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

31문제 · 2 / 2쪽

21.CLP-1 · 2.9절 · 34번우리말 번역

f(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x3f(x)=\sqrt[3]{\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }} 의 도함수를 구하세요. 답을 간단히 하지 않아도 됩니다.

영어 원문 보기

Evaluate the derivative of f(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x3f(x)=\sqrt[3]{\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }}. You do not have to simplify your answer.

정답·풀이 보기

f(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x3=(ecsc⁡x2x3−9tan⁡x)13To begin the differentiation, we can choose our “outside" function to be g(x)=x13, and our “inside" function to be h(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x. Then f(x)=g(h(x)), so f′(x)=g′(h(x))⋅h′(x)=13(h(x))−23h′(x):f′(x)=13(ecsc⁡x2x3−9tan⁡x)−23⋅ddx{ecsc⁡x2x3−9tan⁡x}=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23⋅ddx{ecsc⁡x2x3−9tan⁡x}This leads us to use the quotient rule:=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23(x3−9tan⁡xddx{ecsc⁡x2}−ecsc⁡x2ddx{x3−9tan⁡x}(tan⁡2x)(x3−9))Let’s figure out those two derivatives on their own, then plug them in. Using the chain rule twice:ddx{ecsc⁡x2}=ecsc⁡x2ddx{csc⁡x2}=ecsc⁡x2⋅(−csc⁡(x2)cot⁡(x2))⋅ddx{x2}=−2xecsc⁡x2csc⁡(x2)cot⁡(x2)For the other derivative, we start with the product rule, then chain:ddx{x3−9tan⁡x}=ddx{x3−9}⋅tan⁡x+x3−9sec⁡2x=12x3−9ddx{x3−9}⋅tan⁡x+x3−9sec⁡2x=3x2tan⁡x2x3−9+x3−9sec⁡2xNow, we plug these into our equation for f′(x):f′(x)=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23(x3−9tan⁡xddx{ecsc⁡x2}−ecsc⁡x2ddx{x3−9tan⁡x}(tan⁡2x)(x3−9))=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23⋅ (x3−9tan⁡x(−2x)ecsc⁡x2csc⁡(x2)cot⁡(x2)−ecsc⁡x2(3x2tan⁡x2x3−9+x3−9sec⁡2x)(tan⁡2x)(x3−9))\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[3]{\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }}\\ &=\left({\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }}\right)^{\frac{1}{3}} \\ \text{To begin the differentiation, we can choose our ``outside" function to be $g(x)=x^{\frac{1}{3}}$, and our ``inside" function to be $h(x)=\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }$. Then $f(x)=g(h(x))$, so $f'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)=\frac{1}{3}(h(x))^{-\frac{2}{3}}h'(x)$:} \\ f'(x)&=\frac{1}{3}\left( \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right)^{\frac{-2}{3}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right\}\\ &=\frac{1}{3} \left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right\} \\ \text{This leads us to use the quotient rule:} \\ &=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}-e^{\csc x^2}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\tan x \right\}}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right) \\ \text{Let's figure out those two derivatives on their own, then plug them in. Using the chain rule twice:} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}&=e^{ \csc x^2}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \csc x^2\right\}=e^{\csc x^2}\cdot (-\csc( x^2)\cot( x^2))\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{ x^2\}\\&=-2xe^{\csc x^2}\csc(x^2)\cot(x^2) \\ \text{For the other derivative, we start with the product rule, then chain:} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sqrt{x^3-9} \tan x \right\}&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\right\}\cdot\tan x+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\\ &=\frac{1}{2\sqrt{ x^3-9}}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ x^3-9\right\}\cdot \tan x+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\\ &=\frac{3x^2 \tan x}{2\sqrt{{x^3-9}}}+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x \\ \text{Now, we plug these into our equation for $f'(x)$:} \\ f'(x)&=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}-e^{\csc x^2} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\tan x \right\}}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right)\\ &=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}}\cdot\\ &~\left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x (-2x)e^{\csc x^2}\csc(x^2)\cot(x^2)-e^{\csc x^2} \left(\frac{3x^2\tan x}{2\sqrt{{x^3-9}}}+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\right)}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

