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

31문제 · 1 / 2쪽

1.OpenStax 1권 · 3.4절 · 24번우리말 풀이

[계산기 사용] 홀링 3형 식은 f(x)=ax2n2+x2f(x)=\frac{ax^2}{n^2+x^2}로 나타내요. 여기서 xx는 먹이의 양이고, a>0a>0는 포식자의 최대 섭취율이에요.

a. a=0.5a=0.5, n=5n=5일 때 홀링 3형 식의 그래프를 그리세요. 홀링 2형 식과 3형 식은 어떤 점이 다른가? b. 홀링 3형 식을 미분하고, 도함수의 물리적 의미를 해석하세요. c. 이계도함수를 구하고 그 의미를 해석하시오(이계도함수의 그래프를 그려 보면 도움이 돼요). d. 홀링 2형 함수와 비교할 때, 홀링 3형 함수는 어떤 생태 현상을 더 설명하는가?

영어 원문 보기

[T] The Holling type III equation is described by f(x)=ax2n2+x2,f(x)=\frac{a{x}^{2}}{{n}^{2}+{x}^{2}}, where xx is the amount of prey available and a>0a>0 is the maximum consumption rate of the predator.

a. Graph the Holling type III equation given a=0.5a=0.5 and n=5.n=5. What are the differences between the Holling type II and III equations? b. Take the first derivative of the Holling type III equation and interpret the physical meaning of the derivative. c. Find and interpret the meaning of the second derivative (it may help to graph the second derivative). d. What additional ecological phenomena does the Holling type III function describe compared with the Holling type II function?

풀이 보기

분수 꼴은 몫의 미분법으로 미분하고, 이계도함수의 부호가 바뀌는 곳이 증가 속도가 바뀌는 지점이에요.

  1. 1

    (a) a=0.5a=0.5, n=5n=5이면 f(x)=0.5x225+x2f(x)=\frac{0.5x^2}{25+x^2}이에요. 원점에서 출발해 처음에는 천천히 오르다가 점점 빨라지고, 그 뒤 다시 완만해지며 x=10x=10에서 f(10)=50125=0.4f(10)=\frac{50}{125}=0.4 근처에 이르는 S자 모양이에요. 그림도 같아요. 홀링 2형 식은 문제에 주어지지 않았지만, 보통 처음부터 가파르게 오르다 완만해지는 모양이라서 3형은 초반에 평평하게 시작한다는 점이 달라요.

  2. 2

    (b) 몫의 미분법 (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)'=\frac{u'v-uv'}{v^2}을 써요. u=ax2u=ax^2, v=n2+x2v=n^2+x^2이면 f′(x)=2ax(n2+x2)−ax2⋅2x(n2+x2)2=2axn2(n2+x2)2f'(x)=\frac{2ax(n^2+x^2)-ax^2\cdot2x}{(n^2+x^2)^2}=\frac{2axn^2}{(n^2+x^2)^2} x>0x>0에서 f′(x)>0f'(x)>0이므로 먹이가 늘면 포식자의 섭취(성장)가 늘어난다는 뜻이에요.

  3. 3

    (c) f′(x)=2an2 x(n2+x2)−2f'(x)=2an^2\,x(n^2+x^2)^{-2}를 한 번 더 미분해요. f′′(x)=2an2[(n2+x2)−2−4x2(n2+x2)−3]=2an2(n2−3x2)(n2+x2)3f''(x)=2an^2\left[(n^2+x^2)^{-2}-4x^2(n^2+x^2)^{-3}\right]=\frac{2an^2(n^2-3x^2)}{(n^2+x^2)^3}

  4. 4

    f′′(x)f''(x)의 부호는 n2−3x2n^2-3x^2가 정해요. 0<x<n30<x<\frac{n}{\sqrt3}이면 양수여서 증가 속도가 점점 빨라지고, x>n3x>\frac{n}{\sqrt3}이면 음수여서 증가 속도가 느려져요. n=5n=5이면 그 경계는 x=53≈2.9x=\frac{5}{\sqrt3}\approx2.9 근처의 변곡점이에요.

  5. 5

    (d) 먹이가 아주 적을 때 먹이가 포식자에게 잘 발견되지 않아 적게 잡아먹혀요. 그래서 포식자의 성장이 처음에 작아요. 3형 함수는 이런 초반의 낮은 섭취를 설명해요.

답

(a) 원점에서 시작하는 S자 모양 (b) f′(x)=2axn2(n2+x2)2f'(x)=\frac{2axn^2}{(n^2+x^2)^2}, 먹이가 늘면 섭취 증가 (c) f′′(x)=2an2(n2−3x2)(n2+x2)3f''(x)=\frac{2an^2(n^2-3x^2)}{(n^2+x^2)^3}, x=n3x=\frac{n}{\sqrt3}에서 증가 속도의 변화 방향이 바뀜 (d) 먹이가 적을 때 발견되기 어려워 섭취가 적은 현상

자주 하는 실수

몫의 미분법에서 분자를 u′v+uv′u'v+uv'로 더해 버리는 실수가 많아요. 몫의 미분은 빼요.

원본 교재 풀이(영어)

a.

The graph increases from the origin quickly at first and then slowly to (10, 0.4).

b. f′(x)=2axn2(n2+x2)2.{f}^{'}(x)=\frac{2ax{n}^{2}}{{({n}^{2}+{x}^{2})}^{2}}. When the amount of prey increases, the predator growth increases. c. f′′(x)=2an2(n2−3x2)(n2+x2)3.{f}^{''}(x)=\frac{2a{n}^{2}({n}^{2}-3{x}^{2})}{{({n}^{2}+{x}^{2})}^{3}}. When the amount of prey is extremely small, the rate at which predator growth is increasing is increasing, but when the amount of prey reaches above a certain threshold, the rate at which predator growth is increasing begins to decrease. d. At lower levels of prey, the prey is more easily able to avoid detection by the predator, so fewer prey individuals are consumed, resulting in less predator growth.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.5절 · 42번
2.OpenStax 1권 · 4.1절 · 41번우리말 풀이

버스 정류장이 있는 직각 모퉁이로 걸어가고 있어요. 당신은 초속 2 m 로 북쪽으로 움직이고 있고, 교차로에서 남쪽으로 20 m 떨어져 있어요. 버스는 교차로에서 멀어지며 초속 10 m 로 서쪽으로 가요. 버스를 놓쳤어요! 당신이 교차로에서 남쪽으로 20 m 에 있고 버스가 교차로에서 서쪽으로 10 m 에 있을 때, 당신과 버스 사이의 각이 변하는 비율은 얼마인가요?

영어 원문 보기

You are walking to a bus stop at a right-angle corner. You move north at a rate of 2 m/sec and are 20 m south of the intersection. The bus travels west at a rate of 10 m/sec away from the intersection – you have missed the bus! What is the rate at which the angle between you and the bus is changing when you are 20 m south of the intersection and the bus is 10 m west of the intersection?

풀이 보기

교차로·나·버스로 직각삼각형을 만들고, tan⁡θ=xy\tan\theta=\frac{x}{y} 를 시간으로 미분해요.

  1. 1

    왜 이렇게 할까요? 거리가 시간에 따라 변하니 각도 변해요. 상황을 직각삼각형으로 그리면 각과 길이의 관계식을 세울 수 있어요. 교차로에서 버스까지의 거리를 xx, 교차로에서 나까지의 거리를 yy 라 하고, 내 위치에서 교차로 쪽 방향과 버스 쪽 방향이 이루는 각을 θ\theta 라 해요.

