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

186문제 · 9 / 10쪽

161.CLP-1 · 3.1절 · 16번우리말 번역

당신은 트램펄린 가장자리에서 처음 위쪽 속도 초속 11 미터로 뛰어오릅니다. 공중에 있는 동안 중력 때문에 당신의 감속도는 일정하게 초당 9.89.8 미터씩 매초 늘어납니다. 트램펄린에 닿은 뒤 떨어지는 동안에는 당신의 속력이 초당 4.94.9 미터마다 매초씩 줄어듭니다. 점프의 최고점부터 트램펄린 위에서 가장 낮은 지점까지 몇 초가 지나는지 구하세요.

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영어 원문 보기

You jump up from the side of a trampoline with an initial upward velocity of 11 metre per second. While you are in the air, your deceleration is a constant 9.89.8 metres per second per second due to gravity. Once you hit the trampoline, as you fall your speed decreases by 4.94.9 metres per second per second. How many seconds pass between the peak of your jump and the lowest part of your fall on the trampoline?

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정답·풀이 보기

(1) 뛰어오른 뒤 트램펄린에 닿기 전과 (2) 트램펄린 속으로 떨어지는 동안에는 서로 다른 힘이 작용한다. 두 경우 모두 가속도가 상수이므로 두 높이 함수는 모두 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 꼴의 이차함수이다. 여기서 aa 는 가속도, vv 는 t=0t=0 일 때의 속도, hh 는 처음 높이이다.

  • 먼저 (1), 즉 점프하는 동안 발이 트램펄린에 닿기 전의 시간을 생각하자. t=0t=0 을 뛰어오른 순간으로 하고, 트램펄린 가장자리의 높이를 00 으로 하자. 처음 속도가 (양수) 초속 11 미터였으므로 높이는 다음과 같다. h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) 가속도가 양의 속도와 반대로 작용하므로 음의 부호가 붙는다는 점에 주의한다.
  • 떨어지다가 발이 처음 트램펄린에 닿을 때의 속도를 알아야 한다. 점프한 뒤 발이 처음 트램펄린에 닿는 시각은 바로 h1(t)=0h_1(t)=0 이고 t>0t>0 일 때이다. 즉 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 일 때이다. 이제 h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1 이므로 h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1 이다. 따라서 발이 트램펄린에 닿는 순간 당신은 초속 1 미터로 내려가고 있다.

참고: 이 값이 처음 속력과 같은 것은 우연만은 아니다. 포물선의 대칭성과 에너지 보존을 생각해 보자.

  • 이제 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안의 높이를 생각해야 한다. 일반식 a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h 에서 vv 는 t=0t=0 일 때의 속도라는 점을 기억하자. 그런데 트램펄린에 닿는 시각은 t=0t=0 이 아니라 t=29.8t=\frac{2}{9.8} 이다. 간단히 하기 위해 여정의 두 번째 부분에는 다른 시간 척도를 쓰자. 발이 트램펄린 표면에 닿는 순간(T=0T=0)부터 낙하의 맨 아래까지, 시각 TT 에서의 높이를 h2(T)h_2(T) 라 하자. 이제 처음 속도가 초속 −1-1 미터(높이가 줄어들므로 음수)이고 가속도가 초당 4.94.9 미터마다 매초(속도가 음수에서 00 으로 증가하므로 양수)라는 사실을 쓸 수 있다. h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T 여기서도 트램펄린 가장자리의 높이는 00 으로 본다.

참고: 자유 낙하할 때의 가속도는 음수인데 트램펄린 위에서의 가속도는 양수라는 점이 혼란스럽다면, 중력은 당신을 아래로 밀고 트램펄린은 당신을 위로 민다는 것을 기억하자.

  • 트램펄린 속에서 얼마나 오래 떨어졌을까? 식 h2(T)h_2(T) 는 트램펄린이 낙하를 늦추는 동안에만 높이를 알려 준다. 속도가 00 이 될 때 낙하의 맨 아래에 이른다. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 이므로 T=14.9T=\frac{1}{4.9} 일 때 낙하의 맨 아래에 이른다. 주의하자. 이것은 트램펄린에 닿은 때로부터 14.9\frac{1}{4.9} 초 뒤이지, 낙하의 최고점이나 뛰어오른 때로부터가 아니다.
  • 마지막 조각은 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간이다. 그동안의 운동을 나타내는 식은 h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t 이다. 속도가 00 일 때 최고점에 이른다. h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} 따라서 당신은 t=19.8t=\frac{1}{9.8} 에서 최고점을 출발하여 t=21.98t=\frac{2}{1.98} 에서 트램펄린 가장자리 높이에 이르렀으므로, 낙하에 19.8\frac{1}{9.8} 초가 걸렸다.

참고: 앞에서 언급한 대칭성에 의해, 점프의 최고점에서 트램펄린 표면까지 떨어지는 데 걸린 시간은 가장자리에서 뛰어오른 순간부터 다시 트램펄린 표면에 닿는 순간까지 걸린 시간의 절반과 같다.

  • 따라서 점프의 최고점에서 맨 아래까지 떨어진 시간은 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 초이다.
원본 교재 풀이(영어)

Different forces are acting on you (1) after you jump but before you land on the trampoline, and (2) while you are falling into the trampoline. In both instances, the acceleration is constant, so both height functions are quadratic, of the form a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h, where aa is the acceleration, vv is the velocity when t=0t=0, and hh is the initial height.

  • Let's consider (1) first, the time during your jump before your feet touch the trampoline. Let t=0t=0 be the moment you jump, and let the rim of the trampoline be height 00. Then, since your initial velocity was (positive) 11 meter per second, your height is given by h1(t)=−9.82t2+t=t(−9.82t+1)h_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t=t\left(\frac{-9.8}{2}t+1\right) Notice that, because your acceleration is working against your positive velocity, it has a negative sign.
  • We'll need to know your velocity when your feet first touch the trampoline on your fall. The time your feet first first touch the trampoline after your jump is precisely when h1(t)=0h_1(t)=0 and t>0t>0. That is, when t=29.8t=\frac{2}{9.8}. Now, since h′(t)=−9.8t+1h'(t)=-9.8t+1, h′(29.8)=−9.8(29.8)+1=−1h'\left(\frac{2}{9.8}\right)=-9.8\left(\frac{2}{9.8}\right)+1=-1. So, you are descending at a rate of 1 metre per second at the instant your feet touch the trampoline.

Remark: it is not only coincidence that this was your initial speed. Think about the symmetries of parabolas, and conservation of energy.

  • Now we need to think about your height as the trampoline is slowing your fall. One thing to remember about our general equation a2t2+vt+h\frac{a}{2}t^2+vt+h is that vv is the velocity when t=0t=0. But, you don't hit the trampoline at t=0t=0, you hit it at t=29.8t=\frac{2}{9.8}. In order to keep things simple, let's use a different time scale for this second part of your journey. Let's let h2(T)h_2(T) be your height at time TT, from the moment your feet touch the trampoline skin (T=0T=0) to the bottom of your fall. Now, we can use the fact that your initial velocity is −1-1 metres per second (negative, since your height is decreasing) and your acceleration is 4.94.9 metres per second per second (positive, since your velocity is increasing from a negative number to zero): h2(T)=4.92T2−Th_2(T)=\frac{4.9}{2}T^2-T where still the height of the rim of the trampoline is taken to be zero.

Remark: if it seems very confusing that your free-falling acceleration is negative, while your acceleration in the trampoline is positive, remember that gravity is pushing you down, but the trampoline is pushing you up.

  • How long were you falling in the trampoline? The equation h2(T)h_2(T) tells you your height only as long as the trampoline is slowing your fall. You reach the bottom of your fall when your velocity is zero. h2′(T)=4.9T−1h_2'(T)=4.9T-1 so you reach the bottom of your fall at T=14.9T=\frac{1}{4.9}. Be careful: this is 14.9\frac{1}{4.9} seconds after you entered the trampoline, not after the peak of your fall, or after you jumped.
  • The last piece of the puzzle is how long it took you to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline. We know the equation of your motion during that time: h1(t)=−9.82t2+th_1(t)=\frac{-9.8}{2}t^2+t. You reached the peak when your velocity was zero: h1′(t)=−9.8t+1=0⇒t=19.8h_1'(t)=-9.8t+1 =0\qquad\Rightarrow\qquad t=\frac{1}{9.8} So, you fell from your peak at t=19.8t=\frac{1}{9.8} and reached the level of the trampoline rim at t=21.98t=\frac{2}{1.98}, which means the fall took 19.8\frac{1}{9.8} seconds.

Remark: by the symmetry mentioned early, the time it took to fall from the peak of your jump to the surface of the trampoline is the same as one-half the time from the moment you jumped off the rim to the moment you're back on the surface of the trampoline.

  • So, your time falling from the peak of your jump to its bottom was 19.8+14.9≈0.3\frac{1}{9.8}+\frac{1}{4.9}\approx 0.3 seconds.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.1절 · 11번
# 속도와 가속도그래프·표 해석도전자동 분류
162.CLP-1 · 3.5절 · 1번우리말 번역

아래 그래프에 나타난 f(x)f(x) 의 임계점과 특이점을 모두 찾으세요.

이 중 극값에 해당하는 것은 어느 것인가요?

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영어 원문 보기

Identify every critical point and every singular point of f(x)f(x) shown on the graph below.

Which correspond to local extrema?

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정답·풀이 보기

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x=0x=0 일 때 곡선 y=f(x)y=f(x) 의 접선이 수평인 것으로 보이므로 x=0x=0 은 임계점이다. 그러나 이 점은 극값이 아니다. 00 근처의 모든 xx 에 대해 f(0)≥f(x)f(0) \geq f(x) 인 것도 아니고, 00 근처의 모든 xx 에 대해 f(0)≤f(x)f(0) \leq f(x) 인 것도 아니기 때문이다.

xx축의 오른쪽에는 f(x)f(x) 의 도함수가 존재하지 않는 뾰족한 점이 있다. 이 뾰족한 점에 해당하는 xx 값(이를 aa 라 하자)은 특이점이며, f(x)f(x) 는 x=ax=a 에서 극댓값을 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

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When x=0x=0, the curve y=f(x)y=f(x) appears to have a flat tangent line, so the x=0x=0 is a critical point. However, it is not a local extremum: it is not true that f(0)≥f(x)f(0) \geq f(x) for all xx near 0, and it is not true that f(0)≤f(x)f(0) \leq f(x) for all xx near 0.

To the right of the xx-axis, there is a spike where the derivative of f(x)f(x) does not exist. The xx-value corresponding to this spike (call it aa) is a singular point, and f(x)f(x) has a local maximum at x=ax=a.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 38번
# 극대와 극소그래프·표 해석기본자동 분류
163.CLP-1 · 3.5절 · 2번우리말 번역

아래 그래프에 나타난 f(x)f(x) 의 임계점과 특이점을 모두 찾으세요. 이 중 극값에 해당하는 것은 어느 것인가요? 나타난 구간에서 최댓값·최솟값에 해당하는 것은 어느 것인가요?

