) 는 0을 정확히 한 번 지난다.
x 가 −21 을 넘어 증가하면 f(x) 는 연속적으로 증가하여,
음수에서 시작해 x 가 커질 때 매우 큰 양수가 된다.
특히 f(0)=161>0 이고
f(−21)<0 이며 f(x) 가 연속이므로,
사잇값 정리에 의해 f(x) 는
−21 과 0 사이의 어떤 x 에서
값 0을 갖는다.
따라서 x 가 −21 에서
+∞ 가까이로 증가하는 동안 f(x) 는 다시 0을 정확히 한 번 지난다.
그러므로 f(x) 의 근은 정확히 두 개이며, 하나는 x<−21 에,
다른 하나는 x>−21 에 있다.
원본 교재 풀이(영어)
The function f(x) is continuous and differentiable over all real numbers.
If a and b are distinct roots of f(x), then f′(c)=0 for some c strictly between a and b (Rolle's Theorem). So, let's think about f′(x).
f′(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
Hence f′(c)=0 only when c=2−1. That the derivative only has a single zero is very
useful. It means (via Rolle's theorem) that if f(x) has distinct roots a and b with a<b,
then we must have a<2−1<b. This also means that f(x) cannot have 3 distinct
roots a,b and (say) q with a<b<q, because then Rolle's theorem would imply that f′(x) would
have two zeros — one between a and b and another between b and q.
We've learned that 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) could have 0, 1, or 2 roots.
It's not easy to find a root of f(x) by inspection. But we can get a good enough picture of the graph of y=f(x) to tell exactly how many roots there are, just by exploiting the following properties of f(x) and f′(x).
As x tends to ±∞, f(x) tends to +∞.
The derivative f′(x)=(4x+1)3+1 is negative for x<−21
and is positive for x>−21. That is, f(x) is decreasing
for x<−21 and increasing for x>−21.
f(−21)=161−21<0.
This means the function must look something like the graph below:
except we are unsure of the locations of the x-intercepts. At present we only know that one is to
the left of x=−1/2 and one is to the right.
Note what happens to f(x) as x increases from strongly negative values to strongly positive
values.
When x is large and negative, f(x)>0.
As x increases, f(x) decreases continuously until
x=−21, where f(x)<0.
In particular, since f(−1)=1665>0 and
f(−21)<0 and f(x) is continuous,
the intermediate value theorem guarantees that f(x)
takes the value zero for some x between −21
and −1.
More descriptively put, as x increases from
hugely negative numbers to −21, f(x) passes through zero exactly once.
As x increases beyond −21, f(x) increases
continuously, starting negative and becoming very large and positive
when x becomes large and positive.
In particular, since f(0)=161>0 and
f(−21)<0 and f(x) is continuous,
the intermediate value theorem guarantees that f(x)
takes the value zero for some x between −21
and 0.
So, as x increases from
−21 to near +∞, f(x) again passes through
zero exactly once.
So f(x) must have exactly two roots, one with x<−21
and one with x>−21.
How many roots does the function f(x)=x3+sin(x5) have?
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정답·풀이 보기
살펴보면 f(0)=0 임을 알 수 있으므로 근이 적어도 하나는 있다.
다른 근이 있는지, 있다면 몇 개인지 판단해야 한다.
함수 f(x) 는 두 항 x3 과 sin(x5) 의 합이다.
어떤 수 x 가 f(x) 의 근이 되는 것은 그 x 의 값에서 두 항이 서로 정확히 상쇄될 때, 그리고 그때에 한한다. 즉, x 가 f 의 근일 필요충분조건은 x3=−sin(x5) 이다. 다른 근을 찾기 위한 감을 얻도록, 같은 그림에 y=x3 과 y=−sin(x5) 의 그래프를 그린다.
그러면 f(x) 의 근은 정확히 두 곡선 y=x3 과 y=−sin(x5) 가 만나는 점의 x 값이다.
그래프를 보면 두 곡선은 ∣x∣>1 인 점에서는 결코 만날 수 없다. ∣x∣>1 이면 ∣x3∣>1 이지만
∣−sin(x5)∣≤1 이므로 x3=−sin(x5) 일 수 없기 때문이다.
즉, f(x) 의 모든 근은 구간 [−1,1] 에 있다.
그래프로 보아 y=x3 과 y=−sin(x5) 는
x=0 에서만 만난다고 짐작할 수 있다. 롤의 정리를 이용하여 실제로 그러함을 확인할 수 있다.
a=0 인 근이 있다고 하면, 롤의 정리에 의해 (f(x) 는 모든 실수 x 에 대해 연속이고 미분가능하므로) 0 과 a 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. 특히, 근 a 가 있다면 −1 과 1 사이에 있음을 이미 알고 있으므로, f(x) 가 근을 두 개 가지면 어떤 c∈(−1,0)∪(0,1) 에 대해 f′(c)=0 이다.
f 의 도함수는
f′(x)=3x2+5x4cos(x5)=x2(3+5x2cos(x5))
이다. 따라서 f′(x)=0 이면 x=0 또는 (3+5x2cos(x5))=0 이다.
x∈(−1,0)∪(0,1) 이면
이다. 즉, f′(c)=0 인 c∈(−1,0)∪(0,1) 은 없다. 그러므로 바로 앞의 항목에 따라 f(x) 의 근은 하나뿐이다.