f(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x3=(ecsc⁡x2x3−9tan⁡x)13To begin the differentiation, we can choose our “outside" function to be g(x)=x13, and our “inside" function to be h(x)=ecsc⁡x2x3−9tan⁡x. Then f(x)=g(h(x)), so f′(x)=g′(h(x))⋅h′(x)=13(h(x))−23h′(x):f′(x)=13(ecsc⁡x2x3−9tan⁡x)−23⋅ddx{ecsc⁡x2x3−9tan⁡x}=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23⋅ddx{ecsc⁡x2x3−9tan⁡x}This leads us to use the quotient rule:=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23(x3−9tan⁡xddx{ecsc⁡x2}−ecsc⁡x2ddx{x3−9tan⁡x}(tan⁡2x)(x3−9))Let’s figure out those two derivatives on their own, then plug them in. Using the chain rule twice:ddx{ecsc⁡x2}=ecsc⁡x2ddx{csc⁡x2}=ecsc⁡x2⋅(−csc⁡(x2)cot⁡(x2))⋅ddx{x2}=−2xecsc⁡x2csc⁡(x2)cot⁡(x2)For the other derivative, we start with the product rule, then chain:ddx{x3−9tan⁡x}=ddx{x3−9}⋅tan⁡x+x3−9sec⁡2x=12x3−9ddx{x3−9}⋅tan⁡x+x3−9sec⁡2x=3x2tan⁡x2x3−9+x3−9sec⁡2xNow, we plug these into our equation for f′(x):f′(x)=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23(x3−9tan⁡xddx{ecsc⁡x2}−ecsc⁡x2ddx{x3−9tan⁡x}(tan⁡2x)(x3−9))=13(x3−9tan⁡xecsc⁡x2)23⋅ (x3−9tan⁡x(−2x)ecsc⁡x2csc⁡(x2)cot⁡(x2)−ecsc⁡x2(3x2tan⁡x2x3−9+x3−9sec⁡2x)(tan⁡2x)(x3−9))\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[3]{\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }}\\ &=\left({\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }}\right)^{\frac{1}{3}} \\ \text{To begin the differentiation, we can choose our ``outside" function to be $g(x)=x^{\frac{1}{3}}$, and our ``inside" function to be $h(x)=\dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }$. Then $f(x)=g(h(x))$, so $f'(x)=g'(h(x))\cdot h'(x)=\frac{1}{3}(h(x))^{-\frac{2}{3}}h'(x)$:} \\ f'(x)&=\frac{1}{3}\left( \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right)^{\frac{-2}{3}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right\}\\ &=\frac{1}{3} \left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \dfrac{e^{\csc x^2}}{ \sqrt{x^3-9} \tan x }\right\} \\ \text{This leads us to use the quotient rule:} \\ &=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}-e^{\csc x^2}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\tan x \right\}}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right) \\ \text{Let's figure out those two derivatives on their own, then plug them in. Using the chain rule twice:} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}&=e^{ \csc x^2}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \csc x^2\right\}=e^{\csc x^2}\cdot (-\csc( x^2)\cot( x^2))\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{ x^2\}\\&=-2xe^{\csc x^2}\csc(x^2)\cot(x^2) \\ \text{For the other derivative, we start with the product rule, then chain:} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sqrt{x^3-9} \tan x \right\}&= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\right\}\cdot\tan x+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\\ &=\frac{1}{2\sqrt{ x^3-9}}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ x^3-9\right\}\cdot \tan x+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\\ &=\frac{3x^2 \tan x}{2\sqrt{{x^3-9}}}+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x \\ \text{Now, we plug these into our equation for $f'(x)$:} \\ f'(x)&=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}} \left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{e^{\csc x^2}\right\}-e^{\csc x^2} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\sqrt{x^3-9}\tan x \right\}}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right)\\ &=\frac{1}{3}\left( \dfrac{ \sqrt{x^3-9} \tan x }{e^{\csc x^2}} \right)^{\frac{2}{3}}\cdot\\ &~\left(\frac{ \sqrt{x^3-9}\tan x (-2x)e^{\csc x^2}\csc(x^2)\cot(x^2)-e^{\csc x^2} \left(\frac{3x^2\tan x}{2\sqrt{{x^3-9}}}+\sqrt{x^3-9}\sec^2 x\right)}{(\tan^2 x)(x^3-9) }\right) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.9절 · 29번
# 합성함수의 미분법계산도전자동 분류
22.CLP-1 · 2.10절 · 31번우리말 번역

f(x)f(x) 를 치역이 양수만으로 이루어진 함수라 하자. 곡선 y=f(x)y=f(x) 와 y=log⁡(f(x))y=\log(f(x)) 가 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가짐을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a function whose range includes only positive numbers. Show that the curves y=f(x)y=f(x) and y=log⁡(f(x))y=\log(f(x)) have horizontal tangent lines at the same values of xx.