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영어 원문 보기

Identify every critical point and every singular point of f(x)f(x) on the graph below. Which correspond to local extrema? Which correspond to global extrema over the interval shown?

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정답·풀이 보기

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파란 점에 해당하는 xx 좌표(이를 aa 라 하자)는 x=ax=a 에서 f(x)f(x) 의 접선이 수평이므로 임계점이다. 그 근처에 더 낮은 점이 없고, 실제로 나타난 구간 전체에서도 더 낮은 점이 없으므로 f(x)f(x) 는 x=ax=a 에서 극솟값과 최솟값을 모두 가진다.

함수가 어떤 점에서 연속이 아니면 그 점에서 미분가능하지 않다. 따라서 불연속인 곳에 해당하는 xx 좌표(이를 bb 라 하자)는 특이점이다. bb 의 바로 오른쪽에서는 f(x)f(x) 의 값이 더 낮고 bb 의 바로 왼쪽에서는 더 높으므로, f(x)f(x) 는 x=bx=b 에서 극값도 (최댓값이나 최솟값도) 가지지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

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The xx-coordinate corresponding to the blue dot (let's call it aa) is a critical point, because the tangent line to f(x)f(x) at x=ax=a is horizontal. There is no lower point nearby, and actually no lower point on the whole interval shown, so f(x)f(x) has both a local minimum and a global minimum at x=ax=a.

If a function is not continuous at a point, then it is not differentiable at that point. So, the xx-coordinate corresponding to the discontinuity (let's call it bb) is a singular point. Values of f(x)f(x) immediately to the right of bb are lower, and values immediately to the left of bb are higher, so f(x)f(x) has no local (or global) extremum at x=bx=b.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 10번
# 극대와 극소그래프·표 해석기본자동 분류
164.CLP-1 · 3.5절 · 3번우리말 번역

f(2)f(2) 가 극댓값이지만 최댓값은 아닌 그래프 y=f(x)y=f(x) 를 그리세요.

영어 원문 보기

Draw a graph y=f(x)y=f(x) where f(2)f(2) is a local maximum, but it is not a global maximum.

정답·풀이 보기

가능한 답 중 하나가 아래에 나와 있다.

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아래에 나타낸 빨간 구간의 모든 xx 에 대해 f(2)≥f(x)f(2) \geq f(x) 이므로 f(2)f(2) 는 극댓값이다. 그러나 파란 점은 어떤 xx 에 대해 f(x)>f(2)f(x)>f(2) 임을 보여 주므로 f(2)f(2) 는 최댓값이 아니다.

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원본 교재 풀이(영어)

One possible answer is shown below.

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For every xx in the red interval shown below, f(2)≥f(x)f(2) \geq f(x), so f(2)f(2) is a local maximum. However, the point marked with a blue dot shows that f(x)>f(2)f(x)>f(2) for some xx, so f(2)f(2) is not a global maximum.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 16번
# 극대와 극소그래프·표 해석기본자동 분류
165.CLP-1 · 3.5절 · 5번우리말 번역

아래에는 여러 곡선이 있으며, 모두 x=2x=2 에서 특이점을 가진다. 각각에 대해 x=2x=2 가 극댓값인지, 극솟값인지, 아니면 둘 다 아닌지 표시하세요.

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영어 원문 보기

Below are a number of curves, all of which have a singular point at x=2x=2. For each, label whether x=2x=2 is a local maximum, a local minimum, or neither.

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정답·풀이 보기

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그림

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첫 번째 곡선에서는 x=2x=2 에서의 함숫값(즉, 속이 찬 점의 yy 값)이 주변의 어떤 값보다도 크므로 극댓값이다.

두 번째 곡선에서는 x=2x=2 에서의 함숫값(즉, 속이 찬 점의 yy 값)이 왼쪽의 모든 값보다는 크지만, 바로 오른쪽의 값들보다는 작다. (아래에 다시 나타낸 그래프에서 f(x)f(x) 는 빨간 부분의 모든 값보다 크고, 파란 부분의 모든 값보다 작다.) 따라서 극댓값도 극솟값도 아니다.

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마찬가지로 세 번째 곡선에서는 f(2)f(2) 가 오른쪽의 값들보다 작고 왼쪽의 값들보다 크므로 극솟값도 극댓값도 아니다.

마지막 곡선에서는 f(2)f(2) (속이 찬 점의 yy 값임을 기억하자)가 바로 왼쪽과 오른쪽의 모든 값(예를 들어 아래에 빨간색으로 표시한 구간에서)보다 크므로 극댓값이다.

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원본 교재 풀이(영어)

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For the first curve, the function's value at x=2x=2 (that is, the yy-value of the solid dot) is higher than anything around it. So, it's a local maximum.

For the second curve, the function's value at x=2x=2 (that is, the yy-value of the solid dot) is higher than everything to the left, but lower than values immediately to the right. (On the graph reproduced below, f(x)f(x) is higher than everything in the red section, and lower than everything in the blue section.) So, it is neither a local max nor a local min.

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Similarly, for the third curve, f(2)f(2) is lower than the values to the right of it, and higher than values to the left of it, so it is neither a local minimum nor a local maximum.

In the final curve, f(2)f(2) (remember–this is the yy-value of the solid dot) is higher than everything immediately to the left or right of it (for instance, over the interval marked in red below), so it is a local maximum.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 18번
# 극대와 극소그래프·표 해석도전자동 분류
166.CLP-1 · 3.5절 · 1번우리말 번역

다음을 만족하는 함수 f(x)f(x) 의 그래프를 그리세요.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 정의된다.
  • f(x)f(x) 는 최댓값을 갖지만 최솟값은 갖지 않는다.
영어 원문 보기

Sketch a function f(x)f(x) such that:

  • f(x)f(x) is defined over all real numbers
  • f(x)f(x) has a global max but no global min.
정답·풀이 보기

아래에 두 가지 예가 있지만, 가능한 예는 많다.

그림

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f(x)=−x2f(x)=-x^2 또는 f(x)=−∣x∣f(x)=-\sqrt{|x|} 이면 f(x)f(x) 는 x=0x=0 에서 최댓값을 갖는다. xx 가 0에서 멀어질수록 f(x)f(x) 는 음의 방향으로 점점 더 커지므로 f(x)f(x) 는 최솟값을 갖지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

Two examples are given below, but many are possible.

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If f(x)=−x2f(x)=-x^2 or f(x)=−∣x∣f(x)=-\sqrt{|x|}, then f(x)f(x) has a global maximum at x=0x=0. Since f(x)f(x) keeps getting more and more strongly negative as xx gets farther and farther from 0, f(x)f(x) has no global minimum.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.3절 · 32번
# 최댓값·최솟값과 최적화그래프·표 해석기본자동 분류
167.CLP-1 · 3.5절 · 2번우리말 번역

다음을 만족하는 함수 f(x)f(x) 의 그래프를 그리세요.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 정의된다
  • f(x)f(x) 는 항상 양수이다
  • f(x)f(x) 는 최댓값도 최솟값도 갖지 않는다.
영어 원문 보기

Sketch a function f(x)f(x) such that:

  • f(x)f(x) is defined over all real numbers
  • f(x)f(x) is always positive
  • f(x)f(x) has no global max and no global min.
정답·풀이 보기

아래에 두 가지 예가 있지만, 가능한 예는 많다.

그림

f(x)=exf(x)=e^x 이면 모든 xx 에 대해 f(x)>0f(x) > 0 이다. xx 축을 따라 왼쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 는 점점 작아져 0 에 가까워지지만 0 에 이르지는 않는다. 왼쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 가 점점 작아지므로 최솟값은 없다. 마찬가지로 오른쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 는 점점 커지므로 최댓값도 없다.

그림

f(x)=arctan⁡(x)+2f(x)=\arctan(x)+2 이면 모든 xx 에 대해 f(x)>(−π2)+2>0f(x) >\left(-\frac{\pi}{2}\right)+2>0 이다.

xx 축을 따라 왼쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 는 점점 작아져 (−π2+2)\left(-\frac{\pi}{2}+2\right) 에 가까워지지만 그 값에 이르지는 않는다. 왼쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 가 점점 작아지므로 최솟값은 없다.

마찬가지로 xx 축을 따라 오른쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 는 점점 커져 (π2+2)\left(\frac{\pi}{2}+2\right) 에 가까워지지만 그 값에 이르지는 않는다. 오른쪽으로 갈수록 f(x)f(x) 가 점점 커지므로 최댓값은 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Two examples are given below, but many are possible.

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If f(x)=exf(x)=e^x, then f(x)>0f(x) > 0 for all xx. As we move left along the xx-axis, f(x)f(x) gets smaller and smaller, approaching 0 but never reaching it. Since f(x)f(x) gets smaller and smaller as we move left, there is no global minimum. Likewise, f(x)f(x) increases more and more as we move right, so there is no maximum.

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If f(x)=arctan⁡(x)+2f(x)=\arctan(x)+2, then f(x)>(−π2)+2>0f(x) >\left(-\frac{\pi}{2}\right)+2>0 for all xx.

As we move left along the xx-axis, f(x)f(x) gets smaller and smaller, approaching (−π2+2)\left(-\frac{\pi}{2}+2\right) but never reaching it. Since f(x)f(x) gets smaller and smaller as we move left, there is no global minimum.

Likewise, as we move right along the xx-axis, f(x)f(x) gets bigger and bigger, approaching (π2+2)\left(\frac{\pi}{2}+2\right) but never reaching it. Since f(x)f(x) gets bigger and bigger as we move right, there is no global maximum.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 3번
# 최댓값·최솟값과 최적화그래프·표 해석기본자동 분류
168.CLP-1 · 3.5절 · 3번우리말 번역

다음을 만족하는 함수 f(x)f(x) 의 그래프를 그리세요.

  • f(x)f(x) 는 모든 실수에서 정의된다
  • f(x)f(x) 는 x=5x=5 에서 최솟값을 갖는다
  • f(x)f(x) 는 x=−5x=-5 에서도 최솟값을 갖는다.
영어 원문 보기

Sketch a function f(x)f(x) such that:

  • f(x)f(x) is defined over all real numbers
  • f(x)f(x) has a global minimum at x=5x=5
  • f(x)f(x) has a global minimum at x=−5x=-5, too.
정답·풀이 보기

f(5)f(5) 가 최솟값이므로 모든 xx 에 대해 f(5)≤f(x)f(5) \leq f(x) 이고, 특히 f(5)≤f(−5)f(5) \leq f(-5) 이다.

마찬가지로 모든 xx 에 대해 f(−5)≤f(x)f(-5) \leq f(x) 이므로, 특히 f(−5)≤f(5)f(-5) \leq f(5) 이다.

f(−5)≤f(5)f(-5) \leq f(5) 이고 f(5)≤f(−5)f(5) \leq f(-5) 이므로 f(−5)=f(5)f(-5)=f(5) 이어야 한다.