  2. 2

    변하는 비율을 정리해요. 버스는 멀어지므로 dxdt=10\frac{dx}{dt}=10, 나는 교차로에 다가가므로 yy 가 줄어서 dydt=−2\frac{dy}{dt}=-2 예요.

  3. 3

    관계식을 세워요. 직각삼각형에서 tan⁡θ=xy\tan\theta=\frac{x}{y}

  4. 4

    양변을 tt 로 미분해요. 몫의 미분법을 쓰면 sec⁡2θ dθdt=x′y−xy′y2\sec^2\theta\,\frac{d\theta}{dt}=\frac{x'y-xy'}{y^2} 이에요. x=10, y=20, x′=10, y′=−2x=10,\ y=20,\ x'=10,\ y'=-2 를 넣으면 우변은 10⋅20−10⋅(−2)400=220400=1120\frac{10\cdot20-10\cdot(-2)}{400}=\frac{220}{400}=\frac{11}{20} 이에요.

  5. 5

    sec⁡2θ\sec^2\theta 의 값을 구해요. tan⁡θ=1020=12\tan\theta=\frac{10}{20}=\frac{1}{2} 이므로 sec⁡2θ=1+tan⁡2θ=1+14=54\sec^2\theta=1+\tan^2\theta=1+\frac14=\frac54

  6. 6

    dθdt\frac{d\theta}{dt} 를 구해요. 54dθdt=1120  ⟹  dθdt=1120⋅45=1125\frac{5}{4}\frac{d\theta}{dt}=\frac{11}{20}\;\Longrightarrow\;\frac{d\theta}{dt}=\frac{11}{20}\cdot\frac45=\frac{11}{25} 각은 초당 1125\frac{11}{25} 라디안의 비율로 커져요.

답

1125\dfrac{11}{25} rad/초

자주 하는 실수

yy 는 줄어드는 양인데 dydt\frac{dy}{dt} 의 부호를 +2+2 로 써서 계산이 틀어져요.

원본 교재 풀이(영어)

The angle is changing at a rate of 1125 rad/sec.\frac{11}{25}\,\text{rad/sec}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.1절 · 17번
# 관련 변화율활용도전
3.OpenStax 1권 · 4.6절 · 53번우리말 풀이

다음 문제에서는 계산기를 쓰지 않고 함수의 그래프를 그리세요. 극대·극소, 변곡점, 점근선 근처의 모습처럼 그래프의 중요한 특징을 모두 살펴보세요.

y=xtan⁡x,x=[−π,π]y=x\tan x,\quad x=[-\pi ,\pi ]

영어 원문 보기

For the following exercises, draw a graph of the functions without using a calculator. Be sure to notice all important features of the graph: local maxima and minima, inflection points, and asymptotic behavior.

y=xtan⁡x,x=[−π,π]y=x\tan x,x=[-\pi ,\pi ]

풀이 보기

대칭, 점근선, 증가·감소를 차례로 모으면 계산기 없이도 그래프의 개형이 나와요.

  1. 1

    대칭부터 확인해요. f(−x)=(−x)tan⁡(−x)=xtan⁡x=f(x)f(-x)=(-x)\tan(-x)=x\tan x=f(x) 이므로 yy축에 대하여 대칭이에요. 0≤x≤π0\le x\le\pi 만 살피고 나머지는 대칭으로 그리면 돼요.

  2. 2

    점근선을 찾아요. tan⁡x\tan x 가 정의되지 않는 곳은 x=±π2x=\pm\dfrac{\pi}{2} 이고, 거기서 x≠0x\ne0 이라 ∣f(x)∣→∞|f(x)|\to\infty 가 되어 수직점근선이에요. 부호는 π2\dfrac{\pi}{2} 왼쪽에서 xtan⁡x→+∞x\tan x\to+\infty, 오른쪽에서 →−∞\to-\infty 예요.

  3. 3

    중요한 점의 값을 구해요. f(0)=0f(0)=0, f(±π)=π⋅0=0f(\pm\pi)=\pi\cdot 0=0 이에요. 0<x<π20<x<\dfrac{\pi}{2} 에서는 x>0x>0, tan⁡x>0\tan x>0 이라 f>0f>0, π2<x<π\dfrac{\pi}{2}<x<\pi 에서는 tan⁡x<0\tan x<0 이라 f<0f<0 이에요.

  4. 4

    증가·감소를 살펴요. f′(x)=tan⁡x+xsec⁡2x=sin⁡xcos⁡x+xcos⁡2xf'(x)=\tan x+x\sec^2x=\dfrac{\sin x\cos x+x}{\cos^2x} 이에요. 분자 g(x)=x+sin⁡2x2g(x)=x+\dfrac{\sin 2x}{2} 는 g′(x)=1+cos⁡2x≥0g'(x)=1+\cos 2x\ge0 이라 늘어나기만 하고 g(0)=0g(0)=0 이므로 x>0x>0 에서 g>0g>0 이에요. 따라서 0<x<π0<x<\pi 에서 f′>0f'>0 으로 증가해요. 극값은 x=0x=0 에서의 극솟값 00 뿐이에요.

  5. 5

    오목·볼록을 살펴요. f′′(x)=2sec⁡2x (1+xtan⁡x)f''(x)=2\sec^2x\,(1+x\tan x) 이므로 부호는 1+xtan⁡x1+x\tan x 가 정해요. 0≤x<π20\le x<\dfrac{\pi}{2} 에서는 xtan⁡x≥0x\tan x\ge0 이라 아래로 볼록해요. π2<x<π\dfrac{\pi}{2}<x<\pi 에서는 xtan⁡x=−1x\tan x=-1 이 되는 x≈2.8x\approx2.8 에서 부호가 바뀌어 위로 볼록했다가 아래로 볼록해지는 변곡점이 생겨요.

  6. 6

    그래프를 정리해요. 00 에서 시작해 π2\dfrac{\pi}{2} 쪽으로 +∞+\infty 로 올라가고, 점근선 오른쪽에서는 −∞-\infty 에서 올라와 x=πx=\pi 에서 00 이 돼요. 왼쪽 절반은 yy축 대칭으로 그려요.

답

yy축 대칭, 수직점근선 x=±π2x=\pm\dfrac{\pi}{2}, x=0x=0 에서 극솟값 00, x=±πx=\pm\pi 에서 값 00, 변곡점은 x≈±2.8x\approx\pm2.8 근처 (그래프는 풀이 참조)

자주 하는 실수

tan⁡x\tan x 의 점근선만 보고 xx 가 곱해진 효과(부호 변화, x=0x=0 에서 00)를 놓쳐서 00 근처 모양을 잘못 그려요.