여기서 f′(x) 는 영점이 많음에 주목하자. 사실은 무수히 많다. 그러나 구간 (−1,1) 에서 f′(x) 의 근은 x=0 뿐이다.
원본 교재 풀이(영어)
We can see by inspection that f(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) is the sum of the two terms x3 and sin(x5).
A number x is a root of f(x) if and only if the two terms cancel each other exactly for that value of x. That is, x is a root of f if and
only if x3=−sin(x5). To develope some intuition in our hunt for other
roots, we sketch, in the same figure, the graphs y=x3 and y=−sin(x5).
Then the roots of f(x) are precisely the x's where the two curves y=x3 and y=−sin(x5) intersect.
Looking at the sketch, we see that the two curves cannot possibly intersect at any point having ∣x∣>1 — if ∣x∣>1, then ∣x3∣>1 but
∣−sin(x5)∣≤1 and we cannot possibly have x3=−sin(x5).
That is, all roots of f(x) are in the interval [−1,1].
From the sketch, we would probably guess that y=x3 and y=−sin(x5)
cross only at x=0. We can use Rolle's Theorem to verify that that is
indeed the case.
If there is a root a=0, then by Rolle's Theorem (since f(x) is continuous and differentiable for all real numbers x) f′(c)=0 for some c strictly between 0 and a. In particular, since we already know any roots a will be between −1 and 1, if f(x) has two roots then f′(c)=0 for some c∈(−1,0)∪(0,1).
The derivative of f is
f′(x)=3x2+5x4cos(x5)=x2(3+5x2cos(x5))
So, if f′(x)=0, then x=0 or (3+5x2cos(x5))=0.
If x∈(−1,0)∪(0,1), then
How many positive-valued solutions does the equation ex=4cos(2x) have?
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정답·풀이 보기
방정식 ex=4cos(2x) 의 양의 해의 개수를 구하려고 한다. 아래 그림은 y=ex 와 y=4cos(2x) 의 그래프이다. ex=4cos(2x) 의 해는 y=ex 와 y=4cos(2x) 가 만나는 점의 x 값과 정확히 같다.
x≥0 에서 두 그래프는 정확히 한 번 만나는 것으로 보이며, 그 교점은 x=0 과 x=1 사이에 있다. 실제로 [ex−4cos(2x)]x=0=−3<0 이고 [ex−4cos(2x)]x=1>e>0 이며 f(x)=ex−4cos(2x) 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 0<x<1 에서 적어도 하나의 근이 존재한다.
그래프가 정확하지 않더라도 두 번째 근이 없음을 보여야 한다.
코사인 함수의 치역이 [−1,1] 임을 떠올리자. ex=4cos(2x) 이면 ex≤4 이므로 x≤log(4)≈1.39 이다. 따라서 f(x) 의 근은 구간 (0,1.4) 에서만 찾으면 되고, 그 밖에는 근이 없음이 보장된다. 이 구간에서 2x∈(0,2.8) 이므로 sin(2x)>0 이고, 따라서 f′(x)=ex+8sin(2x)>0 이다. f′(x) 는 (0,1.4) 에서 근을 갖지 않으므로, 롤의 정리에 의해 f(x) 는 (0,1.4) 에서 근을 많아야 하나 가진다(따라서 양의 근은 전체에서 많아야 하나이다). 앞에서 f(x) 의 근이 (0,1) 에 존재함을 이미 보였으므로, ex=4cos(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). The figure below contains the graphs
of y=ex and y=4cos(2x). The solutions to
ex=4cos(2x) are precisely the x's where
y=ex and y=4cos(2x) cross.
It sure looks like there is exactly one crossing with x≥0
and that one crossing is somewhere between x=0 and x=1. Indeed
since [ex−4cos(2x)]x=0=−3<0 and
[ex−4cos(2x)]x=1>e>0 and
f(x)=ex−4cos(2x) is continuous, the intermediate value
theorem guarantees that there is at least one root with
0<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]. If ex=4cos(2x), then ex≤4, so x≤log(4)≈1.39. So, we only need to search for roots of f(x) on the interval (0,1.4): we are guaranteed there are no roots elsewhere. Over this interval,
2x∈(0,2.8), so sin(2x)>0, and thus f′(x)=ex+8sin(2x)>0. Since f′(x) has no roots in (0,1.4), we conclude by Rolle's Theorem that f(x) has at most one root in (0,1.4) (and so at most one positive root total). Since we've already found that a root of f(x) exists in (0,1), we conclude
ex=4cos(2x) has precisely one positive-valued solution.
f(x)=2x+sinx 라 하자. x=0 을 포함하는 구간 중 f(x) 가 일대일함수인 가장 큰 구간을 구하세요. f−1(x) 의 정의역과 치역을 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=2x+sinx. What is the largest interval containing x=0 over which f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x)?