이러한 그래프의 하나를 그리면 아래와 같다.

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원본 교재 풀이(영어)

Since f(5)f(5) is a global minimum, f(5)≤f(x)f(5) \leq f(x) for all xx, and so in particular f(5)≤f(−5)f(5) \leq f(-5).

Similarly, f(−5)≤f(x)f(-5) \leq f(x) for all xx, so in particular f(−5)≤f(5)f(-5) \leq f(5).

Since f(−5)≤f(5)f(-5) \leq f(5) AND f(5)≤f(−5)f(5) \leq f(-5), it must be true that f(−5)=f(5)f(-5)=f(5).

A sketch of one such graph is below.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.5절 · 1번
# 최댓값·최솟값과 최적화그래프·표 해석기본자동 분류
169.CLP-1 · 3.6절 · 2번우리말 번역

함수 f(x)f(x), g(x)g(x), h(x)h(x), k(x)k(x) 를 곡선 y=A(x)y=A(x) 부터 y=D(x)y=D(x) 까지와 짝지으세요.

f(x)=x2+1f(x)=\sqrt{x^2+1} g(x)=x2−1g(x)=\sqrt{x^2-1} h(x)=x2+4h(x)=\sqrt{x^2+4} k(x)=x2−4k(x)=\sqrt{x^2-4}

그림

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영어 원문 보기

Match the functions f(x)f(x), g(x)g(x), h(x)h(x), and k(x)k(x) to the curves y=A(x)y=A(x) through y=D(x)y=D(x).

f(x)=x2+1f(x)=\sqrt{x^2+1} g(x)=x2−1g(x)=\sqrt{x^2-1} h(x)=x2+4h(x)=\sqrt{x^2+4} k(x)=x2−4k(x)=\sqrt{x^2-4}

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정답·풀이 보기

x2+1x^2+1 과 x2+4x^2+4 는 항상 양수이므로 f(x)f(x) 와 h(x)h(x) 는 모든 실수에서 정의된다. 따라서 f(x)f(x) 와 h(x)h(x) 는 A(x)A(x) 와 B(x)B(x) 에 대응한다. 어느 것이 어느 것일까? A(0)=1=f(0)A(0)=1=f(0) 이고 B(0)=2=h(0)B(0)=2=h(0) 이므로 A(x)=f(x)A(x)=f(x) 이고 B(x)=h(x)B(x)=h(x) 이다.

그러면 g(x)g(x) 와 k(x)k(x) 가 C(x)C(x) 와 D(x)D(x) 에 대응한다. g(x)g(x) 의 정의역은 x2−1≥0x^2-1\ge0 인 모든 xx 이다. 즉 ∣x∣≥1|x|\ge1 이며, C(x)C(x) 와 같다. k(x)k(x) 의 정의역은 x2−4≥0x^2-4\ge0 인 모든 xx 이다. 즉 ∣x∣≥2|x|\ge2 이며, D(x)D(x) 와 같다. 따라서 C(x)=g(x)C(x)=g(x) 이고 D(x)=k(x)D(x)=k(x) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since x2+1x^2+1 and x2+4x^2+4 are always positive, f(x)f(x) and h(x)h(x) are defined over all real numbers. So, f(x)f(x) and h(x)h(x) correspond to A(x)A(x) and B(x)B(x). Which is which? A(0)=1=f(0)A(0)=1=f(0) while B(0)=2=h(0)B(0)=2=h(0), so A(x)=f(x)A(x)=f(x) and B(x)=h(x)B(x)=h(x).

That leaves g(x)g(x) and k(x)k(x) matching to C(x)C(x) and D(x)D(x). The domain of g(x)g(x) is all xx such that x2−1≥0x^2-1\ge0. That is, ∣x∣≥1|x|\ge1, like C(x)C(x). The domain of k(x)k(x) is all xx such that x2−4≥0x^2-4\ge0. That is, ∣x∣≥2|x|\ge2, like D(x)D(x). So, C(x)=g(x)C(x)=g(x) and D(x)=k(x)D(x)=k(x).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 3번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
170.CLP-1 · 3.6절 · 3번우리말 번역

아래는 다음 함수의 그래프이다. y=f(x)=log⁡2(x+p)y=f(x)=\sqrt{\log^2(x+p)}

(a) pp 의 값을 구하세요. (b) 그래프에 표시된 bb 의 값을 구하세요. (c) f(x)f(x) 의 xx절편을 구하세요.

log⁡(x+p)\log(x+p) 는 x+px+p 의 자연로그, 즉 log⁡e(x+p)\log_e(x+p) 임을 기억하세요.

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영어 원문 보기

Below is the graph of y=f(x)=log⁡2(x+p)y=f(x)=\sqrt{\log^2(x+p)}

(a) What is pp? (b) What is bb (marked on the graph)? (c) What is the xx-intercept of f(x)f(x)?

Remember log⁡(x+p)\log(x+p) is the natural logarithm of x+px+p, log⁡e(x+p)\log_e(x+p).

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답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) f(0)=2f(0)=2 이므로 다음을 푼다.

2=log⁡2(0+p)=log⁡2p=∣log⁡p∣log⁡p=±2p=e±2p=e2 또는 p=1e2\begin{aligned} 2&=\sqrt{\log^2(0+p)}\\ &=\sqrt{\log^2 p}\\ &=\left|\log p\right|\\ \log p &= \pm 2\\ p&=e^{\pm 2}\\ p&=e^2 \text{ 또는 } p=\frac{1}{e^2} \end{aligned}

pp 는 e2e^2 또는 1e2\dfrac{1}{e^2} 임을 알 수 있지만, 둘 중 하나를 정해야 한다. 두 경우 모두 f(0)=2f(0)=2 이다. f(x)f(x) 의 정의역을 생각해 보자. log⁡2(x+p)\log^2(x+p) 는 음수가 아니므로 제곱근은 정의역을 제한하지 않는다. 그러나 로그는 양수에 대해서만 취할 수 있다. 따라서 정의역은 다음과 같다.

x 의 조건: x+p>0x 의 조건: x>−p\begin{aligned} x \text{ 의 조건: } &x+p>0\\ x \text{ 의 조건: } &x>-p\\ \end{aligned}

p=1e2p=\dfrac{1}{e^2} 이면 f(x)f(x) 의 정의역은 (−1e2,∞)\left(-\dfrac{1}{e^2},\infty\right) 이다. 특히 −1e2>−1-\dfrac{1}{e^2}>-1 이므로 f(x)f(x) 의 정의역은 x=−1x=-1 을 포함하지 않는다. 그런데 그래프에서 f(−1)f(-1) 이 존재함이 분명하다. 따라서 p=e2p=e^2 이다.

(b) 이제 bb 가 무엇인지 알아내야 한다. bb 는 f(x)f(x) 의 정의역의 끝이고, 정의역은 이미 구했듯이 (−p,∞)(-p,\infty) 이다. 따라서 b=−p=−e2b=-p=-e^2 이다.

(간단한 확인: e≈2.7e\approx 2.7 로 놓으면 −e2=−7.29-e^2=-7.29 이고, 이는 그래프와 대체로 맞아 보인다.)

(c) xx절편은 f(x)=0f(x)=0 이 되는 xx 의 값이다.

0=log⁡2(x+p)0=log⁡(x+p)1=x+px=1−p=1−e2\begin{aligned} 0&=\sqrt{\log^2(x+p)}\\ 0&=\log(x+p)\\ 1&=x+p\\ x&=1-p=1-e^2 \end{aligned}

xx절편은 1−e21-e^2 이다.

(또 다른 간단한 확인: 구한 xx절편은 수직 점근선에서 거리가 1만큼 떨어져 있고, 이는 그래프와 대체로 맞아 보인다.)

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since f(0)=2f(0)=2, we solve

2=log⁡2(0+p)=log⁡2p=∣log⁡p∣log⁡p=±2p=e±2p=e2 or p=1e2\begin{aligned} 2&=\sqrt{\log^2(0+p)}\\ &=\sqrt{\log^2 p}\\ &=\left|\log p\right|\\ \log p &= \pm 2\\ p&=e^{\pm 2}\\ p&=e^2 \text{ or } p=\frac{1}{e^2} \end{aligned}

We know that pp is e2e^2 or 1e2\dfrac{1}{e^2}, but we have to decide between the two. In both cases, f(0)=2f(0)=2. Let's consider the domain of f(x)f(x). Since log⁡2(x+p)\log^2(x+p) is never negative, the square root does not restrict our domain. However, we can only take the logarithm of positive numbers. Therefore, the domain is

x such that x+p>0x such that x>−p\begin{aligned} x \text{ such that } &x+p>0\\ x \text{ such that } &x>-p\\ \end{aligned}

If p=1e2p=\dfrac{1}{e^2}, then the domain of f(x)f(x) is (−1e2,∞)\left(-\dfrac{1}{e^2},\infty\right). In particular, since −1e2>−1-\dfrac{1}{e^2}>-1, the domain of f(x)f(x) does not include x=−1x=-1. However, it is clear from the graph that f(−1)f(-1) exists. So, p=e2p=e^2.

(b) Now, we need to figure out what bb is. Notice that bb is the end of the domain of f(x)f(x), which we already found to be (−p,∞)(-p,\infty). So, b=−p=−e2b=-p=-e^2.

(As a quick check, if we take e≈2.7e\approx 2.7, then −e2=−7.29-e^2=-7.29, and this looks about right on the graph.)

(c) The xx-intercept is the value of xx for which f(x)=0f(x)=0:

0=log⁡2(x+p)0=log⁡(x+p)1=x+px=1−p=1−e2\begin{aligned} 0&=\sqrt{\log^2(x+p)}\\ 0&=\log(x+p)\\ 1&=x+p\\ x&=1-p=1-e^2 \end{aligned}

The xx-intercept is 1−e21-e^2.

(As another quick check, the xx-intercept we found is a distance of 1 from the vertical asymptote, and this looks about right on the graph.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 1번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석보통자동 분류
171.CLP-1 · 3.6절 · 1번우리말 번역

아래에 그래프로 주어진 각 함수에 해당하는 도함수를 목록에서 찾아 짝지으세요. (예를 들어, 목록의 어떤 함수가 A′(x)A'(x) 에 해당하는지 찾으세요.)

곡선의 변화 양상이 잘 드러나도록 yy 축의 눈금을 조정했으므로, 그래프마다 세로 눈금이 다릅니다.

l(x)=(x−2)4l(x)=(x-2)^4

m(x)=(x−2)4(x+2)m(x)=(x-2)^4(x+2)

n(x)=(x−2)2(x+2)2n(x)=(x-2)^2(x+2)^2

o(x)=(x−2)(x+2)3o(x)=(x-2)(x+2)^3

p(x)=(x+2)4p(x)=(x+2)^4

그림

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영어 원문 보기

Match each function graphed below to its derivative from the list. (For example, which function on the list corresponds to A′(x)A'(x)?)