원본 교재 풀이(영어)

This graph has vertical asymptotes at x = ±π/2. The graph is symmetric about the y axis, so describing the left hand side will be sufficient. The function starts at (−π, 0) and decreases quickly to the asymptote. Then it starts on the other side of the asymptote in the second quadrant and decreases to the the origin.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.7절 · 17번
# 도함수의 활용(여러 가지 함수)그래프·표 해석도전
4.CLP-1 · 2.7절 · 13번우리말 번역

다음 함수 중 직선을 나타내는 것을 모두 고르세요. (a) y=e3log⁡x+1(b) 2y+5=e3+log⁡x(c) y=e2x+4(d) y=elog⁡x3e+log⁡2(a) ~y=e^{3\log x}+1 \qquad (b) ~2y+5=e^{3+\log x} \qquad (c)~y=e^{2x}+4\qquad (d)~y=e^{\log x}3^e+\log 2

영어 원문 보기

Which of the following functions describe a straight line? (a) y=e3log⁡x+1(b) 2y+5=e3+log⁡x(c) y=e2x+4(d) y=elog⁡x3e+log⁡2(a) ~y=e^{3\log x}+1 \qquad (b) ~2y+5=e^{3+\log x} \qquad (c)~y=e^{2x}+4\qquad (d)~y=e^{\log x}3^e+\log 2

정답·풀이 보기

상황을 더 잘 파악하기 위해 함수를 간단히 한다.

(aa): y=e3log⁡x+1=(elog⁡x)3+1=x3+1y=e^{3\log x}+1=\left(e^{\log x}\right)^3+1=x^3+1. 이것은 직선이 아니다.

(bb): 2y+5=e3+log⁡x=e3elog⁡x=e3x2y+5=e^{3+\log x}=e^3e^{\log x}=e^3x. e3e^3 은 상수이므로 2y+5=e3x2y+5=e^3x 는 직선이다.

(cc): 여기서는 특별히 간단히 할 방법이 없다. 이것은 직선이 아니다. 이 설명이 만족스럽지 않다면 다음과 같이 확인할 수 있다. 직선은 기울기가 일정한 함수이다. 주어진 함수에 대해 y′=ddx{e2x+4}=ddx{e2x}=ddx{(ex)2}=2exex=2e2xy'=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^{2x} +4\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^{2x}\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(e^x)^2\right\}=2e^xe^x=2e^{2x} 이다. 도함수가 상수가 아니므로 이 함수는 직선이 아니다.

(dd): y=elog⁡x3e+log⁡2=3e x+log⁡2y=e^{\log x}3^e+\log 2=3^e\,x+\log 2. 3e3^e 과 log⁡2\log 2 는 상수이므로 이것은 직선이다.

원본 교재 풀이(영어)

We simplify the functions to get a better idea of what's going on.

(aa): y=e3log⁡x+1=(elog⁡x)3+1=x3+1y=e^{3\log x}+1=\left(e^{\log x}\right)^3+1=x^3+1. This is not a line.

(bb): 2y+5=e3+log⁡x=e3elog⁡x=e3x2y+5=e^{3+\log x}=e^3e^{\log x}=e^3x. Since e3e^3 is a constant, 2y+5=e3x2y+5=e^3x is a line.

(cc): There isn't a fancy simplification here–this isn't a line. If that isn't a satisfactory answer, we can check: a line is a function with a constant slope. For our function, y′=ddx{e2x+4}=ddx{e2x}=ddx{(ex)2}=2exex=2e2xy'=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^{2x} +4\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^{2x}\}=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(e^x)^2\right\}=2e^xe^x=2e^{2x}. Since the derivative isn't constant, the function isn't a line.

(dd): y=elog⁡x3e+log⁡2=3e x+log⁡2y=e^{\log x}3^e+\log 2=3^e\,x+\log 2. Since 3e3^e and log⁡2\log 2 are constants, this is a line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.7절 · 11번
# 지수함수와 로그함수의 미분계산도전자동 분류
5.CLP-1 · 2.7절 · 14번우리말 번역

다음 함수가 미분가능하도록 상수 aa, bb 를 구하세요: f(x)={ax2+bx≤1exx>1f(x) =\left\{\begin{array}{ll} ax^2 + b & x \le 1\\ e^x & x > 1\end{array}\right.

영어 원문 보기

Find constants aa, bb so that the following function is differentiable: f(x)={ax2+bx≤1exx>1f(x) =\left\{\begin{array}{ll} ax^2 + b & x \le 1\\ e^x & x > 1\end{array}\right.

정답·풀이 보기

범위를 따로 정하지 않고 함수가 미분가능하다고 말할 때는 그 함수가 정의역 전체에서 미분가능하다는 뜻이다. 함수 f(x)f(x) 는 aa, bb 의 값에 관계없이 x≠1x \neq 1 에서 미분가능하다. 따라서 x=1x=1 에서도 미분가능하게 만드는 상수가 무엇인지만 찾으면 된다.

미분가능하려면 함수는 연속이어야 한다. 연속의 정의에 따르면 ff 가 x=1x=1 에서 연속이려면 lim⁡x→1f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x \to 1}f(x)=f(1) 이어야 한다. ff 의 정의로부터 f(1)=a+b=lim⁡x→1−f(x)f(1)=a+b=\displaystyle \lim_{x \to 1^-}f(x) 이므로 lim⁡x→1+f(x)=a+b\displaystyle \lim_{x\to 1^+}f(x)=a+b 이어야 한다. lim⁡x→1+f(x)=e1=e\displaystyle \lim_{x \to 1^+}f(x)=e^1=e 이므로 구체적으로 다음이 필요하다. e=a+b.e=a+b.

이제 x=1x=1 에서 ff 의 미분가능성을 생각하자. 다음 극한이 존재해야 한다:

lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h특히 좌극한과 우극한이 모두 존재하고 서로 같아야 한다:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+f(1+h)−f(1)hh<0 이면 1+h<1 이므로 f(1+h)=a(1+h)2+b 이다. h>0 이면 1+h>1 이므로 f(1+h)=e1+h 이다. 이를 염두에 두고 좌극한과 우극한을 계산하기 시작한다:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0−[a(1+h)2+b]−[a+b]h=lim⁡h→0−ah2+2ahh=2alim⁡h→0+f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+e1+h−(a+b)h연속이 되도록 a+b 를 e 와 같다고 놓으면:=lim⁡h→0+e1+h−e1h=ddx{ex}∣x=1=e1=e\begin{aligned} \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h}& \\ \text{특히 좌극한과 우극한이 모두 존재하고 서로 같아야 한다:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ \text{$h<0$ 이면 $1+h<1$ 이므로 $f(1+h)=a(1+h)^2+b$ 이다. $h>0$ 이면 $1+h>1$ 이므로 $f(1+h)=e^{1+h}$ 이다. 이를 염두에 두고 좌극한과 우극한을 계산하기 시작한다:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^-}\frac{[a(1+h)^2+b]-[a+b]}{h}\\ &=\lim_{h \to 0^-}\frac{ah^2+2ah}{h}=2a\\ \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-(a+b)}{h} \\ \text{연속이 되도록 $a+b$ 를 $e$ 와 같다고 놓으면:} \\ &= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-e^1}{h}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^x\}\right|_{x=1}=e^1=e \end{aligned}

따라서 다음도 필요하다. 2a=e2a= e

그러므로 ff 가 미분가능하도록 하는 aa, bb 의 값은 a=b=e2a=b=\dfrac{e}{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

When we say a function is differentiable without specifying a range, we mean that it is differentiable over its domain. The function f(x)f(x) is differentiable when x≠1x \neq 1 for any values of aa and bb; it is up to us to figure out which constants make it differentiable when x=1x=1.