정답·풀이 보기
2x+sinx 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간 안의 서로 다른 두 수에 대해 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 a 와 b 에 대해 f(a)=f(b) 이면
a 와 b 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. 그런데 f′(x)=2+cosx 는 결코 0이 되지 않는다. 실제로 모든 x 에 대해 f′(x)≥1 이므로 f(x) 는 정의역 전체에서 엄격하게 증가한다. 따라서 함수 f 는 같은 값을 두 번 갖는 일이 결코 없으므로, 모든 실수 (−∞,∞) 에서 일대일함수이다.
역함수 f−1(x) 를 정의할 때, f 의 정의역은 f−1 의 치역이고 그 반대도 마찬가지이다. 일반적으로는 f 의 정의역(따라서 f−1 의 치역)을 f 가 일대일함수인 구간으로 제한해야 할 수도 있지만, 이 경우에는 그럴 필요가 없다. 그러므로 f−1 의 치역은 (−∞,∞) 이고, f−1 의 정의역은 f 의 치역인 (−∞,∞) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
If 2x+sinx 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) for distinct a and b, then
f′(c)=0 for some c between a and b. However, f′(x)=2+cosx, which is never zero. In fact, f′(x)≥1 for all x, so f(x) is strictly increasing over its entire domain. Therefore, our function fnever takes the same value twice, so it is one–to–one over all the real numbers, (−∞,∞).
When we define the inverse function f−1(x), the domain of f is the range of f−1, and vice-versa. In general, we might have to restrict the domain of f (and hence the range of f−1) to an interval where f is one–to–one, but in our case, this isn't necessary. So, the range of f−1 is (−∞,∞) and the domain of f−1 is the range of f: (−∞,∞).
f(x)=2x+sinx 라 하자. f(x) 가 일대일함수가 되는, x=0 을 포함하는 가장 큰 구간은 무엇인가? f 를 이 구간으로 제한할 때, f−1(x) 의 정의역과 치역은 무엇인가?
영어 원문 보기
Let f(x)=2x+sinx. What is the largest interval containing x=0 over which f(x) is one–to–one? What are the domain and range of f−1(x), if we restrict f to this interval?
정답·풀이 보기
f(x)=2x+sinx 가 어떤 구간에서 일대일함수이면, 그 구간의 서로 다른 두 수에서 같은 값을 갖지 않는다. 롤의 정리에 의해, 서로 다른 a, b 에 대해 f(a)=f(b) 이면
a 와 b 사이의 어떤 c 에 대해 f′(c)=0 이다. f′(x)=21+cosx 이므로,
어떤 정수 n 에 대해 x=2nπ±32π 일 때 f′(x)=0 이다. 따라서 특히 a 와 b 가 구간 [−32π,32π] 의 서로 다른 수이면, a 와 b 사이에 있는 모든 c (양 끝은 제외)에 대해 f′(c)=0 이므로 롤의 정리에 의해 f(a)=f(b) 이다. 그러므로 f(x) 는 구간 [−32π,32π] 에서 일대일함수이다.
또한 구간 [−32π,32π] 을 더 넓혀서 f(x) 가 여전히 일대일함수가 되도록 할 수는 없음을 보여야 한다.
도함수 f′(x)=21+cosx 를 생각하자.
−32π<x<32π 인 모든 x 에 대해
cosx>−21 이므로 (cosx 의 그래프를 직접 그려 보세요)
f′(x)>0 이고 f(x) 는
증가한다. 그러나 x=32π 에서 f′(x)=0 이고,
x 가 32π 보다 조금 크면
cosx<−21 이므로 f′(x)<0 이고 f(x) 는
감소한다. 따라서 그래프가 “방향을 바꾸어” f(x) 는
같은 값을 다시 갖는다. (y=f(x) 의 그래프를 아래에서 보세요.)
x 가 −32π 보다 조금 작은 경우에도
마찬가지이다.
역함수 f−1(x) 를 정의할 때, 먼저 f 를 [−32π,32π] 로 제한한다. 그러면 f−1 의 치역도 [−32π,32π] 이다. f−1 의 정의역은 이 구간에서 f 의 치역이므로
[−(3π+23),(3π+23)] 이다.
원본 교재 풀이(영어)
If f(x)=2x+sinx 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) for distinct a and b, then
f′(c)=0 for some c between a and b. Since f′(x)=21+cosx,
f′(x)=0 when x=2nπ±32π for some integer n. So, in particular, if a and b are distinct numbers in the interval [−32π,32π], then for every c strictly between a and b, f′(c)=0, so by Rolle's Theorem f(a)=f(b). Therefore f(x) is one–to–one on the interval [−32π,32π].
We should also show that the interval [−32π,32π] cannot be extended to a larger interval over which f(x) is still one–to–one.
Consider the derivative f′(x)=21+cosx.
For all −32π<x<32π, we have
cosx>−21 (sketch the graph of cosx
yourself) so that f′(x)>0 and f(x) is
increasing. But at x=32π, f′(x)=0, and then
for x a bit bigger than 32π we have
cosx<−21 so that f′(x)<0 and f(x) is
decreasing. So the graph “reverses direction", and f(x)
repeats values. (See the graph of y=f(x) below.) The
same is true for x a little smaller than −32π.