The yy-axes have been scaled to make the curve's behaviour clear, so the vertical scales differ from graph to graph.

l(x)=(x−2)4l(x)=(x-2)^4

m(x)=(x−2)4(x+2)m(x)=(x-2)^4(x+2)

n(x)=(x−2)2(x+2)2n(x)=(x-2)^2(x+2)^2

o(x)=(x−2)(x+2)3o(x)=(x-2)(x+2)^3

p(x)=(x+2)4p(x)=(x+2)^4

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정답·풀이 보기

함수 A(x)A(x) 와 B(x)B(x) 는 다른 함수들과 구별되는 공통점이 있다. 접선이 수평인 점이 한 번뿐이라는 것이다. 특히 A′(−2)≠0A'(-2) \neq 0 이고 B′(2)≠0B'(2) \neq 0 이다. 목록에서 서로 다른 두 근을 갖지 않는 함수는 l(x)l(x) 와 p(x)p(x) 뿐이다. l(−2)≠0l(-2) \neq 0 이고 p(2)≠0p(2) \neq 0 이므로 다음을 얻는다. A′(x)=l(x)B′(x)=p(x)A'(x)=l(x) \qquad B'(x)=p(x)

함수 C(x)C(x) 는 감소하는 구간이 없다. x=±2x = \pm 2 일 때 접선이 수평이지만 곡선은 결코 감소하지 않으므로, 모든 xx 에 대해 C′(x)≥0C'(x) \geq 0 이고 C′(2)=C′(−2)=0C'(2)=C'(-2)=0 이다. 이에 맞는 함수는 n(x)=(x−2)2(x+2)2n(x)=(x-2)^2(x+2)^2 뿐이다. 일차식 인수들의 거듭제곱이 짝수이므로 이 함수는 음수가 되지 않으며, 근은 정확히 x=±2x=\pm 2 이다. C′(x)=n(x)C'(x)=n(x)

함수 D(x)D(x) 와 E(x)E(x) 는 x=0x=0 근처에서의 변화 양상을 살펴본다. D(x)D(x) 는 x=0x=0 근처에서 감소하므로 D′(0)<0D'(0)<0 이고, 이는 o(0)<0o(0)<0 과 일치한다. 반면 E(x)E(x) 는 00 근처에서 증가하므로 E′(0)>0E'(0)>0 이고, 이는 m(0)>0m(0)>0 과 일치한다. D′(x)=o(x)E′(x)=m(x)D'(x)=o(x)\qquad E'(x)=m(x)

원본 교재 풀이(영어)

Functions A(x)A(x) and B(x)B(x) share something in common that sets them apart from the others: they have a horizontal tangent line only once. In particular, A′(−2)≠0A'(-2) \neq 0 and B′(2)≠0B'(2) \neq 0. The only listed functions that do not have two distinct roots are l(x)l(x) and p(x)p(x). Since l(−2)≠0l(-2) \neq 0 and p(2)≠0p(2) \neq 0, we conclude A′(x)=l(x)B′(x)=p(x)A'(x)=l(x) \qquad B'(x)=p(x)

Function C(x)C(x) is never decreasing. Its tangent line is horizontal when x=±2x = \pm 2, but the curve never decreases, so C′(x)≥0C'(x) \geq 0 for all xx and C′(2)=C′(−2)=0C'(2)=C'(-2)=0. The only function that matches this is n(x)=(x−2)2(x+2)2n(x)=(x-2)^2(x+2)^2. Since its linear terms have even powers, it is never negative, and its roots are precisely x=±2x=\pm 2. C′(x)=n(x)C'(x)=n(x)

For the functions D(x)D(x) and E(x)E(x) we consider their behaviour near x=0x=0. D(x)D(x) is decreasing near x=0x=0, so D′(0)<0D'(0)<0, which matches with o(0)<0o(0)<0. Contrastingly, E(x)E(x) is increasing near zero, so E′(0)>0E'(0)>0, which matches with m(0)>0m(0)>0. D′(x)=o(x)E′(x)=m(x)D'(x)=o(x)\qquad E'(x)=m(x)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 3번
# 함수의 증가와 감소그래프·표 해석기본자동 분류
172.CLP-1 · 3.6절 · 1번우리말 번역

아래 그래프로 나타낸 함수는 어떤 대칭성(우함수, 기함수, 주기성)을 가지는지 구하세요.

그림

영어 원문 보기

What symmetries (even, odd, periodic) does the function graphed below have?

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정답·풀이 보기

이 함수는 yy축에 대해 대칭이므로 우함수이다.

원본 교재 풀이(영어)

This function is symmetric across the yy-axis, so it is even.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 6번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
173.CLP-1 · 3.6절 · 2번우리말 번역

아래 그래프로 나타낸 함수는 어떤 대칭성(우함수, 기함수, 주기성)을 가지는지 구하세요.

그림

영어 원문 보기

What symmetries (even, odd, periodic) does the function graphed below have?

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정답·풀이 보기

이 함수는 yy축에 대해 대칭이 아니므로 우함수가 아니다.

그래프가 보인 대로 계속된다고 가정하면, 아래에 나타낸 단위가 반복되므로 이 함수는 주기함수이다.

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또한 f(x)f(x) 는 기함수이다. 기함수 대칭을 가지는 함수에서는 곡선의 오른쪽 부분(yy축의 오른쪽 부분)을 yy축과 xx축에 대해 모두 대칭이동하면 곡선의 왼쪽 부분과 겹친다.

그림

그림

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그래프의 오른쪽 부분을 yy축에 대해 대칭이동한 다음 xx축에 대해 대칭이동하면 f(x)f(x) 가 되므로, f(x)f(x) 는 기함수라고 결론짓는다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is not even, because it is not mirrored across the yy-axis.

Assuming it continues as shown, the function is periodic, because the unit shown below is repeated:

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Additionally, f(x)f(x) is odd. In a function with odd symmetry, if we mirror the right-hand portion of the curve (the portion to the right of the yy-axis) across both the yy-axis and the xx-axis, it lines up with the left-hand portion of the curve.

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Since reflecting the right-hand portion of the graph across the yy-axis, then the xx-axis, gives us f(x)f(x), we conclude f(x)f(x) is odd.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 1번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
174.CLP-1 · 3.6절 · 3번우리말 번역

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 정의된 우함수라고 하자. 아래는 x>0x>0 일 때의 곡선 y=f(x)y=f(x) 이다. 곡선을 완성하여 그리세요.

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영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is an even function defined for all real numbers. Below is the curve y=f(x)y=f(x) when x>0x>0. Complete the sketch of the curve.

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정답·풀이 보기

함수가 우함수이므로, 보인 부분을 yy축에 대해 대칭이동하기만 하면 그래프가 완성된다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Since the function is even, we simply reflect the portion shown across the yy-axis to complete the sketch.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 2번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
175.CLP-1 · 3.6절 · 4번우리말 번역

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 정의된 기함수라고 하자. 아래는 x>0x>0 일 때의 곡선 y=f(x)y=f(x) 이다. 곡선의 그래프를 완성하세요.

그림

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is an odd function defined for all real numbers. Below is the curve y=f(x)y=f(x) when x>0x>0. Complete the sketch of the curve.

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정답·풀이 보기

함수가 기함수이므로, 그래프를 완성하려면 주어진 부분을 yy축에 대하여 대칭이동한 다음(점선으로 표시), 다시 xx축에 대하여 대칭이동한다(빨간색으로 표시).

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원본 교재 풀이(영어)

Since the function is odd, to complete the sketch, we reflect the portion shown across the yy-axis (shown dashed), then the xx-axis (shown in red).

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3.5절 · 6번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석기본자동 분류
176.CLP-1 · 3.6절 · 13번우리말 번역

(a) 함수 y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x 의 그래프를 그리세요. 이때 점근선, 극댓값과 극솟값, 변곡점, 그리고 그래프가 아래로 볼록인 구간과 위로 볼록인 구간을 나타내세요. (b) 함수 f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k 를 생각하세요. 여기서 kk 는 상수이고 −∞<k<∞-\infty<k<\infty 입니다. 이 함수는 몇 개의 근을 갖는지 구하세요. (답은 kk 의 값에 따라 달라질 수 있습니다.)

영어 원문 보기

(a) Sketch the graph of y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x, indicating asymptotes, local maxima and minima, inflection points, and where the graph is concave up/concave down. (b) Consider the function f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k, where kk is a constant, −∞<k<∞-\infty<k<\infty. How many roots does the function have? (Your answer might depend on the value of kk.)

정답·풀이 보기

(a) 먼저 미분한다. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad 함수와 그 도함수로부터 다음을 알 수 있다.

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)>0f'(x)> 0 (즉, ff 는 증가)
  • x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67 에서 f′(x)=0f'(x)=0 (즉, ff 는 임계점을 가짐)
  • ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)<0f'(x)< 0 (즉, ff 는 감소)
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

이로부터 그래프의 대략적인 모양을 처음으로 짐작할 수 있다.

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이 뼈대를 이계도함수의 정보를 이용해 다듬는다.

  • x>0x> 0 에서 f′′(x)>0f''(x)> 0 (즉, ff 는 아래로 볼록),
  • x=0x=0 에서 f′′(x)=0f''(x)=0 (즉, ff 는 변곡점을 가짐),
  • x<0x<0 에서 f′′(x)<0f''(x)< 0 (즉, ff 는 위로 볼록)

따라서

  • ff 는 점근선이 없다
  • ff 는 x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극대이고 x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극소이다
  • ff 는 x=0x=0 에서 변곡점을 갖는다
  • ff 는 x<0x<0 에서 위로 볼록이고 x>0x>0 에서 아래로 볼록이다

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(b) 함수 x5−x+kx^5-x+k 가 x=x0x=x_0 에서 근을 가질 필요충분조건은 x=x0x=x_0 에서 x5−x=−kx^5-x=-k 인 것이다. 따라서 x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 곡선 y=x5−xy=x^5-x 가 수평선 y=−ky=-k 와 만나는 횟수와 같다. x5−xx^5-x 의 극댓값(x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이고, x5−xx^5-x 의 극솟값(x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이다. 따라서 위의 x5−xx^5-x 의 그래프를 보면, x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 다음과 같다.

  • ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 1
  • ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 2
  • ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 3
원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we differentiate. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad The function and its first derivative tells us the following:

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • f′(x)>0f'(x)> 0 (i.e. ff is increasing) for ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f′(x)=0f'(x)=0 (i.e. ff has critical points) for x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67
  • f′(x)<0f'(x)< 0 (i.e. ff is decreasing) for ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

This gives us a first idea of the shape of the graph.

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We refine this skeleton using information from the second derivative.