In order to be differentiable, a function must be continuous. The definition of continuity tells us that, for ff to be continuous at x=1x=1, we need lim⁡x→1f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x \to 1}f(x)=f(1). From the definition of ff, we see f(1)=a+b=lim⁡x→1−f(x)f(1)=a+b=\displaystyle \lim_{x \to 1^-}f(x), so we need lim⁡x→1+f(x)=a+b\displaystyle \lim_{x\to 1^+}f(x)=a+b. Since lim⁡x→1+f(x)=e1=e\displaystyle \lim_{x \to 1^+}f(x)=e^1=e, we specifically need e=a+b.e=a+b.

Now, let's consider differentiability of ff at x=1x=1. We need the following limit to exist:

lim⁡h→0f(1+h)−f(1)hIn particular, we need the one-sided limits to exist and be equal:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+f(1+h)−f(1)hIf h<0, then 1+h<1, so f(1+h)=a(1+h)2+b. If h>0, then 1+h>1, so f(1+h)=e1+h. With this in mind, we begin to evaluate the one-sided limits:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0−[a(1+h)2+b]−[a+b]h=lim⁡h→0−ah2+2ahh=2alim⁡h→0+f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+e1+h−(a+b)hSince we take a+b to be equal to e (to ensure continuity):=lim⁡h→0+e1+h−e1h=ddx{ex}∣x=1=e1=e\begin{aligned} \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h}& \\ \text{In particular, we need the one-sided limits to exist and be equal:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ \text{If $h<0$, then $1+h<1$, so $f(1+h)=a(1+h)^2+b$. If $h>0$, then $1+h>1$, so $f(1+h)=e^{1+h}$. With this in mind, we begin to evaluate the one-sided limits:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^-}\frac{[a(1+h)^2+b]-[a+b]}{h}\\ &=\lim_{h \to 0^-}\frac{ah^2+2ah}{h}=2a\\ \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-(a+b)}{h} \\ \text{Since we take $a+b$ to be equal to $e$ (to ensure continuity):} \\ &= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-e^1}{h}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^x\}\right|_{x=1}=e^1=e \end{aligned}

So, we also need 2a=e2a= e

Therefore, the values of aa and bb that make ff differentiable are a=b=e2a=b=\dfrac{e}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.7절 · 9번
# 지수함수와 로그함수의 미분계산도전자동 분류
6.CLP-1 · 2.8절 · 16번우리말 번역

lim⁡x→2015(cos⁡(x)−cos⁡(2015)x−2015)\displaystyle \lim_{x\to 2015}\left( \dfrac{\cos(x)-\cos(2015)}{x-2015}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→2015(cos⁡(x)−cos⁡(2015)x−2015).\displaystyle \lim_{x\to 2015}\left( \dfrac{\cos(x)-\cos(2015)}{x-2015}\right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 극한은 함수 f(x)=cos⁡(x)f(x)=\cos(x) 의 x=2015x=2015 에서의 미분계수를 나타낸다. 이를 확인하려면 a=2015a=2015, f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 로 하여 미분계수의 정의를 그대로 사용하면 된다.

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{cos⁡x}∣2015=lim⁡x→2015cos⁡(x)−cos⁡(2015)x−2015\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\cos x\}\right|_{2015} &= \lim_{x\to2015}\frac{\cos(x)-\cos(2015)}{x-2015} \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수는 −sin⁡(x)-\sin(x) 이므로, x=2015x=2015 에서의 값은 정확히 −sin⁡(2015)-\sin(2015) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=2015x=2015 of the function f(x)=cos⁡(x)f(x)=\cos(x). To see this, simply use the definition of the derivative at a=2015a=2015 with f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{cos⁡x}∣2015=lim⁡x→2015cos⁡(x)−cos⁡(2015)x−2015\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\cos x\}\right|_{2015} &= \lim_{x\to2015}\frac{\cos(x)-\cos(2015)}{x-2015} \end{aligned}

Since the derivative of f(x)f(x) is −sin⁡(x)-\sin(x), its value at x=2015x=2015 is exactly −sin⁡(2015)-\sin(2015).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.5절 · 35번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
7.CLP-1 · 2.8절 · 17번우리말 번역

lim⁡x→π/3(cos⁡(x)−1/2x−π/3)\displaystyle \lim_{x\to \pi/3}\left( \dfrac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→π/3(cos⁡(x)−1/2x−π/3).\displaystyle \lim_{x\to \pi/3}\left( \dfrac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3}\right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 극한은 함수 f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 의 x=π/3x=\pi/3 에서의 미분계수를 나타낸다. 이는 f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 일 때 a=π/3a=\pi/3 에서의 미분계수의 정의를 이용하면 알 수 있다:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{cos⁡x}∣π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−cos⁡(π/3)x−π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−1/2x−π/3\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\cos x\}\right|_{\pi/3} &= \lim_{x\to\pi/3}\frac{\cos(x)-\cos(\pi/3)}{x-\pi/3}\\ &=\lim_{x\to\pi/3} \frac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3} \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수가 −sin⁡x-\sin x 이므로, x=π/3x=\pi/3 에서의 값은 정확히 −sin⁡(π/3)=−3/2-\sin(\pi/3)=-\sqrt{3}/2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=π/3x=\pi/3 of the function f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x. To see this, simply use the definition of the derivative at a=π/3a=\pi/3 with f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{cos⁡x}∣π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−cos⁡(π/3)x−π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−1/2x−π/3\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\cos x\}\right|_{\pi/3} &= \lim_{x\to\pi/3}\frac{\cos(x)-\cos(\pi/3)}{x-\pi/3}\\ &=\lim_{x\to\pi/3} \frac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3} \end{aligned}

Since the derivative of f(x)f(x) is −sin⁡x-\sin x, then its value at x=π/3x=\pi/3 is exactly −sin⁡(π/3)=−3/2-\sin(\pi/3)=-\sqrt{3}/2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 16번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
8.CLP-1 · 2.8절 · 18번우리말 번역

lim⁡x→π(sin⁡(x)x−π)\displaystyle \lim_{x\to \pi}\left(\dfrac{\sin(x)}{x-\pi}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→π(sin⁡(x)x−π).\displaystyle \lim_{x\to \pi}\left(\dfrac{\sin(x)}{x-\pi}\right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 극한은 함수 f(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x) 의 x=πx=\pi 에서의 미분계수를 나타낸다. 이는 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 일 때 a=πa=\pi 에서의 미분계수의 정의를 이용하면 알 수 있다:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{sin⁡x}∣π=lim⁡x→πsin⁡(x)−sin⁡(π)x−π=lim⁡x→πsin⁡(x)x−π\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin x\}\right|_{\pi} &=\lim_{x\to\pi} \frac{\sin(x)-\sin(\pi)}{x-\pi}\\ &=\lim_{x\to\pi} \frac{\sin(x)}{x-\pi} \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수가 cos⁡(x)\cos(x) 이므로, x=πx=\pi 에서의 값은 정확히

cos⁡(π)=−1\cos(\pi)=-1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This limit represents the derivative computed at x=πx=\pi of the function f(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x). To see this, simply use the definition of the derivative at a=πa=\pi with f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{sin⁡x}∣π=lim⁡x→πsin⁡(x)−sin⁡(π)x−π=lim⁡x→πsin⁡(x)x−π\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin x\}\right|_{\pi} &=\lim_{x\to\pi} \frac{\sin(x)-\sin(\pi)}{x-\pi}\\ &=\lim_{x\to\pi} \frac{\sin(x)}{x-\pi} \end{aligned}

Since the derivative of f(x)f(x) is cos⁡(x)\cos(x), then its value at x=πx=\pi is exactly

cos⁡(π)=−1\cos(\pi)=-1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 3번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
9.CLP-1 · 2.8절 · 19번우리말 번역

사인과 코사인의 도함수를 이미 알고 있을 때, 몫의 미분법을 이용하여 탄젠트의 도함수를 구하는 방법을 보이세요.