When we define the inverse function f−1(x), first we restrict f to [−32π,32π]. Then the range of f−1 is also [−32π,32π]. The domain of f−1 is the range of f over this interval, so
[−(3π+23),(3π+23)].
f(x) 와 g(x) 가 구간 [a,b] 에서 연속이고 구간 (a,b) 에서 미분가능한 함수라고 하자. 또한 f(a)<g(a) 이고 g(b)<f(b) 라고 하자. f′(c)>g′(c) 인 c∈[a,b] 가 존재함을 보이세요.
영어 원문 보기
Suppose f(x) and g(x) are functions that are continuous over the interval [a,b] and differentiable over the interval (a,b). Suppose further that f(a)<g(a) and g(b)<f(b). Show that there exists some c∈[a,b] with f′(c)>g′(c).
정답·풀이 보기
h(x)=f(x)−g(x) 로 놓으면 h(a)=f(a)−g(a)<0 이고 h(b)=f(b)−g(b)>0 임을 알 수 있다. h 는 [a,b] 에서 연속이고 (a,b) 에서 미분가능한 두 함수의 차이므로 h 도 [a,b] 에서 연속이고 (a,b) 에서 미분가능하다. 따라서 평균값 정리에 의해
h′(c)=b−ah(b)−h(a)
인 c∈(a,b) 가 존재한다. (a,b) 가 구간이므로 b>a 이고, 따라서 위 식의 분모는 양수이다. 또 h(b)>0>h(a) 이므로 위 식의 분자도 양수이다. 그러므로 어떤 c∈(a,b) 에 대해 h′(c)>0 이다. h′(c)=f′(c)−g′(c) 이므로, 어떤 c∈(a,b) 에 대해 f′(c)>g′(c) 라는 결론을 얻는다.
원본 교재 풀이(영어)
Define h(x)=f(x)−g(x), and notice h(a)=f(a)−g(a)<0 and h(b)=f(b)−g(b)>0. Since h is the difference of two functions that are continuous over [a,b] and differentiable over (a,b), also h is continuous over [a,b] and differentiable over (a,b). So, by the Mean Value Theorem, there exists some c∈(a,b) with
h′(c)=b−ah(b)−h(a)
Since (a,b) is an interval, b>a, so the denominator of the above expression is positive; since h(b)>0>h(a), also the numerator of the above expression is positive. So, h′(c)>0 for some c∈(a,b). Since h′(c)=f′(c)−g′(c), we conclude f′(c)>g′(c) for some c∈(a,b).
f(x) 가 모든 실수에서 미분가능한 함수이고 f′(x) 의 근이 정확히 두 개라고 하자. f(x) 가 가질 수 있는 서로 다른 근의 개수의 최댓값은 얼마인가요?
영어 원문 보기
Suppose f(x) is a function that is differentiable over all real numbers, and f′(x) has precisely two roots. What is the maximum number of distinct roots that f(x) may have?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
f(x) 가 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이기도 하다. f(x) 는 서로 다른 근을 네 개 이상 가질 수 없음을 주장한다. 서로 다른 두 근 a<b 마다 롤의 정리에 의해 f′(c)=0 인 c∈(a,b) 가 존재한다. 즉, c 는 f′ 의 근이다. f′ 의 서로 다른 근이 두 개뿐이므로 f 의 서로 다른 근은 많아야 세 개이다.
원본 교재 풀이(영어)
Since f(x) is differentiable over all real numbers, it is also continuous over all real numbers. We claim that f(x) cannot have four or more distinct roots. For every two distinct roots a<b, Rolle's Theorem tells us there is a c∈(a,b) such that f′(c)=0: that is, c is a root of f′. Since f′ has only two distinct roots, f can have at most three distinct roots.
방정식 x2+5x+1=−sinx 의 해의 개수를 구해야 한다. 아래 그림에는 y=x2+5x+1 과 y=−sinx 의 그래프가 있다. x2+5x+1=−sinx 의 해는 바로 y=x2+5x+1 과 y=−sinx 가 만나는 점의 x 값이다.
그림을 보면 두 그래프는 두 번 만나는 것처럼 보인다. 함수 −sinx 의 치역이 [−1,1] 이므로, 두 함수가 만난다면 −1≤x2+5x+1≤1 이기도 하다. 이차함수에서 이 부분은 그림에서 파란색으로 표시되어 있다. 파란 호의 양 끝점의 x 좌표는 x2+5x+1=±1 을 풀어 구한다. 즉 x=0, −5, 그리고 (이차방정식을 이용하면) x=2−5±17 이다.