  • f′′(x)>0f''(x)> 0 (i.e. ff is concave up) for x>0x> 0,
  • f′′(x)=0f''(x)=0 (i.e. ff has an inflection point) for x=0x=0, and
  • f′′(x)<0f''(x)< 0 (i.e. ff is concave down) for x<0x<0

Thus

  • ff has no asymptotes
  • ff has a local maximum at x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} and a local minimum at x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • ff has an inflection point at x=0x=0
  • ff is concave down for x<0x<0 and concave up for x>0x>0

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(b) The function x5−x+kx^5-x+k has a root at x=x0x=x_0 if and only if x5−x=−kx^5-x=-k at x=x0x=x_0. So the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is the number of times the curve y=x5−xy=x^5-x crosses the horizontal line y=−ky=-k. The local maximum of x5−xx^5-x (when x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}, and the local minimum of x5−xx^5-x (when x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}. So, looking at the graph of x5−xx^5-x above, we see that the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is

  • 1 when ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 2 when ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 3 when ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 10번
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석도전자동 분류
177.Active Calculus · 1.1절 · 11번우리말 번역

미국 인구 조사에 따르면 미시간주 그랜드래피즈시의 인구는 1980년에 181,843명, 1990년에 189,126명, 2000년에 197,800명이었다.

(a) 1980년부터 2000년까지 그랜드래피즈의 인구는 몇 명 늘었는지 구하세요. (b) 1980년부터 2000년까지 평균적으로 1년 동안 그랜드래피즈의 인구는 몇 명 늘었는지 구하세요. (c) 위치의 변화량을 시간의 변화량으로 나누어 움직이는 물체의 평균 속도를 구할 수 있는 것과 마찬가지로, 임의의 함수 ff 의 평균변화율도 구할 수 있다. 구체적으로, 구간 [a,b][a,b] 에서 함수 ff 의 평균변화율은 다음 몫이다. f(b)−f(a)b−a .\frac{f(b)-f(a)}{b-a}\,. 구간 [a,b][a,b] 에서 y=f(x)y = f(x) 의 그래프 위의 어떤 값을 f(b)−f(a)b−a\frac{f(b)-f(a)}{b-a} 가 나타내는지 설명하세요. (d) P(t)P(t) 는 시각 tt 에서 그랜드래피즈의 인구를 나타내고, tt 는 1980년 1월 1일부터 지난 햇수라고 하자. 구간 t=0t = 0 부터 t=20t = 20 까지에서 PP 의 평균변화율을 구하세요. 이 값의 단위는 무엇인지 구하세요. (e) 그랜드래피즈의 인구가 10년마다 약 4%의 비율로 증가한다고 가정하면, 인구 함수를 다음 식으로 나타낼 수 있다. P(t)=181843(1.04)t/10 .P(t) = 181843 (1.04)^{t/10}\,. 이 식을 이용하여 구간 [5,10][5,10], [5,9][5,9], [5,8][5,8], [5,7][5,7], [5,6][5,6] 에서 인구의 평균변화율을 구하세요. (f) 1985년 1월 1일에 그랜드래피즈의 인구는 얼마나 빠르게 변하고 있었다고 생각하나요? 다시 말해, 1985년 1월 1일 현재 그랜드래피즈의 인구에 사람들이 어느 정도의 비율로 더해지고 있었다고 생각하나요? 그다음 1년 동안 이 도시는 몇 명이 더 늘어날 것으로 예상해야 하나요? 그 이유는 무엇인가요?

영어 원문 보기

According to the U.S. census, the population of the city of Grand Rapids, MI, was 181,843 in 1980; 189,126 in 1990; and 197,800 in 2000.

(a) Between 1980 and 2000, by how many people did the population of Grand Rapids grow? (b) In an average year between 1980 and 2000, by how many people did the population of Grand Rapids grow? (c) Just like we can find the average velocity of a moving body by computing change in position over change in time, we can compute the average rate of change of any function ff. In particular, the average rate of change of a function ff over an interval [a,b][a,b] is the quotient f(b)−f(a)b−a .\frac{f(b)-f(a)}{b-a}\,. What does the quantity f(b)−f(a)b−a\frac{f(b)-f(a)}{b-a} measure on the graph of y=f(x)y = f(x) over the interval [a,b][a,b]? (d) Let P(t)P(t) represent the population of Grand Rapids at time tt, where tt is measured in years from January 1, 1980. What is the average rate of change of PP on the interval t=0t = 0 to t=20t = 20? What are the units on this quantity? (e) If we assume the population of Grand Rapids is growing at a rate of approximately 4% per decade, we can model the population function with the formula P(t)=181843(1.04)t/10 .P(t) = 181843 (1.04)^{t/10}\,. Use this formula to compute the average rate of change of the population on the intervals [5,10][5,10], [5,9][5,9], [5,8][5,8], [5,7][5,7], and [5,6][5,6]. (f) How fast do you think the population of Grand Rapids was changing on January 1, 1985? Said differently, at what rate do you think people were being added to the population of Grand Rapids as of January 1, 1985? How many additional people should the city have expected in the following year? Why?

정답·풀이 보기

(a) 인구의 변화량은 P(2000)−P(1980)=197800−181843=15957P(2000) - P(1980) = 197 800 - 181 843 = 15 957 명이다. (b) 1980년부터 2000년까지 20년 동안 그랜드래피즈에 1595715 957 명이 늘었으므로, 평균적으로 1년 동안 인구는 15,95720≈798\frac{15,957}{20} \approx 798 명/년 늘었다. (c) f(b)−f(a)b−a=ΔfΔx\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=\frac{\Delta f}{\Delta x} 는 두 점 (a,f(a))(a,f(a)) 와 (b,f(b))(b,f(b)) 를 지나는 할선의 기울기를 나타낸다. (d) AV[0,20]=P(20)−P(0)20−0=197800−18184320=1595720≈798AV_{[0,20]}=\frac{P(20)-P(0)}{20-0}=\frac{197 800 - 181 843}{20}=\frac{15 957}{20} \approx 798 명/년이다. (e) AV[5,10]=P(10)−P(5)10−5=189116.72−185444.2010−5≈734.50AV[5,9]=188376.44−185444.209−5≈733.06AV[5,8]=187639.06−185,444.208−5≈731.62AV[5,7]=186904.57−185,444.207−5≈730.19AV[5,6]=186172.95−185,444.206−5≈728.7535\begin{aligned}AV_{[5,10]} &=\frac{P(10) - P(5)}{10-5} = \frac{189 116.72 - 185 444.20}{10-5} \approx 734.50 \\ AV_{[5,9]} &= \frac{188 376.44 - 185 444.20}{9-5} \approx 733.06 \\ AV_{[5,8]} &= \frac{187 639.06 - 185,444.20}{8-5} \approx 731.62 \\ AV_{[5,7]} &= \frac{186 904.57 - 185,444.20}{7-5} \approx 730.19 \\ AV_{[5,6]} &= \frac{186 172.95 - 185,444.20}{6-5} \approx 728.7535\end{aligned} 이 값들의 단위는 각각 “명/년”이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The change in population is P(2000)−P(1980)=197800−181843=15957P(2000) - P(1980) = 197 800 - 181 843 = 15 957 people. (b) Since there were 1595715 957 people added to Grand Rapids over the 20 years from 1980 to 2000, in an average year the population grew by 15,95720≈798\frac{15,957}{20} \approx 798 people/year. (c) f(b)−f(a)b−a=ΔfΔx\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=\frac{\Delta f}{\Delta x} measures the slope of a secant line through the points (a,f(a))(a,f(a)) and (b,f(b))(b,f(b)). (d) AV[0,20]=P(20)−P(0)20−0=197800−18184320=1595720≈798AV_{[0,20]}=\frac{P(20)-P(0)}{20-0}=\frac{197 800 - 181 843}{20}=\frac{15 957}{20} \approx 798 people per year. (e) AV[5,10]=P(10)−P(5)10−5=189116.72−185444.2010−5≈734.50AV[5,9]=188376.44−185444.209−5≈733.06AV[5,8]=187639.06−185,444.208−5≈731.62AV[5,7]=186904.57−185,444.207−5≈730.19AV[5,6]=186172.95−185,444.206−5≈728.7535\begin{aligned}AV_{[5,10]} &=\frac{P(10) - P(5)}{10-5} = \frac{189 116.72 - 185 444.20}{10-5} \approx 734.50 \\ AV_{[5,9]} &= \frac{188 376.44 - 185 444.20}{9-5} \approx 733.06 \\ AV_{[5,8]} &= \frac{187 639.06 - 185,444.20}{8-5} \approx 731.62 \\ AV_{[5,7]} &= \frac{186 904.57 - 185,444.20}{7-5} \approx 730.19 \\ AV_{[5,6]} &= \frac{186 172.95 - 185,444.20}{6-5} \approx 728.7535\end{aligned} The units on each of these quantities are “people per year”.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.1절 · 27번
# 평균변화율과 미분계수그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
178.Active Calculus · 1.3절 · 13번우리말 번역

이 문제의 목표는 여러 함수에 대해 한 점에서의 미분계수의 값을 구하되, 각 함수마다 세 가지 서로 다른 방법으로 구한 다음, 그 결과를 비교하여 세 방법이 모두 같은 값을 내는지 확인하는 것이다.

다음 각 함수에 대해 도함수의 극한 정의를 사용하여 세 가지 방법으로 f′(a)f'(a) 의 값을 구하세요. 먼저 대수적 방법을 써서 (극한을 정확히 계산하여) 구하려고 노력하고, 그다음 수치적 근거(작은 hh 의 값)로 그 결과를 검증하고, 마지막으로 (a,f(a))(a,f(a)) 근처에서 y=f(x)y = f(x) 의 그래프를 알맞은 접선과 함께 그려서 f′(a)f'(a) 의 값을 시각적으로 어림하세요. 세 방법으로 얻은 결과를 서로 비교하세요. 대수적 방법을 끝내지 못하더라도 수치적 방법과 그래프를 이용한 방법은 계속 진행하세요.

(a) f(x)=x2−3xf(x) = x^2 - 3x, a=2a = 2 (b) f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x}, a=1a = 1 (c) f(x)=xf(x) = \sqrt{x}, a=1a = 1 (d) f(x)=2−∣x−1∣f(x) = 2 - |x-1|, a=1a = 1 (e) f(x)=sin⁡(x)f(x) = \sin(x), a=π2a = \frac{\pi}{2}

영어 원문 보기

The goal of this problem is to compute the value of the derivative at a point for several different functions, where for each one we do so in three different ways, and then to compare the results to see that each produces the same value.

For each of the following functions, use the limit definition of the derivative to compute the value of f′(a)f'(a) using three different approaches: strive to use the algebraic approach first (to compute the limit exactly), then test your result using numerical evidence (with small values of hh), and finally plot the graph of y=f(x)y = f(x) near (a,f(a))(a,f(a)) along with the appropriate tangent line to estimate the value of f′(a)f'(a) visually. Compare your findings among all three approaches; if you are unable to complete the algebraic approach, still work numerically and graphically.