정답·풀이 보기

g(x):=log⁡(f(x))g(x):=\log(f(x)) 라 하자. g′(x)=f′(x)f(x)g'(x)=\frac{f'(x)}{f(x)} 임에 주목한다.

두 곡선이 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가짐을 보이기 위해 두 가지를 보일 것이다. 첫째, f(x)f(x) 가 어떤 xx 의 값에서 수평인 접선을 가지면 g(x)g(x) 도 그 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다. 둘째, g(x)g(x) 가 어떤 xx 의 값에서 수평인 접선을 가지면 f(x)f(x) 도 그 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다.

어떤 점 x0x_0 에 대해 x=x0x=x_0 에서 f(x)f(x) 가 수평인 접선을 가진다고 하자. 이는 f′(x0)=0f'(x_0)=0 임을 뜻한다. 그러면 g′(x0)=f′(x0)f(x0)g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)} 이다. f(x0)≠0f(x_0) \neq 0 이므로 f′(x0)f(x0)=0f(x0)=0\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=\frac{0}{f(x_0)}=0 이고, 따라서 x=x0x=x_0 에서 g(x)g(x) 도 수평인 접선을 가진다. 이로써 ff 가 수평인 접선을 가질 때마다 gg 도 수평인 접선을 가짐을 보였다.

이제 어떤 점 x0x_0 에 대해 x=x0x=x_0 에서 g(x)g(x) 가 수평인 접선을 가진다고 하자. 이는 g′(x0)=0g'(x_0)=0 임을 뜻한다. 그러면 g′(x0)=f′(x0)f(x0)=0g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=0 이므로 f′(x0)f'(x_0) 이 존재하고 0 과 같다. 따라서 x=x0x=x_0 에서 f(x)f(x) 도 수평인 접선을 가진다. 이로써 gg 가 수평인 접선을 가질 때마다 ff 도 수평인 접선을 가짐을 보였다.

참고: f(x)f(x) 가 양수만을 값으로 가진다는 조건이 주어지지 않았다면, f(x)f(x) 와 log⁡(f(x))\log(f(x)) 가 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다는 것이 반드시 참인 것은 아니다. f(x)f(x) 가 음수인 xx 의 값에서 f(x)f(x) 가 수평인 접선을 가진다면, 그곳에서 log⁡(f(x))\log(f(x)) 는 존재하지 않으므로 수평인 접선을 가질 수도 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Let g(x):=log⁡(f(x))g(x):=\log(f(x)). Notice g′(x)=f′(x)f(x)g'(x)=\frac{f'(x)}{f(x)}.

In order to show that the two curves have horizontal tangent lines at the same values of xx, we will show two things: first, that if f(x)f(x) has a horizontal tangent line at some value of xx, then also g(x)g(x) has a horizontal tangent line at that value of xx. Second, we will show that if g(x)g(x) has a horizontal tangent line at some value of xx, then also f(x)f(x) has a horizontal tangent line at that value of xx.

Suppose f(x)f(x) has a horizontal tangent line where x=x0x=x_0 for some point x0x_0. This means f′(x0)=0f'(x_0)=0. Then g′(x0)=f′(x0)f(x0)g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}. Since f(x0)≠0f(x_0) \neq 0, f′(x0)f(x0)=0f(x0)=0\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=\frac{0}{f(x_0)}=0, so g(x)g(x) also has a horizontal tangent line when x=x0x=x_0. This shows that whenever ff has a horizontal tangent line, gg has one too.