이제 위 그림으로 얻은 직관을 활용하여, f(x) 가 근을 정확히 두 개 가짐을 보이는 간결한 논증을 쓸 수 있다. 일반적으로 함수가 n 개의 근을 가짐을 보이려면, 서로 다른 n 개의 근이 어딘가에 존재함을 보이고, 서로 다른 n+1 개의 근은 존재하지 않음을 보여야 함을 기억하자. 이 논증은 아래 파란 글씨로 주어진다.
f(x) 는 모든 실수에서 연속이다.
f(x)=0 인 경우는 −sinx=x2+5x+1 일 때뿐이고, 이는 ∣x2+5x+1∣≤1 일 때만 일어난다. 따라서 f(x) 의 근은 구간 [−5,2−5−17] 와 [2−5+17,0] 에만 있다.
f(−5)=sin(−5)+1>0 이고, f(2−5−17)=sin(2−5−17)−1<0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(−5,2−5−17) 에 대해 f(c)=0 이다.
f(0)=1>0 이고, f(2−5+17)=sin(2−5+17)−1<0 이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 어떤 c∈(2−5+17,0) 에 대해 f(c)=0 이다.
f′(x)=cosx+2x+5 이다. f′(x)=0 이면 2x+5=−cosx 이므로 ∣2x+5∣≤1 이다. 따라서 f′(x) 의 근을 포함할 수 있는 구간은 [−3,−2] 뿐이다.
f(x) 가 두 개보다 많은 근을 가진다고 가정하자. 그러면 구간 [−5,2−5−17] 에 근이 두 개 있거나 또는 구간 [2−5+17,0] 에 근이 두 개 있다. f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로, 롤의 정리에 의해 f′(x) 는 (−5,2−5−17) 또는 (2−5+17,0) 에서 근을 가진다. 그러나 f′(x) 의 모든 근은 구간 [−3,−2] 안에 있고, 이 구간은 (−5,2−5−17) 및 (2−5+17,0) 와 공통인 점이 없으므로 이는 불가능하다. 따라서 f(x) 는 두 개보다 많은 근을 가지지 않는다.
f(x) 는 적어도 두 개의 근을 가지고 두 개보다 많은 근은 가지지 않으므로, 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=−sinx. The figure below contains the graphs
of y=x2+5x+1 and y=−sinx. The solutions to
x2+5x+1=−sinx are precisely the x's where
y=x2+5x+1 and y=−sinx cross.
From the figure, it sure looks like there are two crossings.
Since the function −sinx has range [−1,1],
if the two functions cross, then also −1≤x2+5x+1≤1.
This portion of the quadratic function is highlighted in blue in the figure.
The x coordinates of the end points
of the blue arcs are found by solving x2+5x+1=±1,
i.e. x=0, −5, and (using the quadratic equation)
x=2−5±17.
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) has exactly
two roots.
Remember that, in general, if we want to show that a function has n roots, we need to show that there exist n distinct roots somewhere, and that there do not exist n+1 distinct roots. This argument is given below, in blue text.
f(x) is continuous over all real numbers
f(x)=0 only when −sinx=x2+5x+1, which only happens when ∣x2+5x+1∣≤1. Thus, f(x) only has roots in the intervals
[−5,2−5−17] and [2−5+17,0].
f(−5)=sin(−5)+1>0, and f(2−5−17)=sin(2−5−17)−1<0.
So, by the IVT, f(c)=0 for some
c∈(−5,2−5−17).
f(0)=1>0, and f(2−5+17)=sin(2−5+17)−1<0.
So, by the IVT, f(c)=0 for some
c∈(2−5+17,0).
f′(x)=cosx+2x+5. If f′(x)=0, then 2x+5=−cosx, so ∣2x+5∣≤1. So, the only interval that can contain roots of f′(x) is [−3,−2].
Suppose f(x) has more than two roots. Then it has two roots in the interval
[−5,2−5−17] OR it has two roots in the interval
[2−5+17,0]. Since f(x) is differentiable for all real numbers, Rolle's Theorem tells us that f′(x) has a root in (−5,2−5−17) or in (2−5+17,0). However, since all roots of f′(x) are in the interval [−3,−2], and this interval shares no points with (−5,2−5−17) or (2−5+17,0), this cannot be the case. Therefore f(x) does not have more than two roots.
Since f(x) has at least two roots, and not more than two roots, f(x) has exactly two roots.
공을 똑바로 위로 던졌고, t=0 부터 t=4 까지 공의 높이가 h(t)=−4.9t2+19.6t 로 주어진다고 하자. 참인지 거짓인지 판단하세요: 시각 t=2 에서 공의 가속도는 0이다.
영어 원문 보기
Suppose you throw a ball straight up in the air, and its height from t=0 to t=4
is given by h(t)=−4.9t2+19.6t. True or false: at time t=2, the acceleration of the ball is 0.
정답·풀이 보기
거짓이다. 공의 가속도는 h′′(t)=−9.8 이다. 이는 공이 움직이는 내내 상수이다(중력 때문이다).
참고: t=2 에서 공의 속도는 h′(2)=−9.8(2)+19.6=0 이므로 0이지만, 속도가 0인 것은 한 순간뿐이다. 속도가 변하고 있으므로 가속도는 0이 아니다.
원본 교재 풀이(영어)
False. The acceleration of the ball is given by h′′(t)=−9.8. This is constant throughout its trajectory (and is due to gravity).
Remark: the velocity of the ball at t=2 is zero, since h′(2)=−9.8(2)+19.6=0, but the velocity is only zero for an instant. Since the velocity is changing, the acceleration is nonzero.