영어 원문 보기

Show how you can use the quotient rule to find the derivative of tangent, if you already know the derivatives of sine and cosine.

정답·풀이 보기

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θSo, using the quotient rule,ddθ{tan⁡θ}=cos⁡θcos⁡θ−sin⁡θ(−sin⁡θ)cos⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θcos⁡2θ=(1cos⁡θ)2=sec⁡2θ\begin{aligned} \tan \theta &= \dfrac{\sin \theta}{\cos \theta} \\ \text{So, using the quotient rule,} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta}\{\tan \theta\}&=\frac{\cos\theta\cos\theta-\sin\theta(-\sin\theta)}{\cos^2\theta} =\frac{\cos^2\theta+\sin^2\theta}{\cos^2\theta}\\ &=\left(\frac{1}{\cos \theta}\right)^2=\sec^2\theta \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θSo, using the quotient rule,ddθ{tan⁡θ}=cos⁡θcos⁡θ−sin⁡θ(−sin⁡θ)cos⁡2θ=cos⁡2θ+sin⁡2θcos⁡2θ=(1cos⁡θ)2=sec⁡2θ\begin{aligned} \tan \theta &= \dfrac{\sin \theta}{\cos \theta} \\ \text{So, using the quotient rule,} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\theta}\{\tan \theta\}&=\frac{\cos\theta\cos\theta-\sin\theta(-\sin\theta)}{\cos^2\theta} =\frac{\cos^2\theta+\sin^2\theta}{\cos^2\theta}\\ &=\left(\frac{1}{\cos \theta}\right)^2=\sec^2\theta \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.5절 · 15번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
10.CLP-1 · 2.8절 · 20번우리말 번역

함수 f(x)={ax+bx<0 일 때6cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡xx≥0 일 때f(x)=\left\{\begin{array}{ll} ax+b& x<0\text{ 일 때}\\ \frac{6\cos x}{2+\sin x+\cos x}& x\ge 0\text{ 일 때} \end{array}\right. 의 도함수가 모든 xx 에 대해 존재한다. 상수 aa 와 bb 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

The derivative of the function f(x)={ax+bfor x<06cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡xfor x≥0f(x)=\left\{\begin{array}{ll} ax+b& \text{for }x<0\\ \frac{6\cos x}{2+\sin x+\cos x}& \text{for }x\ge 0 \end{array}\right. exists for all xx. Determine the values of the constants aa and bb.

정답·풀이 보기

함수 f(x)f(x) 가 x=0x=0 에서 연속이려면 왼쪽 부분의 식 ax+bax+b 와 오른쪽 부분의 식 6cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡x\dfrac{6\cos x}{2+\sin x+\cos x} 가 x=0x=0 에서 서로 같아야 한다. 따라서 a×0+b=6cos⁡02+sin⁡0+cos⁡0=63  ⟹  b=2a\times 0+b=\frac{6\cos 0}{2+\sin 0+\cos 0}=\frac{6}{3} \implies \boxed{b=2}

x=0x=0 에서 미분계수 f′(x)f'(x) 가 존재하려면 극한 lim⁡h→0f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} 가 존재해야 한다. 특히 극한 lim⁡h→0−f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^-} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} 와 lim⁡h→0+f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^+} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} 가 존재하고 서로 같아야 한다.

h→0−h \to 0^- 일 때 h<0h<0 이므로 f(h)=ah+b=ah+2f(h)=ah+b=ah+2 이다. 따라서 lim⁡h→0−f(h)−f(0)h=lim⁡h→0−(ah+2)−2h=ddx{ax+2}∣x=0=a.\displaystyle \lim_{h\to 0^-}\dfrac{f(h)-f(0)}{h}=\displaystyle \lim_{h\to 0^-}\dfrac{(ah+2)-2}{h}=\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ax+2\right\}\right|_{x=0}=a.

마찬가지로 h→0+h \to 0^+ 일 때 h>0h>0 이므로 f(h)=6cos⁡h1+sin⁡h+cos⁡hf(h)=\dfrac{6\cos h}{1+\sin h + \cos h} 이고 lim⁡h→0+f(h)−f(0)h=ddx{6cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡x}∣x=0=−6sin⁡x(2+sin⁡x+cos⁡x)−6cos⁡x(cos⁡x−sin⁡x)(2+sin⁡x+cos⁡x)2∣x=0.\begin{aligned} \displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^+} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} &= \left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\dfrac{6\cos x}{2+\sin x + \cos x}\right\}\right|_{x=0} \\&=\left.\frac{-6\sin x(2+\sin x+\cos x)-6\cos x(\cos x-\sin x)}{(2+\sin x+\cos x)^2}\right|_{x=0}.\end{aligned}

왼쪽 극한과 오른쪽 극한이 같아야 하므로 a=−6sin⁡0(2+sin⁡0+cos⁡0)−6cos⁡0(cos⁡0−sin⁡0)(2+sin⁡0+cos⁡0)2=−6(2+1)2  ⟹  a=−23a=\frac{-6\sin 0(2+\sin 0+\cos 0)-6\cos 0(\cos 0-\sin 0)}{(2+\sin 0+\cos 0)^2} =\frac{-6}{(2+1)^2}\implies\boxed{a=-\frac{2}{3}}

원본 교재 풀이(영어)

In order for the function f(x)f(x) to be continuous at x=0x=0, the left half formula ax+bax+b and the right half formula 6cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡x\dfrac{6\cos x}{2+\sin x+\cos x} must match up at x=0x=0. This forces a×0+b=6cos⁡02+sin⁡0+cos⁡0=63  ⟹  b=2a\times 0+b=\frac{6\cos 0}{2+\sin 0+\cos 0}=\frac{6}{3} \implies \boxed{b=2}

In order for the derivative f′(x)f'(x) to exist at x=0x=0, the limit lim⁡h→0f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} must exist. In particular, the limits lim⁡h→0−f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^-} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} and lim⁡h→0+f(h)−f(0)h\displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^+} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} must exist and be equal to each other.

When h→0−h \to 0^-, this means h<0h<0, so f(h)=ah+b=ah+2f(h)=ah+b=ah+2. So: lim⁡h→0−f(h)−f(0)h=lim⁡h→0−(ah+2)−2h=ddx{ax+2}∣x=0=a.\displaystyle \lim_{h\to 0^-}\dfrac{f(h)-f(0)}{h}=\displaystyle \lim_{h\to 0^-}\dfrac{(ah+2)-2}{h}=\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ax+2\right\}\right|_{x=0}=a.