(a) f(x)=x2−3xf(x) = x^2 - 3x, a=2a = 2 (b) f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x}, a=1a = 1 (c) f(x)=xf(x) = \sqrt{x}, a=1a = 1 (d) f(x)=2−∣x−1∣f(x) = 2 - |x-1|, a=1a = 1 (e) f(x)=sin⁡(x)f(x) = \sin(x), a=π2a = \frac{\pi}{2}

정답·풀이 보기

(a) 아래 표는 a=2a=2 이고 hh 가 작은 여러 값일 때 차분몫 f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} 의 값을 나타낸 것이다. 이 표는 f′(2)f'(2) 가 약 11 임을 나타낸다.

hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
f(2+h)−f(2)h\frac{f(2+h)-f(2)}{h} 0.99990.9999 0.99900.9990 0.99000.9900 1.01001.0100 1.00101.0010 1.00011.0001
다음 그림과 같이 점 (2,f(2))(2,f(2)) 에서 ff 의 접선의 기울기는 약 1로 보인다.
구간 -1 &lt; x &lt; 4 에서 함수 f(x) = x 2 - 3x 의 그래프와, 곡선 위의 점 (2,-2)에 초점을 맞추어 그 점에서의 접선의 그래프를 나타낸 그림이다. 접선은 (2,-2)를 지나며 기울기가
마지막으로 대수적 방법으로 이 어림값을 확인한다. x=ax=a 에서 ff 의 미분계수의 정의에 의해
f′(2)=lim⁡h→0f(2+h)−f(2)h=lim⁡h→0[(2+h)2−3(2+h)]−(−2)h=lim⁡h→0[4+4h+h2−6−3h]+2h=lim⁡h→0h2+hh=lim⁡h→0h(h+1)h=lim⁡h→0h+1=1\begin{aligned}f'(2) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(2+h)-f(2)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\left[(2+h)^2 - 3(2+h)\right] - (-2)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\left[4+4h+h^2 - 6 - 3h\right] + 2}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h^2 + h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(h+1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} h+1 \\ &= 1\end{aligned}
이는 수치적 방법과 기하적 방법으로 얻은 결론을 확인해 준다.
(b) 다음 표는 a=1a=1 이고 hh 가 작은 여러 값일 때 차분몫 f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} 의 값을 나타낸 것이다. 이 표는 f′(1)f'(1) 이 약 −1-1 임을 나타낸다.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} −1.00010-1.00010 −1.001001-1.001001 −1.010101-1.010101 −0.990099-0.990099 −0.999001-0.999001 −0.999900-0.999900
다음 그림과 같이 점 (1,f(1))(1,f(1)) 에서 ff 의 접선의 기울기는 약 −1-1 로 보인다.
구간 0.2 &lt; x &lt; 1.8 에서 함수 f(x) = x분의 1 의 그래프와, 곡선 위의 점 (1,1)에 초점을 맞추어 그 점에서의 접선의 그래프를 나타낸 그림이다. 접선은 (1,1)을 지나며 기울
마지막으로 대수적 방법으로 이 어림값을 확인한다. x=ax=a 에서 ff 의 미분계수의 정의에 의해
f′(1)=lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→011+h−1h=lim⁡h→011+h−1h(1+h1+h)=lim⁡h→01−(1+h)h(1+h)=lim⁡h→0−h)h(1+h)=lim⁡h→0−11+h=−1 .\begin{aligned}f'(1) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\frac{1}{1+h} - 1}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\frac{1}{1+h} - 1}{h} \left(\frac{1+h}{1+h} \right) \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{1-(1+h)}{h(1+h)} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{-h)}{h(1+h)} \\ &= \lim_{h \to 0} -\frac{1}{1+h} \\ &= -1\end{aligned}\,. 이는 수치적 방법과 기하적 방법으로 얻은 결론을 확인해 준다.
(c) 아래 표는 a=1a=1 이고 hh 가 작은 여러 값일 때 차분몫 f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} 의 값을 나타낸 것이다. 이 표는 f′(1)f'(1) 이 약 0.50.5 임을 나타낸다.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 0.500013000.50001300 0.500125100.50012510 0.501256290.50125629 0.498756200.49875620 0.499875000.49987500 0.499990000.49999000
아래 그림과 같이 점 (1,f(1))(1,f(1)) 에서 ff 의 접선의 기울기는 약 0.50.5 로 보인다.
구간 0.2 &lt; x &lt; 1.8 에서 함수 f(x) = x의 제곱근 의 그래프와, 곡선 위의 점 (1,1)에 초점을 맞추어 그 점에서의 접선의 그래프를 나타낸 그림이다. 접선은 (1,1)을 지나며 기울기가
마지막으로 대수적 방법으로 이 어림값을 확인한다. x=ax=a 에서 ff 의 미분계수의 정의에 의해
f′(1)=lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→01+h−1h=lim⁡h→01+h−1h=lim⁡h→01+h−1h(1+h+11+h+1)=lim⁡h→0(1+h)−1h(1+h+1)=lim⁡h→0hh(1+h+1)=11+h+1=12 .\begin{aligned}f'(1) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-\sqrt{1}}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-1}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-1}{h} \left(\frac{\sqrt{1+h}+1}{\sqrt{1+h}+1} \right) \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)-1}{h(\sqrt{1+h}+1)} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h}{h(\sqrt{1+h}+1)} \\ &= \frac{1}{\sqrt{1+h}+1} \\ &= \frac{1}{2}\end{aligned}\,. 이는 수치적 방법과 기하적 방법으로 얻은 결론을 확인해 준다.
(d) 다음 표의 자료는 f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 의 값이 h<0h < 0 일 때 11 이고 h>0h > 0 일 때 −1-1 임을 나타낸다. 이는 f′(1)f'(1) 이 존재하지 않음을 뜻한다.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 11 11 11 −1-1 −1-1 −1-1
아래 그림에서 ff 의 그래프는 점 (1,f(1))(1,f(1)) 에서 뾰족한 모서리를 갖는 것으로 보이며, 이 역시 (1,f(1))(1,f(1)) 에서 ff 의 접선이 없음을 뜻한다.
![구간 0.2 < x < 1.8 에서 함수 f(x) = 2- x-1 의 그래프와, 그래프 위의 점 (1,2)에 초점을 맞춘 그림이다. 이 함수는 점 (1,2)에서 뾰족한 모서리를 갖는다.](activecalc/1_3_Ez4d_soln.svg)
이제 대수적 방법으로 이 어림값을 확인한다. 먼저
f(1+h)−f(1)h=[2−∣(1+h)−1∣]−2h=(2−∣h∣)−2h=−∣h∣h\begin{aligned}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} &= \frac{[2-|(1+h)-1|] - 2}{h} \\ &= \frac{(2-|h|)-2}{h} \\ &= \frac{-|h|}{h}\end{aligned}
임에 주목한다. 절댓값 함수의 정의에 의해 h≥0h \ge 0 이면 ∣h∣=h|h| = h 이고, h<0h < 0 이면 ∣h∣=−h|h| = -h 이다. 따라서 h>0h > 0 일 때
f(1+h)−f(1)h=−∣h∣h=−hh=−1\frac{f(1+h)-f(1)}{h} = \frac{-|h|}{h} = -\frac{h}{h} = -1
이고, h<0h < 0 일 때
f(1+h)−f(1)h=−∣h∣h=−−hh=1 .\frac{f(1+h)-f(1)}{h} = \frac{-|h|}{h} = -\frac{-h}{h} = 1\,. 이로써 lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h\lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} 이 존재하지 않음이 확인된다.
(e) 다음 표의 자료는 h→0h \to 0 일 때 f(π2+h)−f(π2)h\frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} 가 00 에 가까워짐을 나타낸다.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 0.000050.00005 0.00050.0005 0.0050.005 −0.005-0.005 −0.0005-0.0005 −0.00005-0.00005
아래 그림에서 ff 의 그래프는 점 (π2,f(π2))(\frac{\pi}{2},f(\frac{\pi}{2})) 에서 수평인 접선을 가지며, 이 역시 f′(π2)=0f'(\frac{\pi}{2}) = 0 임을 시사한다.
구간 -1.5 &lt; x &lt; 6.5 에서 함수 f(x) = sin(x) 의 그래프와, 곡선 위의 점 (2분의 π, 1)에 초점을 맞춘 그림이다. 그래프는 x = 2분의 π 에서 볼록하게 솟아 있으므로 그 x값에서 수평인 접선을 갖는다.
마지막으로 대수적 방법으로 이 어림값을 확인해 본다. 먼저
f(π2+h)−f(π2)h=sin⁡(π2+h)−sin⁡π2h=sin⁡(π2+h)−1h\begin{aligned}\frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} &= \frac{\sin(\frac{\pi}{2}+h) - \sin \frac{\pi}{2}}{h} \\ &= \frac{\sin(\frac{\pi}{2}+h) - 1}{h}\end{aligned}
임에 주목한다. 사인 함수의 덧셈정리를 이용하면
sin⁡(π2+h)=sin⁡π2cos⁡(h)+cos⁡π2sin⁡(h)=1⋅cos⁡(h)+0⋅sin⁡(h)=cos⁡(h) .\sin(\frac{\pi}{2}+h) = \sin \frac{\pi}{2} \cos(h) + \cos \frac{\pi}{2} \sin(h) = 1 \cdot \cos(h) + 0 \cdot \sin(h) = \cos(h)\,. 따라서
f′(π2)=lim⁡h→0f(π2+h)−f(π2)h=lim⁡h→0cos⁡(h)−1h\begin{aligned}f'(\frac{\pi}{2}) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) - 1}{h}\end{aligned}
이 시점에서 대수적 방법으로는 더 이상 계산할 수 없는 극한을 만난다. 앞에서 다룬 극한과 마찬가지로 작은 hh 의 값을 이용하여 이 극한을 어림할 수 있다. 그렇게 하면 이 극한도 00 에 가까워짐이 확인되므로, f′(π2)=0f'(\frac{\pi}{2}) = 0 이라고 결론짓는다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) The table below gives values of the difference quotient f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} for a=2a=2 and several small values of hh. This table indicates that f′(2)f'(2) is approximately 11.

hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
f(2+h)−f(2)h\frac{f(2+h)-f(2)}{h} 0.99990.9999 0.99900.9990 0.99000.9900 1.01001.0100 1.00101.0010 1.00011.0001
The tangent line to ff at the point (2,f(2))(2,f(2)) as shown in the following appears to have a slope that is approximately 1.
A plot of f(x) = x 2 - 3x on the interval -1 lt x lt 4 with a focus on the point (2,-2) on the curve as well as the graph of the tangent line at that point. The tangent line passes through (2,-2) with
Finally, we verify these approximations using an algebraic approach. The definition of the derivative of ff at x=ax=a shows that
f′(2)=lim⁡h→0f(2+h)−f(2)h=lim⁡h→0[(2+h)2−3(2+h)]−(−2)h=lim⁡h→0[4+4h+h2−6−3h]+2h=lim⁡h→0h2+hh=lim⁡h→0h(h+1)h=lim⁡h→0h+1=1\begin{aligned}f'(2) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(2+h)-f(2)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\left[(2+h)^2 - 3(2+h)\right] - (-2)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\left[4+4h+h^2 - 6 - 3h\right] + 2}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h^2 + h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(h+1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} h+1 \\ &= 1\end{aligned}
This confirms our conclusions using the numeric and geometric approaches.
(b) The following table gives values of the difference quotient f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} for a=1a=1 and several small values of hh. This table indicates that f′(1)f'(1) is approximately −1-1.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} −1.00010-1.00010 −1.001001-1.001001 −1.010101-1.010101 −0.990099-0.990099 −0.999001-0.999001 −0.999900-0.999900
The tangent line to ff at the point (1,f(1))(1,f(1)) as shown in the following figure appears to have a slope that is approximately −1-1.
A plot of f(x) = frac 1 x on the interval 0.2 lt x lt 1.8 with a focus on the point (1,1) on the curve as well as the graph of the tangent line at that point. The tangent line passes through (1,1) wit
Finally, we verify these approximations using an algebraic approach. The definition of the derivative of ff at x=ax=a shows that
f′(1)=lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→011+h−1h=lim⁡h→011+h−1h(1+h1+h)=lim⁡h→01−(1+h)h(1+h)=lim⁡h→0−h)h(1+h)=lim⁡h→0−11+h=−1 .\begin{aligned}f'(1) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\frac{1}{1+h} - 1}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\frac{1}{1+h} - 1}{h} \left(\frac{1+h}{1+h} \right) \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{1-(1+h)}{h(1+h)} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{-h)}{h(1+h)} \\ &= \lim_{h \to 0} -\frac{1}{1+h} \\ &= -1\end{aligned}\,. This confirms our conclusions using the numeric and geometric approaches.
(c) The table below gives values of the difference quotient f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h} for a=1a=1 and several small values of hh. This table indicates that f′(1)f'(1) is approximately 0.50.5.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 0.500013000.50001300 0.500125100.50012510 0.501256290.50125629 0.498756200.49875620 0.499875000.49987500 0.499990000.49999000
The tangent line to ff at the point (1,f(1))(1,f(1)) as shown in the figure below appears to have a slope that is approximately 0.50.5.
A plot of f(x) = sqrt x on the interval 0.2 lt x lt 1.8 with a focus on the point (1,1) on the curve as well as the graph of the tangent line at that point. The tangent line passes through (1,1) with
Finally, we verify these approximations using an algebraic approach. The definition of the derivative of ff at x=ax=a shows that
f′(1)=lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→01+h−1h=lim⁡h→01+h−1h=lim⁡h→01+h−1h(1+h+11+h+1)=lim⁡h→0(1+h)−1h(1+h+1)=lim⁡h→0hh(1+h+1)=11+h+1=12 .\begin{aligned}f'(1) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-\sqrt{1}}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-1}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\sqrt{1+h}-1}{h} \left(\frac{\sqrt{1+h}+1}{\sqrt{1+h}+1} \right) \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{(1+h)-1}{h(\sqrt{1+h}+1)} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h}{h(\sqrt{1+h}+1)} \\ &= \frac{1}{\sqrt{1+h}+1} \\ &= \frac{1}{2}\end{aligned}\,. This confirms our conclusions using the numeric and geometric approaches.
(d) The data in the following table indicates that f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} has values of 11 for h<0h < 0 and values of −1-1 for h>0h > 0. This implies that f′(1)f'(1) does not exist.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 11 11 11 −1-1 −1-1 −1-1
The graph of ff in the figure below appears to show a sharp corner at the point (1,f(1))(1,f(1)), also implying that there is no tangent line to ffat (1,f(1))(1,f(1)).
![A plot of f(x) = 2- x-1 on the interval 0.2 lt x lt 1.8 with a focus on the point (1,2) on the graph. The function has a sharp corner at the point (1,2).](activecalc/1_3_Ez4d_soln.svg)
Now we verify these approximations using an algebraic approach. Notice first that
f(1+h)−f(1)h=[2−∣(1+h)−1∣]−2h=(2−∣h∣)−2h=−∣h∣h\begin{aligned}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} &= \frac{[2-|(1+h)-1|] - 2}{h} \\ &= \frac{(2-|h|)-2}{h} \\ &= \frac{-|h|}{h}\end{aligned}
The definition of the absolute value function tells us that ∣h∣=h|h| = h whenever h≥0h \ge 0, while ∣h∣=−h|h| = -h whenever h<0h < 0. Thus, for h>0h > 0, we have
f(1+h)−f(1)h=−∣h∣h=−hh=−1\frac{f(1+h)-f(1)}{h} = \frac{-|h|}{h} = -\frac{h}{h} = -1
and for h<0h < 0, we have
f(1+h)−f(1)h=−∣h∣h=−−hh=1 .\frac{f(1+h)-f(1)}{h} = \frac{-|h|}{h} = -\frac{-h}{h} = 1\,. This confirms that lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h\lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h} does not exist.
(e) The data in the following table indicate that f(π2+h)−f(π2)h\frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} approaches 00 as h→0h \to 0.
hh −0.0001-0.0001 −0.001-0.001 −0.01-0.01 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001
--- --- --- --- --- --- ---
f(1+h)−f(1)h\frac{f(1+h)-f(1)}{h} 0.000050.00005 0.00050.0005 0.0050.005 −0.005-0.005 −0.0005-0.0005 −0.00005-0.00005
The graph of ff in the figure below shows a horizontal tangent line at the point (π2,f(π2))(\frac{\pi}{2},f(\frac{\pi}{2})), which also suggests that f′(π2)=0f'(\frac{\pi}{2}) = 0.
A plot of f(x) = sin(x) on the interval -1.5 lt x lt 6.5 with a focus on the point ( frac pi 2 ,1) on the curve. The graph has a hump at x = frac pi 2 and thus a horizontal tangent line at that x-valu
Finally, we attempt to verify these approximations using an algebraic approach. Notice first that
f(π2+h)−f(π2)h=sin⁡(π2+h)−sin⁡π2h=sin⁡(π2+h)−1h\begin{aligned}\frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} &= \frac{\sin(\frac{\pi}{2}+h) - \sin \frac{\pi}{2}}{h} \\ &= \frac{\sin(\frac{\pi}{2}+h) - 1}{h}\end{aligned}
Using the sum of two angles identity for the sine function, it follows that
sin⁡(π2+h)=sin⁡π2cos⁡(h)+cos⁡π2sin⁡(h)=1⋅cos⁡(h)+0⋅sin⁡(h)=cos⁡(h) .\sin(\frac{\pi}{2}+h) = \sin \frac{\pi}{2} \cos(h) + \cos \frac{\pi}{2} \sin(h) = 1 \cdot \cos(h) + 0 \cdot \sin(h) = \cos(h)\,. Hence,
f′(π2)=lim⁡h→0f(π2+h)−f(π2)h=lim⁡h→0cos⁡(h)−1h\begin{aligned}f'(\frac{\pi}{2}) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(\frac{\pi}{2}+h)-f(\frac{\pi}{2})}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) - 1}{h}\end{aligned}
At this point, we encounter a limit that we are unable to evaluate further using algebraic means. Like the earlier limit above, we can estimate the limit using small values of hh. Doing so confirms that this limit also approaches 00, and we hence conclude that f′(π2)=0f'(\frac{\pi}{2}) = 0.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.1절 · 3번
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Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
179.Active Calculus · 1.4절 · 11번우리말 번역

함수 g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3 을 생각하세요.

(a) 도함수의 극한 정의를 이용하여 g′(x)g'(x) 의 식을 구하세요. (b) 그래픽 도구를 이용하여 y=g(x)y = g(x) 와 구한 y=g′(x)y = g'(x) 의 그래프를 함께 그리세요. 구한 g′(x)g'(x) 의 식이 예상한 그래프를 만들어 내나요? (c) 도함수의 극한 정의를 이용하여 p(x)=5x2−4x+12p(x) = 5x^2 - 4x + 12 일 때 p′(x)p'(x) 의 식을 구하세요. (d) 구한 g′(x)g'(x) 와 p′(x)p'(x) 의 식을 비교하고 차이점을 설명하세요. 상수 5, 4, 12, 3 은 결과에 어떤 영향을 주나요?

영어 원문 보기

Consider the function g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3.

(a) Use the limit definition of the derivative to determine a formula for g′(x)g'(x). (b) Use a graphing utility to plot both y=g(x)y = g(x) and your result for y=g′(x)y = g'(x); does your formula for g′(x)g'(x) generate the graph you expected? (c) Use the limit definition of the derivative to find a formula for p′(x)p'(x) where p(x)=5x2−4x+12p(x) = 5x^2 - 4x + 12. (d) Compare and contrast the formulas for g′(x)g'(x) and p′(x)p'(x) you have found. How do the constants 5, 4, 12, and 3 affect the results?