어떤 물체가 일정한 가속도로 움직인다고 하자. 이 물체가 1sm 에서 2sm 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 2sm 에서 3sm 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요. 3sm 에서 13sm 로 가속하는 데 걸리는 시간을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose an object is moving with a constant acceleration. It takes ten seconds to accelerate from 1sm to 2sm. How long does it take to accelerate from 2sm to 3sm? How long does it take to accelerate from 3sm to 13sm?
정답·풀이 보기
가속도가 상수이므로 속도의 변화율이 상수이다. 따라서 속도가 1 m/s 증가하는 데(1sm 에서 2sm 로) 10초가 걸렸으므로, 속도가 1 m/s 증가하는 데에는 언제나 10초가 걸린다.
그러므로 2sm 에서 3sm 로 가속하는 데 10초가 걸린다. 3sm 에서 13sm 로 가속하는 데(즉, 속도가 10 m/s 변하는 데)에는 10×10=100초가 걸린다.
원본 교재 풀이(영어)
The acceleration is constant, which means the rate of change of the velocity is constant. So, since it took 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second (from 1sm to 2sm), then it always takes 10 seconds for the velocity to increase by 1 metre per second.
So, it takes 10 seconds to accelerate
from 2sm to 3sm. To accelerate from 3sm to 13sm (that is, to change its velocity by 10 metres per second), it takes 10×10=100 seconds.
이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터(9.8 m/s²)라고 가정하세요.
당신은 2미터 떨어진 곳에 서 있는 친구에게 열쇠를 던집니다. 열쇠는 처음에 초속 2미터로 친구를 향해 움직이지만, 초당 초당 0.25미터의 비율로 느려집니다. 친구가 열쇠를 받으려고 반응할 수 있는 시간은 얼마인지 구하세요. 즉, 열쇠가 친구에게 닿기까지 날아가는 시간은 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
You toss a key to your friend, standing two metres away. The keys initially move towards your friend at 2 metres per second, but slow at a rate of 0.25 metres per second per second. How much time does your friend have to react to catch the keys? That is–how long are the keys flying before they reach your friend?
답 쓰고 채점
초
정답·풀이 보기
s(t) 를 열쇠가 손을 떠난 뒤 이동한 거리라고 하자. 열쇠가 움직이는 속력 s′(t) 는 초당 0.25미터씩 감소한다. 즉,
s′′(t)=−0.25 이다. 따라서 어떤 상수 c 에 대해 s′(t)=−0.25t+c 이다. c=s′(0)=2 이므로
s′(t)=2−0.25t
이다. 그러면 s(t) 는 2−0.25t 를 도함수로 가지므로, 어떤 상수 d 에 대해 s(t)=2t−81t2+d 이다. 시각 t=0 에서 열쇠는 아직 어디로도 움직이지 않았으므로 0=s(0)=d 이다. 따라서
s(t)=2t−81t2
이다.
열쇠가 친구에게 닿는 때는 s(t)=2 이고 t>0 일 때이다. 즉:
20t=2t−81t2=81t2−2t+2=8±43
이 t 의 값 중 어느 것이 실제로 열쇠가 친구에게 닿는 시각인지 가려내야 한다. 열쇠는 t=0 부터 친구에게 닿는 시각까지 이렇게 움직인다. (그 뒤에는 s(t) 가 열쇠의 움직임을 나타내지 않는다.) 그러므로 s(t)=2 를 만족하는 양수 t 중 처음 값을 찾아야 한다. 8−43>0 이므로 이 값이 s(t)=2 이고 t>0 인 첫 번째 시각이다. 따라서 열쇠가 친구에게 닿기까지 걸리는 시간은
8−43≈1초
이다.
원본 교재 풀이(영어)
Let s(t) be the distance your keys have travelled since they left your hand. The rate at which they are travelling, s′(t), is decreasing by 0.25 metres per second. That is,
s′′(t)=−0.25. Therefore, s′(t)=−0.25t+c for some constant c. Since c=s′(0)=2, we see
s′(t)=2−0.25t
Then s(t) has 2−0.25t as its derivative, so s(t)=2t−81t2+d for some constant d. At time t=0, the keys have not yet gone anywhere, so 0=s(0)=d. Therefore,
s(t)=2t−81t2
The keys reach your friend when s(t)=2 and t>0. That is:
20t=2t−81t2=81t2−2t+2=8±43
We need to figure out which of these values of t is really the time when the keys reach your friend. The keys travel this way from t=0 to the time they reach your friend. (Then s(t) no longer describes their motion.) So, we need to find the first value of t that is positive with s(t)=2. Since 8−43>0, this is the first time s(t)=2 and t>0. So, the keys take
8−43≈1second
to reach your friend.
이 절에서는 지구에서 낙하하는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 매초 매초 9.8미터라고 가정하세요.
당신은 시속 120 km로 달리고 있으며, 100미터 안에 멈춰야 합니다. 브레이크는 얼마만큼의 감속도를 내야 하는지 구하세요. 브레이크가 일정한 감속도를 만든다고 가정해도 됩니다.