Similarly, when h→0+h \to 0^+, then h>0h>0, so f(h)=6cos⁡h1+sin⁡h+cos⁡hf(h)=\dfrac{6\cos h}{1+\sin h + \cos h} and lim⁡h→0+f(h)−f(0)h=ddx{6cos⁡x2+sin⁡x+cos⁡x}∣x=0=−6sin⁡x(2+sin⁡x+cos⁡x)−6cos⁡x(cos⁡x−sin⁡x)(2+sin⁡x+cos⁡x)2∣x=0.\begin{aligned} \displaystyle \lim_{h \rightarrow 0^+} \dfrac{f(h)-f(0)}{h} &= \left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\dfrac{6\cos x}{2+\sin x + \cos x}\right\}\right|_{x=0} \\&=\left.\frac{-6\sin x(2+\sin x+\cos x)-6\cos x(\cos x-\sin x)}{(2+\sin x+\cos x)^2}\right|_{x=0}.\end{aligned}

Since the limits from the left and right must be equal, this forces a=−6sin⁡0(2+sin⁡0+cos⁡0)−6cos⁡0(cos⁡0−sin⁡0)(2+sin⁡0+cos⁡0)2=−6(2+1)2  ⟹  a=−23a=\frac{-6\sin 0(2+\sin 0+\cos 0)-6\cos 0(\cos 0-\sin 0)}{(2+\sin 0+\cos 0)^2} =\frac{-6}{(2+1)^2}\implies\boxed{a=-\frac{2}{3}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 21번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
11.CLP-1 · 2.8절 · 21번우리말 번역

f(x)=tan⁡xf(x) = \tan x 의 도함수가 존재하는 xx 의 값은 무엇입니까?

영어 원문 보기

For which values of xx does the derivative of f(x)=tan⁡xf(x) = \tan x exist?

정답·풀이 보기

f′(x)f'(x) 가 존재하려면 f(x)f(x) 가 존재해야 한다. 정수 nn 에 대하여 x=π2+nπx=\frac{\pi}{2}+n\pi 일 때마다 tan⁡x\tan x 가 존재하지 않음은 이미 알고 있다. 조금 더 살펴보면, tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \frac{\sin x}{\cos x} 이므로 탄젠트가 존재하지 않는 점은 코사인이 0인 점과 정확히 일치한다.

그래프를 보면 탄젠트는 정의역에서 매끄러운 곡선처럼 보이므로, 탄젠트가 정의된 모든 곳에서 그 도함수도 정의된다고 짐작할 수 있다. 이를 확인할 수 있다. f′(x)=sec⁡2x=(1cos⁡x)2f'(x) = \sec^2 x = \left(\frac{1}{\cos x}\right)^2 이다. 실제로 cos⁡x\cos x 가 0이 아닌 곳에서는 f′f' 이 존재한다.

따라서 f′(x)f'(x) 는 어떤 정수 nn 에 대하여 x=π2+nπx=\frac{\pi}{2}+n\pi 인 경우를 제외한 모든 xx 의 값에서 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

In order for f′(x)f'(x) to exist, f(x)f(x) has to exist. We already know that tan⁡x\tan x does not exist whenever x=π2+nπx=\frac{\pi}{2}+n\pi for any integer nn. If we look a little deeper, since tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}, the points where tangent does not exist correspond exactly to the points where cosine is zero.

From its graph, tangent looks like a smooth curve over its domain, so we might guess that everywhere tangent is defined, its derivative is defined. We can check this: f′(x)=sec⁡2x=(1cos⁡x)2f'(x) = \sec^2 x = \left(\frac{1}{\cos x}\right)^2. Indeed, wherever cos⁡x\cos x is nonzero, f′f' exists.

So, f′(x)f'(x) exists for all values of xx except when x=π2+nπx=\frac{\pi}{2}+n\pi for some integer nn.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 22번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
12.CLP-1 · 2.8절 · 22번우리말 번역

10sin⁡(x)x2+x−6\dfrac{10\sin(x)}{x^2+x-6} 의 도함수가 존재하는 xx 의 값은 무엇입니까? 답을 설명하세요.

영어 원문 보기

For what values of xx does the derivative of 10sin⁡(x)x2+x−6\dfrac{10\sin(x)}{x^2+x-6} exist? Explain your answer.

정답·풀이 보기

x2+x−6≠0x^2+x-6\ne 0 일 때마다 이 함수는 미분가능하다. 그 도함수가

10cos⁡(x)⋅(x2+x−6)−10sin⁡(x)⋅(2x+1)(x2+x−6)2,\begin{aligned} \frac{10\cos(x)\cdot (x^2+x-6)-10\sin(x)\cdot (2x+1)}{(x^2+x-6)^2}, \end{aligned}

이고, 이는 x2+x−6=0x^2+x-6=0 이 아닌 한 잘 정의되기 때문이다. x2+x−6=(x−2)(x+3)=0x^2+x-6=(x-2)(x+3)=0 을 풀면 x=2x=2 와 x=−3x=-3 을 얻는다. 따라서 이 함수는 x=2x=2 와 x=−3x=-3 을 제외한 모든 실수 xx 에서 미분가능하다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable whenever x2+x−6≠0x^2+x-6\ne 0 since the derivative equals

10cos⁡(x)⋅(x2+x−6)−10sin⁡(x)⋅(2x+1)(x2+x−6)2,\begin{aligned} \frac{10\cos(x)\cdot (x^2+x-6)-10\sin(x)\cdot (2x+1)}{(x^2+x-6)^2}, \end{aligned}

which is well-defined unless x2+x−6=0x^2+x-6=0. We solve x2+x−6=(x−2)(x+3)=0,x^2+x-6=(x-2)(x+3)=0, and get x=2x=2 and x=−3x=-3. So, the function is differentiable for all real values xx except for x=2x=2 and for x=−3x=-3.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 23번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
13.CLP-1 · 2.8절 · 23번우리말 번역

xx 의 어떤 값에서 x2+6x+5sin⁡(x)\dfrac{x^2+6x+5}{\sin(x)} 의 도함수가 존재하는지 구하세요. 답을 설명하세요.

영어 원문 보기

For what values of xx does the derivative of x2+6x+5sin⁡(x)\dfrac{x^2+6x+5}{\sin(x)} exist? Explain your answer.

정답·풀이 보기

도함수가 다음과 같으므로 sin⁡(x)≠0\sin(x)\ne 0 일 때마다 이 함수는 미분가능하다.

sin⁡(x)⋅(2x+6)−cos⁡(x)⋅(x2+6x+5)(sin⁡x)2,\begin{aligned} \frac{\sin(x)\cdot (2x+6) - \cos(x)\cdot (x^2+6x+5)}{(\sin x)^2}, \end{aligned}

이 식은 sin⁡x=0\sin x = 0 이 아니면 잘 정의된다. 이는 xx 가 π\pi 의 정수 배일 때 일어난다. 따라서 이 함수는 x=nπx=n\pi 를 제외한 모든 실수 xx 에서 미분가능하다. 여기서 nn 은 임의의 정수이다.

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable whenever sin⁡(x)≠0\sin(x)\ne 0 since the derivative equals

sin⁡(x)⋅(2x+6)−cos⁡(x)⋅(x2+6x+5)(sin⁡x)2,\begin{aligned} \frac{\sin(x)\cdot (2x+6) - \cos(x)\cdot (x^2+6x+5)}{(\sin x)^2}, \end{aligned}

which is well-defined unless sin⁡x=0\sin x = 0. This happens when xx is an integer multiple of π\pi. So, the function is differentiable for all real values xx except x=nπ,x=n\pi,, where nn is any integer.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.5절 · 13번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
14.CLP-1 · 2.8절 · 24번우리말 번역

x=π4x=\dfrac{\pi}{4} 에서 y=tan⁡(x)y=\tan(x) 의 그래프에 접하는 직선의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the line tangent to the graph of y=tan⁡(x)y=\tan(x) at x=π4x=\dfrac{\pi}{4}.