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의하여 g′(x)=lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h=lim⁡h→0(x+h)2−(x+h)+3−(x2−x+3)h=lim⁡h→0x2+2xh+h2−x−h+3−x2+x−3h=lim⁡h→02xh+h2−hh=lim⁡h→0h(2x+h−1)h=lim⁡h→0(2x+h−1)=2x−1 .\begin{aligned}g'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{g(x+h)-g(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{(x+h)^2 - (x+h) + 3 - (x^2 - x + 3)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{x^2 + 2xh + h^2 - x-h + 3 - x^2 + x - 3}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{2xh + h^2 - h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(2x + h - 1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} (2x + h - 1) \\ &= 2x - 1\end{aligned}\,. (b) 원래의 이차함수 g(x) = x 2 - x + 3 과 그 도함수 g&#39;(x) = 2x - 1 의 그래프이다. 그래프에서 g&#39;(x) 가 x축과 만나는 위치는 g(x) 가 수평 위 그림에는 gg 와 g′g' 의 그래프가 함께 그려져 있다. 점 (0.5,2.75)(0.5, 2.75) 는 이차함수 gg 의 꼭짓점이고, 이 점에서 g(x)g(x) 의 접선의 기울기는 0 이다. 이는 y=g′(x)y=g'(x) 가 xx축과 만나는 점 (0.5,0)(0.5, 0) 과 일치한다. 또한 x<0.5x < 0.5 일 때 g′(x)g'(x) 는 음수인데, 이는 gg 가 감소하고 접선의 기울기가 음수인 구간에 해당한다. 마찬가지로 x>0.5x > 0.5 일 때 g′g' 의 값은 양수이며, 이는 원래 함수 gg 에서 볼 수 있는 기울기의 값과 일치한다. (c) 정의에 의하여 p′(x)=lim⁡h→0p(x+h)−p(x)h=lim⁡h→05(x+h)2−4(x+h)+12−(5x2−4x+12)h=lim⁡h→05x2+10xh+5h2−4x−4h+12−5x2+4x−12h=lim⁡h→010xh+5h2−4hh=lim⁡h→0h(10x+5h−4)h=lim⁡h→0(10x+5h−4)=10x−4 .\begin{aligned}p'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{p(x+h)-p(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{5(x+h)^2 - 4(x+h) + 12 - (5x^2 - 4x + 12)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{5x^2 + 10xh + 5h^2 - 4x-4h + 12 - 5x^2 + 4x - 12}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{10xh + 5h^2 - 4h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(10x + 5h - 4)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} (10x + 5h - 4) \\ &= 10x - 4\end{aligned}\,. (d) g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3 에 대하여 g′(x)=2x−1g'(x) = 2x - 1 임을 구하였다. p(x)=5x2−4x+12p(x) = 5x^2 - 4x + 12 에 대하여 p′(x)=10x−4p'(x) = 10x - 4 임을 구하였다. 상수 33 과 1212 는 결과에 전혀 영향을 주지 않는 것으로 보이는데, 이 수들은 gg 와 pp 의 그래프를 세로 방향으로 평행이동할 뿐 기울기는 전혀 바꾸지 않으므로 타당하다. p(x)p(x) 의 일차항의 계수 −4-4 는 p′(x)=10x−4p'(x)= 10x - 4 에서 “−4-4”로 나타나는 것으로 보인다. 이 또한, 일차함수 L(x)=−4xL(x) = -4x 만 생각하면 기울기가 어디서나 −4-4 라는 사실에 비추어 타당하다. 이는 g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3 의 일차항의 계수 −1-1 이 g′(x)=2x−1g'(x) = 2x - 1 에서 상수 −1-1 로 나타나는 것과 대비된다. 마지막으로, (x)=5x2−4x+12(x) = 5x^2 - 4x + 12 의 최고차항의 계수 55 는 p′(x)=10x−4p'(x) = 10x -4 에서 계수 “1010”이 되게 한다. 이는 y=5x2y = 5x^2 만 생각하면 55 때문에 그래프가 y=x2y = x^2 의 그래프보다 55배 가파르게 되어 도함수에도 그만큼 비례하여 영향을 주기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition, g′(x)=lim⁡h→0g(x+h)−g(x)h=lim⁡h→0(x+h)2−(x+h)+3−(x2−x+3)h=lim⁡h→0x2+2xh+h2−x−h+3−x2+x−3h=lim⁡h→02xh+h2−hh=lim⁡h→0h(2x+h−1)h=lim⁡h→0(2x+h−1)=2x−1 .\begin{aligned}g'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{g(x+h)-g(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{(x+h)^2 - (x+h) + 3 - (x^2 - x + 3)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{x^2 + 2xh + h^2 - x-h + 3 - x^2 + x - 3}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{2xh + h^2 - h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(2x + h - 1)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} (2x + h - 1) \\ &= 2x - 1\end{aligned}\,. (b) A plot of the original quadratic function g(x) = x 2 - x + 3 along with its derivative, g&#39;(x) = 2x - 1. In the graph, we notice how g&#39;(x) crosses the x-axis at the same location where g(x) has a horiz In the above figure, we see plots of both gg and g′g'. We observe that the point (0.5,2.75)(0.5, 2.75) is the vertex of the quadratic function gg, and at this point the slope of the tangent line to g(x)g(x) is zero. This aligns with the point (0.5,0)(0.5, 0) where y=g′(x)y=g'(x) crosses the xx-axis. In addition, we note that g′(x)g'(x) is negative for x<0.5x < 0.5, which corresponds to where gg is decreasing and has tangent lines with slopes that are negative. Similarly, the values of g′g' are positive for x>0.5x > 0.5, which align with the values of slopes we see on the original function gg. (c) By definition, p′(x)=lim⁡h→0p(x+h)−p(x)h=lim⁡h→05(x+h)2−4(x+h)+12−(5x2−4x+12)h=lim⁡h→05x2+10xh+5h2−4x−4h+12−5x2+4x−12h=lim⁡h→010xh+5h2−4hh=lim⁡h→0h(10x+5h−4)h=lim⁡h→0(10x+5h−4)=10x−4 .\begin{aligned}p'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{p(x+h)-p(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{5(x+h)^2 - 4(x+h) + 12 - (5x^2 - 4x + 12)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{5x^2 + 10xh + 5h^2 - 4x-4h + 12 - 5x^2 + 4x - 12}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{10xh + 5h^2 - 4h}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{h(10x + 5h - 4)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} (10x + 5h - 4) \\ &= 10x - 4\end{aligned}\,. (d) For g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3, we found that g′(x)=2x−1g'(x) = 2x - 1. For p(x)=5x2−4x+12p(x) = 5x^2 - 4x + 12, we determined that p′(x)=10x−4p'(x) = 10x - 4. The constants 33 and 1212 don't seem to affect the results at all, and that makes sense because those numbers only serve to shift the graphs of gg and pp vertically, which does nothing to change the slope. The coefficient −4-4 on the linear term in p(x)p(x) appears to make the “−4-4” appear in p′(x)=10x−4p'(x)= 10x - 4. That, too, makes sense in light of the fact that if we considered only the linear function L(x)=−4xL(x) = -4x, the slope would everywhere be −4-4, in contrast to the coefficent −1-1 found on the linear term in g(x)=x2−x+3g(x) = x^2 - x + 3, which leads to the constant −1-1 in g′(x)=2x−1g'(x) = 2x - 1. Finally, the leading coefficient 55 in (x)=5x2−4x+12(x) = 5x^2 - 4x + 12 leads to the coefficient of “1010” in p′(x)=10x−4p'(x) = 10x -4. This makes sense because if we considered only y=5x2y = 5x^2, the 55 would make the graph 55 times as steep as the graph of y=x2y = x^2, and thus it affects the derivative proportionately.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.2절 · 38번
# 도함수의 뜻그래프·표 해석자동 분류
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180.Active Calculus · 1.5절 · 6번우리말 번역

커피 한 잔의 시간 tt 에서의 온도 FF (단위: 화씨 도)가 함수 F(t)=75+110e−0.05tF(t) = 75 + 110 e^{-0.05t} 로 주어지고, 시간은 분 단위로 잰다.

(a) h=0.01h = 0.01 인 중심차분을 이용하여 F′(10)F'(10) 의 값을 어림하세요. (b) (a)에서 계산한 F′(10)F'(10) 의 값의 단위는 무엇입니까? F′(10)F'(10) 의 값이 실제로 의미하는 바는 무엇입니까? (c) F′(10)F'(10) 과 F′(20)F'(20) 중 어느 것이 더 클 것으로 예상합니까? 그 이유는 무엇입니까? (d) 시간 구간 0≤t≤300 \le t \le 30 에서 함수 y=F′(t)y = F'(t) 의 변화 양상을 설명하는 문장을 쓰세요. 그 그래프는 어떤 모양일 것이라고 생각합니까? 그 이유는 무엇입니까?

영어 원문 보기

A cup of coffee has its temperature FF (in degrees Fahrenheit) at time tt given by the function F(t)=75+110e−0.05tF(t) = 75 + 110 e^{-0.05t}, where time is measured in minutes.

(a) Use a central difference with h=0.01h = 0.01 to estimate the value of F′(10)F'(10). (b) What are the units on the value of F′(10)F'(10) that you computed in (a)? What is the practical meaning of the value of F′(10)F'(10)? (c) Which do you expect to be greater: F′(10)F'(10) or F′(20)F'(20)? Why? (d) Write a sentence that describes the behavior of the function y=F′(t)y = F'(t) on the time interval 0≤t≤300 \le t \le 30. How do you think its graph will look? Why?

정답·풀이 보기

(a) 중심차분 공식을 이용하면 다음과 같다. F′(10)≈F(10.01)−F(9.99)0.02=(75+110e−0.05⋅10.01)−(75+110e−0.05⋅9.99)0.02≈−3.33592 .F'(10) \approx \frac{F(10.01) - F(9.99)}{0.02} = \frac{(75 + 110 e^{-0.05\cdot 10.01}) - (75 + 110 e^{-0.05\cdot 9.99})}{0.02} \approx -3.33592\,. (b) FF 는 화씨 도 단위로, tt 는 분 단위로 재므로 F′(10)≈−3.33592F'(10) \approx -3.33592 화씨 도/분이다. 이는 t=10t=10 인 순간에 커피의 온도가 분당 약 3.335923.33592 도의 순간변화율로 감소하고 있음을 뜻한다. 달리 말하면, 다음 1분 동안 커피의 온도가 약 3.335923.33592 도 떨어질 것으로 예상할 수 있다. (c) 커피의 온도와 주변 온도의 차이가 가장 큰 초반에 커피의 온도가 빠르게 감소하고, 시간이 지남에 따라 커피의 온도가 주변 실내 온도에 가까워질 것으로 예상한다. FF 가 항상 감소하는 함수이므로 F′F' 은 항상 음수임을 염두에 두면, F′(10)F'(10) 이 F′(20)F'(20) 보다 작다(더 음수이다)는 것을 알 수 있다. 이러한 관찰은 FF 의 그래프를 그려서도 확인할 수 있다. (d) F′F' 은 항상 음수이고, 시간이 지남에 따라 F′F' 이 00 에 점점 더 가까워질 것(즉, F′F' 이 증가함)으로 예상된다는 것을 앞에서 살펴보았다. 따라서 F′F' 의 그래프는 y=−e−xy = -e^{-x} 의 그래프와 비슷한 모양일 것으로 예상된다. −e−x-e^{-x} 도 지수함수이고, 항상 음수이며, 항상 증가하고, xx 가 커질수록 00 에 가까워지므로 이는 타당하다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Using the central difference formula, we find that F′(10)≈F(10.01)−F(9.99)0.02=(75+110e−0.05⋅10.01)−(75+110e−0.05⋅9.99)0.02≈−3.33592 .F'(10) \approx \frac{F(10.01) - F(9.99)}{0.02} = \frac{(75 + 110 e^{-0.05\cdot 10.01}) - (75 + 110 e^{-0.05\cdot 9.99})}{0.02} \approx -3.33592\,. (b) Since FF is measured in degrees Fahrenheit and tt in minutes, we have F′(10)≈−3.33592F'(10) \approx -3.33592 degrees F per minute. This means that at the instant t=10t=10, the temperature of the coffee is decreasing at an instantaneous rate of about 3.335923.33592 degrees per minute. Said differently, in the next minute, we'd expect the temperature of the coffee to drop about 3.335923.33592 degrees. (c) We expect the coffee's temperature to decrease quickly early on when the difference between its temperature and the surroundings is greatest, and as time goes on for the coffee's temperature to approach that of the surrounding room. Keeping in mind that FF is an always decreasing function so that F′F' is always negative, we observe that F′(10)F'(10) should be less (more negative) than F′(20)F'(20). These observations can also be confirmed by plotting a graph of FF. (d) We have noted that F′F' is always negative, and that we expect F′F' to get closer and closer to 00 as time goes on (that is, F′F' is increasing). As such, we expect F′F' to look something like the graph of y=−e−xy = -e^{-x}. This is reasonable since −e−x-e^{-x} is also an exponential function, is always negative, is always increasing, and approaches 00 as xx increases.

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