영어 원문 보기
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
You are driving at 120 kph, and need to stop in 100 metres. How much deceleration do your brakes need to provide? You may assume the brakes cause a constant deceleration.
정답·풀이 보기
브레이크가 내는 감속도를 dhr2km 이라 하자. 그러면 v(t) 가 자동차의 속도일 때 v(t)=120−dt 이다 (t=0 에서 속도는 120이고, 1시간마다 시속 d km씩 감소한다). 자동차는 0=v(t) 일 때 멈추므로 t=d120 시간이다.
s(t) 를 브레이크를 밟은 지 t 시간 후까지 자동차가 이동한 거리라 하자. 그러면 s′(t)=v(t) 이므로 어떤 상수 c 에 대해 s(t)=120t−2dt2+c 이다. 0=s(0)=c 이므로
s(t)=120t−2dt2
자동차는 100미터, 즉 101 킬로미터 안에 멈춰야 한다. 앞에서 정지하는 데 걸리는 시간이 t=d120 임을 구했다. 따라서
Suppose the deceleration provided by the brakes is dhr2km. Then if v(t) is the velocity of the car, v(t)=120−dt (at t=0, the velocity is 120, and it decreases by d kph per hour). The car stops when 0=v(t), so t=d120 hours.
Let s(t) be the distance the car has travelled t hours after applying the brakes. Then s′(t)=v(t), so s(t)=120t−2dt2+c for some constant c. Since 0=s(0)=c,
s(t)=120t−2dt2
The car needs to stop in 100 metres, which is 101 kilometres. We already found that the stopping time is t=d120. So:
101101Multiplying both sides by d:10dd=s(d120)=120(d120)−2d(d120)2=1202−21202=5⋅1202
So, the brakes need to apply 72 000 kph per hour of deceleration.
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
About 8.5 minutes after liftoff, the US space shuttle has reached orbital velocity, 17 500 miles per hour. Assuming its acceleration was constant, how far did it travel in those 8.5 minutes?
가속도가 상수였다면 가속도는
608.5hr17500mph≈123500hr2miles
이다.
따라서 이륙 t시간 후의 속도는
v(t)=123500t
이다. 그러므로 이륙 t시간 후 왕복선의 위치는 (초기 위치를 s(0)=0으로 놓으면)
s(t)=2123500t2=61750t2
이다. 따라서 608.5시간 후 왕복선이 이동한 거리는
s(608.5)=(61750)(608.5)2≈1240miles
이며, 이는 2000킬로미터보다 조금 짧은 거리이다.
원본 교재 풀이(영어)
If the acceleration was constant, then it was
608.5hr17500mph≈123500hr2miles
So, the velocity t hours from liftoff is
v(t)=123500t
Therefore, the position of the shuttle t hours from liftoff (taking s(0)=0 to be its initial position) is
s(t)=2123500t2=61750t2
So, after 608.5 hours, the shuttle has travelled
s(608.5)=(61750)(608.5)2≈1240miles
or a little less than 2000 kilometres.
이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체에 관한 여러 문제를 다룹니다. 따로 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8미터라고 가정하세요.
송골매는 시속 325 km의 속력으로 급강하할 수 있습니다. 돌을 떨어뜨린다면, 그 돌이 떨어지면서 같은 속력에 이르려면 얼마나 높은 곳에 있어야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
A peregrine falcon can dive at a speed of 325 kph. If you were to drop a stone, how high up would you have to be so that the stone reached the same speed in its fall?
정답·풀이 보기
중력에 의해 낙하하는 물체의 가속도는 초의 제곱당 9.8 미터이다. 따라서 떨어뜨린 지 t초 후 물체의 속도는
v(t)=9.8tsm
이다. v(t) 가 송골매의 급강하 속력과 같아지게 하려면, 그 속력을 초속 미터로 바꾸어야 한다.
325hrkm⋅(1km1000m)(3600sec1hr)=181625sm
돌이 이 속도에 이르는 때는
9.8t=181625⇒t=18(9.8)1625
일 때이다.
이제 남은 것은 이 시간 동안 돌이 얼마나 떨어지는지 구하는 것이다. 돌의 위치 s(t) 의 도함수가 9.8t 이므로, s(0)=0 으로 잡으면
s(t)=4.9t2
이다. 따라서 돌이 18(9.8)1625 초 동안 떨어지면, 그 시간 동안 이동한 거리는
s(18(9.8)1625)=4.9(18(9.8)1625)2≈416m
이다. 그러므로 돌이 송골매만큼 빠르게 떨어지게 하려면 약 416미터 높이에서 떨어뜨려야 한다.
원본 교재 풀이(영어)
The acceleration of a falling object due to gravity is 9.8 metres per second squared. So, the object's velocity t seconds after being dropped is
v(t)=9.8tsm
We want v(t) to be the speed of the peregrine's dive, so we should convert that to metres per second:
325hrkm⋅(1km1000m)(3600sec1hr)=181625sm
The stone will reach this velocity when
9.8t=181625⇒t=18(9.8)1625
What is left to figure out is how far the stone will fall in this time. The position of the stone s(t) has derivative 9.8t, so
s(t)=4.9t2
if we take s(0)=0. So, if the stone falls for 18(9.8)1625 seconds, in that time it travels
s(18(9.8)1625)=4.9(18(9.8)1625)2≈416m
So, you would have to drop a stone from about 416 metres for it to fall as fast as the falcon.