정답·풀이 보기

tan⁡(x)\tan(x) 의 도함수는 sec⁡2(x)\sec^2(x) 이고, 이를 x=π4x=\frac{\pi}{4} 에서 계산하면 22 이다. 또한 tan⁡(π/4)=1\tan(\pi/4)=1 이므로 접선의 방정식은

y−1=2⋅(x−π/4).\begin{aligned} y - 1 = 2\cdot (x-\pi/4). \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

We compute the derivative of tan⁡(x)\tan(x) as being sec⁡2(x)\sec^2(x), which evaluated at x=π4x=\frac{\pi}{4} yields 22. Since we also compute tan⁡(π/4)=1\tan(\pi/4)=1, then the equation of the tangent line is

y−1=2⋅(x−π/4).\begin{aligned} y - 1 = 2\cdot (x-\pi/4). \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 25번
# 삼각함수의 미분그래프·표 해석도전자동 분류
15.CLP-1 · 2.8절 · 25번우리말 번역

x=0x=0 에서 y=sin⁡(x)+cos⁡(x)+exy=\sin(x)+\cos(x)+e^x 의 그래프에 접하는 직선의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the line tangent to the graph of y=sin⁡(x)+cos⁡(x)+exy=\sin(x)+\cos(x)+e^x at x=0x=0.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

도함수 y′=cos⁡(x)−sin⁡(x)+exy' = \cos(x)-\sin(x)+e^x 을 구하고, 이를 x=0x=0 에서 계산하면 1−0+1=21-0+1 = 2 이다. 또한 y(0)=0+1+1=2y(0)=0+1+1=2 이므로 접선의 방정식은

y−2=2(x−0)\begin{aligned} y - 2 = 2(x-0) \end{aligned}

즉 y=2x+2y=2x+2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We compute the derivative y′=cos⁡(x)−sin⁡(x)+exy' = \cos(x)-\sin(x)+e^x, which evaluated at x=0x=0 yields 1−0+1=21-0+1 = 2. Since we also compute y(0)=0+1+1=2y(0)=0+1+1=2, the equation of the tangent line is

y−2=2(x−0)\begin{aligned} y - 2 = 2(x-0) \end{aligned}

ie y=2x+2y=2x+2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.5절 · 29번
# 삼각함수의 미분그래프·표 해석도전자동 분류
16.CLP-1 · 2.8절 · 26번우리말 번역

함수 f(x)=exsin⁡xf(x)=e^x\sin x 가 수평인 접선을 갖는 xx 의 값은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

For which values of xx does the function f(x)=exsin⁡xf(x)=e^x\sin x have a horizontal tangent line?

정답·풀이 보기

f′(x)=0f'(x)=0 을 풀어야 한다. 즉, ex[sin⁡x+cos⁡x]=0e^x[\sin x + \cos x]=0 이다. exe^x 는 항상 양수이므로 sin⁡x+cos⁡x=0\sin x + \cos x =0 인 모든 점을 찾아야 한다. 즉, sin⁡x=−cos⁡x\sin x = - \cos x 인 xx 의 값을 모두 찾아야 한다. 단위원을 살펴보면 임의의 정수 nn 에 대해 x=3π4+nπx = \frac{3\pi}{4}+n\pi 일 때마다 이것이 성립함을 알 수 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

We are asked to solve f′(x)=0f'(x)=0. That is, ex[sin⁡x+cos⁡x]=0e^x[\sin x + \cos x]=0. Since exe^x is always positive, that means we need to find all points where sin⁡x+cos⁡x=0\sin x + \cos x =0. That is, we need to find all values of xx where sin⁡x=−cos⁡x\sin x = - \cos x. Looking at the unit circle, we see this happens whenever x=3π4+nπx = \frac{3\pi}{4}+n\pi for any integer nn.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 30번
# 삼각함수의 미분계산도전자동 분류
17.CLP-1 · 2.8절 · 27번우리말 번역

f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. 라 하자. f′(0)f'(0) 을 구하거나, 존재하지 않음을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. Find f′(0)f'(0), or show that it does not exist.

정답·풀이 보기

먼저, 이 함수는 연속이다. 왜냐하면 lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) 이기 때문이다. 이것은 확인해 두면 유용하다. 만약 함수가 x=0x=0 에서 불연속이라면 그 점에서 미분가능하지 않다는 것을 바로 알 수 있기 때문이다.

이제 미분계수를 구하자. 극한을 이용한 정의를 사용할 수 있다.

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h 극한이 존재하면=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ 극한이 존재하면}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

hh 가 0에 가까워지면 분자와 분모가 모두 0에 가까워진다. 따라서 이 극한의 값을 구하려면 더 많은 작업이 필요하다. 이용할 수 있는 핵심 아이디어는 교재에서 사인 함수의 도함수를 구할 때 보인 결과이다. hh 가 0에 가까울 때 cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1 이다. 이를 이용해 극한을 위아래로 묶고, 조임 정리를 적용한다.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1따라서, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{따라서, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

이고 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) 은 00 과 cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 사이에 있다. cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 의 극한은 미분계수의 정의와 닮았음에 주목하면 구할 수 있다.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

따라서 조임 정리에 의해 f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that our function is continuous, because lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) This is a handy thing to check: if the function were discontinuous at x=0x=0, then we would automatically know that it was not differentiable there.

Now, on to the derivative. We can use the limit definition:

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h if it exists=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ if it exists}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

As hh approaches 0, both the numerator and the denominator approach 0. So, to evaluate the limit, we need to do more work. The key insight we can use is a result that was shown in the text while evaluating the derivative of sine. When hh is close to 0, cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1. We use this to bound our limit, and then apply the squeeze theorem.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1So, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{So, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

and 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) is between 00 and cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}. We can evaluate the limit of cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}, by noticing its similarity to the definition of the derivative.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

So, by the Squeeze Theorem, f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 4번
# 삼각함수의 미분증명·논술도전자동 분류
18.CLP-1 · 2.9절 · 31번우리말 번역

평면 위의 입자가 시각 t=−π/2t=-\pi/2 부터 시각 t=π/2t=\pi/2 까지 직교좌표평면을 따라 움직인다. 시각 tt 에서 입자의 xx 좌표는 x=cos⁡tx=\cos t 이고 yy 좌표는 y=sin⁡ty=\sin t 이므로, 입자는 평면 위에 곡선을 그린다. 이 곡선의 접선의 기울기가 −1-1 이 되는 때는 언제입니까?

영어 원문 보기

A particle moves along the Cartesian plane from time t=−π/2t=-\pi/2 to time t=π/2t=\pi/2. The xx-coordinate of the particle at time tt is given by x=cos⁡tx=\cos t, and the yy-coordinate is given by y=sin⁡ty=\sin t, so the particle traces a curve in the plane. When does the tangent line to that curve have slope −1-1?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

시각 tt 에서 입자는 점 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 에 있고, x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t, y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t 이다. 시간이 지나면서 입자는 곡선을 그리는데, 그 곡선을 y=f(x)y=f(x) 라 하자. 그러면 y(t)=f(x(t))y(t) = f\big(x(t)\big) 이므로 점 (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) 에서 곡선의 기울기는 f′(x(t))f'\big(x(t)\big) 이다. 따라서 f′(x(t))=−1f'\big(x(t)\big)=-1 을 만족시키는 tt 의 값을 구해야 한다.

