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

3문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.5절 · 56번우리말 풀이

f(x)f(x) 가 세 개의 근을 가지면 변곡점이 11 개 있다.

영어 원문 보기

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

풀이 보기

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

  1. 1

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

  2. 2

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

  3. 3

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

답

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

자주 하는 실수

근의 개수와 변곡점의 개수가 늘 같다고 생각하는 실수가 있어요. 변곡점은 f′′f'' 의 부호 변화로 정해져요.

참고: 원본 교재의 답과 다르게 풀었어요 — 원본은 '참'인데, 함수의 종류(삼차함수 등)가 문제에 적혀 있지 않아 일반 함수로는 반례가 있어요. 원문에 '삼차함수'라는 전제가 있었는지 확인이 필요해요.

원본 교재 풀이(영어)

True, examine derivative

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 3.4절 · 8번
# 함수의 그래프 그리기증명·논술도전
2.CLP-1 · 3.6절 · 10번우리말 번역

f(x)=tan⁡(3x)+sin⁡(4x)f(x)=\tan\left(3 x\right)+\sin\left(4 x\right) f(x)f(x) 의 주기를 구하세요.

영어 원문 보기

f(x)=tan⁡(3x)+sin⁡(4x)f(x)=\tan\left(3 x\right)+\sin\left(4 x\right) What is the period of f(x)f(x)?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

g(x)=tan⁡(3x)g(x)=\tan(3x) 와 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 를 따로 생각해 보자. 탄젠트의 주기는 π\pi 임을 떠올리자.

tan⁡X=tan⁡(X+π)tan⁡X 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 3x 로 바꾸면:tan⁡(3x)=tan⁡(3x+π)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해tan⁡(3x)=tan⁡(3(x+π3))tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해g(x)=g(x+π3)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해따라서 g(x)=tan⁡(3x) 의 주기는 π3 이다.마찬가지로 사인의 주기는 2π 이다.sin⁡(X)=sin⁡(X+2π)sin⁡(X) 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 4x 로 바꾸면:sin⁡(4x)=sin⁡(4x+2π)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해sin⁡(4x)=sin⁡(4(x+π2))sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해h(x)=h(x+π2)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해\begin{aligned} \tan X &= \tan(X+\pi)&&\text{$\tan X$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $3x$ 로 바꾸면:} \\ \tan(3x)&=\tan(3x+\pi)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \tan(3x)&=\tan\left(3\left(x+\frac{\pi}{3}\right)\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ g(x)&=g\left(x+\frac{\pi}{3}\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \\ \text{따라서 $g(x)=\tan(3x)$ 의 주기는 $\dfrac{\pi}{3}$ 이다.} \\ \\ \text{마찬가지로 사인의 주기는 $2\pi$ 이다.} \\ \sin(X)&=\sin(X+2\pi)&&\text{$\sin(X)$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $4x$ 로 바꾸면:} \\ \sin(4x)&=\sin(4x+2\pi)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \sin(4x)&=\sin\left(4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ h(x)&=h\left(x+\frac{\pi}{2}\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \end{aligned}

따라서 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 의 주기는 π2\dfrac{\pi}{2} 이다.

종합하면, f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) 는 g(x)g(x) 와 h(x)h(x) 가 모두 반복될 때 반복된다. π3\dfrac{\pi}{3} 와 π2\dfrac{\pi}{2} 의 공통인 정수 배수 중 가장 작은 것은 π\pi 이다. g(x)g(x) 는 π3\dfrac{\pi}{3} 만큼마다 반복되고 h(x)h(x) 는 π2\dfrac{\pi}{2} 만큼마다 반복되므로, 둘은 π\pi 만큼 이동해야 비로소 함께 반복된다. 따라서 f(x)f(x) 의 주기는 π\pi 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's consider g(x)=tan⁡(3x)g(x)=\tan(3x) and h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) separately. Recall that π\pi is the period of tangent.

tan⁡X=tan⁡(X+π)for every X in the domain of tan⁡XReplacing X with 3x:tan⁡(3x)=tan⁡(3x+π)for every x in the domain of tan⁡3xtan⁡(3x)=tan⁡(3(x+π3))for every x in the domain of tan⁡3xg(x)=g(x+π3)for every x in the domain of tan⁡3xSo, the period of g(x)=tan⁡(3x) is π3.Similarly, 2π is the period of sine.sin⁡(X)=sin⁡(X+2π)for every X in the domain of sin⁡(X)Replacing X with 4x:sin⁡(4x)=sin⁡(4x+2π)for every x in the domain of sin⁡(4x)sin⁡(4x)=sin⁡(4(x+π2))for every x in the domain of sin⁡(4x)h(x)=h(x+π2)for every x in the domain of sin⁡(4x)\begin{aligned} \tan X &= \tan(X+\pi)&&\text{for every $X$ in the domain of $\tan X$} \\ \text{Replacing $X$ with $3x$:} \\ \tan(3x)&=\tan(3x+\pi)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$}\\ \tan(3x)&=\tan\left(3\left(x+\frac{\pi}{3}\right)\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$}\\ g(x)&=g\left(x+\frac{\pi}{3}\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\tan 3x$} \\ \text{So, the period of $g(x)=\tan(3x)$ is $\dfrac{\pi}{3}$.} \\ \\ \text{Similarly, $2\pi$ is the period of sine.} \\ \sin(X)&=\sin(X+2\pi)&&\text{for every $X$ in the domain of $\sin(X)$} \\ \text{Replacing $X$ with $4x$:} \\ \sin(4x)&=\sin(4x+2\pi)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$}\\ \sin(4x)&=\sin\left(4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$}\\ h(x)&=h\left(x+\frac{\pi}{2}\right)&&\text{for every $x$ in the domain of $\sin(4x)$} \end{aligned}

So, the period of h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) is π2\dfrac{\pi}{2}.

All together, f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) will repeat when both g(x)g(x) and h(x)h(x) repeat. The least common integer multiple of π3\dfrac{\pi}{3} and π2\dfrac{\pi}{2} is π\pi. Since g(x)g(x) repeats every π3\dfrac{\pi}{3} units, and h(x)h(x) repeats every π2\dfrac{\pi}{2} units, they will not both repeat until we move π\pi units. So, the period of f(x)f(x) is π\pi.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 3번
# 함수의 그래프 그리기계산도전자동 분류
3.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.

그림

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

그림

(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.

figure

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

figure

(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