이 절에서는 지구에서 떨어지는 물체와 관련된 여러 문제를 낸다. 달리 말하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력 가속도는 초당 초당 9.8 미터(9.8 m/s²)이라고 가정한다.
대포알을 초기 속도 v0 로 공중에 쏘면 중력이 (다른 모든 힘은 무시할 때) 대포알을 다시 아래로 끌어내린다. 대포알이 100m 높이까지 올라갔다면 v0 은 얼마였는지 구하세요.
영어 원문 보기
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
You shoot a cannon ball into the air
with initial velocity v0, and then gravity brings it back down (neglecting all other forces). If the cannon ball made it to a height of 100m, what was v0?
답 쓰고 채점
m/s
정답·풀이 보기
중력만이 대포알을 끌어내리므로 대포알의 가속도는 상수 −9.8s2m 이다. 따라서 v(t)=v0−9.8t 이고, (s(0)=0 으로 두면) 높이는 s(t)=v0t−4.9t2 으로 주어진다.
최고 높이가 100 미터가 되도록 하는 v0 의 값을 구하려 한다. 최고 높이에 도달하는 때는 v(t)=0 일 때이며, 그 시각은 t=9.8v0 이다. 그러므로 다음을 푼다.
Since gravity alone brings your cannon ball down, its acceleration is a constant −9.8s2m. So, v(t)=v0−9.8t and thus its height is given by s(t)=v0t−4.9t2 (if we set s(0)=0).
We want to know what value of v0 makes the maximum height 100 metres. The maximum height is reached when v(t)=0, which is at time t=9.8v0. So, we solve:
이 절에서는 지구에서 물체가 떨어지는 것과 관련된 여러 가지 문제를 냅니다. 달리 언급하지 않는 한, 공기 중에서 떨어지는 물체의 중력에 의한 가속도는 1초당 초속 9.8미터라고 가정하세요.
시속 120 km로 달리고 있다가 1시간당 시속 50000 km의 감속도로 브레이크를 밟기 시작했다고 합시다. 3초 동안 감속도를 1시간당 시속 60000 km까지 꾸준히 늘립니다. (즉, 3초 동안 감속도의 변화율은 일정합니다.) 이 3초가 끝났을 때 시속 몇 km로 달리고 있는지 구하세요.
영어 원문 보기
For this section, we will ask you a number of questions that have to do with objects falling on Earth. Unless otherwise stated, you should assume that an object falling through the air has an acceleration due to gravity of 9.8 meters per second per second.
Suppose you are driving at 120 kph, and you start to brake at a deceleration of 50000 kph per hour. For three seconds you steadily increase your deceleration to 60000 kph per hour. (That is, for three seconds, the rate of change of your deceleration is constant.) How fast are you driving at the end of those three seconds?
답 쓰고 채점
km/h
정답·풀이 보기
가속도의 도함수는 상수이므로 가속도 a(t) 는 mt+b 꼴이다. a(0)=−50000 이고 a(36003)=−60000 이다. (여기서 3초는 36003시간임에 주목한다.) 따라서 a(t) 의 기울기는
36003−60000+50000=−12000000 이고, 이로부터
a(t)=−50000−(12000000)t
를 얻는다. 여기서 t 는 시간 단위로 잰 값이다.
v′(t)=a(t)=−50000−(12000000)t 이므로
v(t)=2−12000000t2−50000t+c=−6000000t2−50000t+c
이다. 여기서 c 는 어떤 상수이다. 120=v(0)=c 이므로
v(t)=−6000000t2−50000t+120
이다.
참고: 가속도가 일정할 때 위치 함수는 이차함수이지만, 위치 함수가 항상 이차함수라고 생각하게 하려는 것은 아니다. 방금 푼 예에서는 속도 함수가 이차함수였다. 위치 함수, 속도 함수, 가속도 함수가 반드시 다항식일 필요는 전혀 없다. 가장 단순한 경우를 다루는 이 절에서만 그렇게 보일 뿐이다.
원본 교재 풀이(영어)
The derivative of acceleration is constant, so the acceleration a(t) has the form mt+b. We know a(0)=−50000 and a(36003)=−60000 (where we note that 3 seconds is 36003 hours). So, the slope of a(t) is
36003−60000+50000=−12000000, which leads us to
a(t)=−50000−(12000000)t
where t is measured in hours.
Since v′(t)=a(t)=−50000−(12000000)t, we see
v(t)=2−12000000t2−50000t+c=−6000000t2−50000t+c
for some constant c. Since 120=v(0)=c:
v(t)=−6000000t2−50000t+120
Remark: When acceleration is constant, the position function is a quadratic function, but we don't want you to get the idea that position functions are always quadratic functions–in the example you just did, it was the velocity function that was quadratic. Position, velocity, and acceleration functions don't have to be polynomial at all–it's only in this section, where we're dealing with the simplest cases, that they seem that way.