합성함수의 미분법에 의해

y′(t)=f′(x(t))⋅x′(t)\begin{aligned} y'(t) = f'\big(x(t)\big) \cdot x'(t) \end{aligned}

이다. x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t, y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t 를 대입하면

cos⁡t=f′(x(t))⋅(−sin⁡t)\begin{aligned} \cos t = f'\big(x(t)\big) \cdot \big(-\sin t\big) \end{aligned}

이므로

f′(x(t))=−cos⁡tsin⁡t\begin{aligned} f'\big(x(t)\big) = -\frac{\cos t}{\sin t} \end{aligned}

이고, 이 값이 −1-1 이 되는 것은 sin⁡t=cos⁡t\sin t = \cos t 일 때뿐이다. 이는 t=π4t = \frac{\pi}{4} 일 때 일어난다.

참고: 입자가 그리는 경로는 반원이다. 각이 t 인 단위원 위의 점을 생각해도 되고, x2+y2=sin⁡2t+cos⁡2t=1x^2 + y^2 = \sin^2t + \cos^2t = 1 임을 알아차려도 된다.

원본 교재 풀이(영어)

At time tt, the particle is at the point (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big), with x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t and y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t. Over time, the particle traces out a curve; let's call that curve y=f(x)y=f(x). Then y(t)=f(x(t))y(t) = f\big(x(t)\big), so the slope of the curve at the point (x(t),y(t))\big(x(t),y(t)\big) is f′(x(t))f'\big(x(t)\big). You are to determine the values of tt for which f′(x(t))=−1f'\big(x(t)\big)=-1.

By the chain rule

y′(t)=f′(x(t))⋅x′(t)\begin{aligned} y'(t) = f'\big(x(t)\big) \cdot x'(t) \end{aligned}

Substituting in x(t)=cos⁡tx(t)=\cos t and y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t gives

cos⁡t=f′(x(t))⋅(−sin⁡t)\begin{aligned} \cos t = f'\big(x(t)\big) \cdot \big(-\sin t\big) \end{aligned}

so that

f′(x(t))=−cos⁡tsin⁡t\begin{aligned} f'\big(x(t)\big) = -\frac{\cos t}{\sin t} \end{aligned}

is −1-1 precisely when sin⁡t=cos⁡t\sin t = \cos t. This happens whenever t=π4t = \frac{\pi}{4}.

Remark: the path traced by the particle is a semicircle. You can think about the point on the unit circle with angle t, or you can notice that x2+y2=sin⁡2t+cos⁡2t=1x^2 + y^2 = \sin^2t + \cos^2t = 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.6절 · 8번
# 합성함수의 미분법계산도전자동 분류
19.CLP-1 · 2.9절 · 32번우리말 번역

모든 x>0x>0 에 대해 ex+x2>1+xe^{x+x^2}>1+x 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that, for all x>0x>0, ex+x2>1+xe^{x+x^2}>1+x.

정답·풀이 보기

f(x)=ex+x2f(x)=e^{x+x^2}, g(x)=1+xg(x)=1+x 라 하자. 그러면 f(0)=g(0)=1f(0)=g(0)=1 이다.

f′(x)=(1+2x)ex+x2f'(x)=(1+2x)e^{x+x^2} 이고 g′(x)=1g'(x)=1 이다. x>0x>0 일 때, f′(x)=(1+2x)ex+x2>1⋅ex+x2=ex+x2>e0+02=1=g′(x).f'(x)=(1+2x)e^{x+x^2}>1\cdot e^{x+x^2}=e^{x+x^2}>e^{0+0^2}=1=g'(x). f(0)=g(0)f(0)=g(0) 이고 모든 x>0x>0 에 대해 f′(x)>g′(x)f'(x)>g'(x) 이므로, ff 와 gg 는 같은 곳에서 출발하지만 ff 가 항상 더 빠르게 증가한다. 따라서 모든 x>0x>0 에 대해 f(x)>g(x)f(x)>g(x) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=ex+x2f(x)=e^{x+x^2} and g(x)=1+xg(x)=1+x. Then f(0)=g(0)=1f(0)=g(0)=1.

f′(x)=(1+2x)ex+x2f'(x)=(1+2x)e^{x+x^2} and g′(x)=1g'(x)=1. When x>0x>0, f′(x)=(1+2x)ex+x2>1⋅ex+x2=ex+x2>e0+02=1=g′(x).f'(x)=(1+2x)e^{x+x^2}>1\cdot e^{x+x^2}=e^{x+x^2}>e^{0+0^2}=1=g'(x). Since f(0)=g(0)f(0)=g(0), and f′(x)>g′(x)f'(x)>g'(x) for all x>0x>0, that means ff and gg start at the same place, but ff always grows faster. Therefore, f(x)>g(x)f(x)>g(x) for all x>0x>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.9절 · 28번
# 합성함수의 미분법증명·논술도전자동 분류
20.CLP-1 · 2.9절 · 33번우리말 번역

sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin (2x) = 2\sin x \cos x 임을 알고 있다. 이로부터 미분을 이용하여 유도할 수 있는 다른 삼각함수 항등식은 무엇입니까?

영어 원문 보기

We know that sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin (2x) = 2\sin x \cos x. What other trig identity can you derive from this, using differentiation?

정답·풀이 보기

sin⁡2x\sin 2x 와 2sin⁡xcos⁡x2\sin x \cos x 는 같은 함수이므로 도함수도 같다.

sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x⇒ddx{sin⁡2x}=ddx{2sin⁡xcos⁡x}2cos⁡2x=2[cos⁡2x−sin⁡2x]cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x\begin{aligned} \sin 2x &= 2\sin x \cos x\\ \Rightarrow \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin 2x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sin x \cos x\}\\ 2\cos 2x &=2[\cos^2x-\sin^2x]\\ \cos 2x &=\cos^2x-\sin^2 x \end{aligned}

따라서 또 다른 흔한 삼각함수 항등식인 cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x\cos 2x =\cos^2x-\sin^2 x 를 얻는다.

참고: 이 등식의 양변을 미분하면 처음의 항등식이 다시 나온다.

원본 교재 풀이(영어)

Since sin⁡2x\sin 2x and 2sin⁡xcos⁡x2\sin x \cos x are the same function, they have the same derivative.

sin⁡2x=2sin⁡xcos⁡x⇒ddx{sin⁡2x}=ddx{2sin⁡xcos⁡x}2cos⁡2x=2[cos⁡2x−sin⁡2x]cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x\begin{aligned} \sin 2x &= 2\sin x \cos x\\ \Rightarrow \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin 2x\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sin x \cos x\}\\ 2\cos 2x &=2[\cos^2x-\sin^2x]\\ \cos 2x &=\cos^2x-\sin^2 x \end{aligned}

We conclude cos⁡2x=cos⁡2x−sin⁡2x\cos 2x =\cos^2x-\sin^2 x, which is another common trig identity.

Remark: if we differentiate both sides of this equation, we get the original identity back.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.9절 · 31번
# 합성함수의 미분법계산도전자동 분류