Now suppose g(x)g(x) has a horizontal tangent line where x=x0x=x_0 for some point x0x_0. This means g′(x0)=0g'(x_0)=0. Then g′(x0)=f′(x0)f(x0)=0g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=0, so f′(x0)f'(x_0) exists and is equal to zero. Therefore, f(x)f(x) also has a horizontal tangent line when x=x0x=x_0. This shows that whenever gg has a horizontal tangent line, ff has one too.

Remark: if we were not told that f(x)f(x) gives only positive numbers, it would not necessarily be true that f(x)f(x) and log⁡(f(x))\log(f(x)) have horizontal tangent lines at the same values of xx. If f(x)f(x) had a horizontal tangent line at an xx-value where f(x)f(x) were negative, then log⁡(f(x))\log(f(x)) would not exist there, let alone have a horizontal tangent line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.9절 · 17번
# 지수함수와 로그함수의 미분증명·논술도전자동 분류
23.CLP-1 · 2.11절 · 14번우리말 번역

x2+(y+1)ey=5x^2+(y+1)e^y = 5 일 때, y=0y=0 인 점에서 y′y' 을 구하세요.

영어 원문 보기

If x2+(y+1)ey=5x^2+(y+1)e^y = 5, then find y′y' at the points where y=0y=0.

정답·풀이 보기
  • 먼저 y=0y=0 인 점의 xx 좌표를 구한다.

x2+(1)e0=5x2+1=5x2=4\begin{aligned} x^2+(1)e^0 &= 5 \\ x^2 +1 &=5\\ x^2&=4 \end{aligned}

따라서 x=2,−2x=2,-2 이다.

  • 이제 음함수 미분을 이용하여 y′y' 을 x,yx,y 에 관한 식으로 나타낸다.

2x+(y+1)eydydx+eydydx=0\begin{aligned} 2x+(y+1)e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \end{aligned}

  • 이제 y=0y=0 을 대입하면

2x+(0+1)e0dydx+e0dydx=02x+dydx+dydx=02x=−2dydxx=−dydx\begin{aligned} 2x+(0+1)e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x&=-2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\\ x&=-\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

  • 따라서 (x,y)=(2,0)(x,y)=(2,0) 에서 y′=−2y' = -2 이고,
  • (x,y)=(−2,0)(x,y)=(-2,0) 에서 y′=2y' = 2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
  • First we find the xx-ordinates where y=0y=0.

x2+(1)e0=5x2+1=5x2=4\begin{aligned} x^2+(1)e^0 &= 5 \\ x^2 +1 &=5\\ x^2&=4 \end{aligned}

So x=2,−2x=2,-2.

  • Now we use implicit differentiation to get y′y' in terms of x,yx,y:

2x+(y+1)eydydx+eydydx=0\begin{aligned} 2x+(y+1)e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \end{aligned}

  • Now set y=0y=0 to get

2x+(0+1)e0dydx+e0dydx=02x+dydx+dydx=02x=−2dydxx=−dydx\begin{aligned} 2x+(0+1)e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x&=-2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\\ x&=-\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

  • So at (x,y)=(2,0)(x,y)=(2,0) we have y′=−2y' = -2,
  • and at (x,y)=(−2,0)(x,y)=(-2,0) we have y′=2y' = 2.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.8절 · 24번
# 음함수의 미분법계산도전자동 분류
24.CLP-1 · 2.11절 · 15번우리말 번역

원 x2+y2=1x^2+y^2=1 과 타원 x2+3y2=1x^2+3y^2=1 의 접선이 서로 평행하게 되는 xx 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

For what values of xx do the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and the ellipse x2+3y2=1x^2+3y^2=1 have parallel tangent lines?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

접선의 기울기는 당연히 도함수로 주어지므로, 먼저 두 도형의 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 를 각각 구하자.

원의 경우, 음함수 미분을 하면2x+2ydydx=0이므로 dydx 에 대해 풀면dydx=−xy타원의 경우에도 음함수 미분을 하면:2x+6ydydx=0이므로 dydx 에 대해 풀면dydx=−x3y우리가 구하려는 것은 두 도함수가 같아지는 x 의 값이다. 그런데 두 도형에서 같은 x 에 대응하는 y 의 값은 다를 수 있으므로, y1 을 원 위에서 x 에 대응하는 y 의 값, y2 를 타원 위에서 x 에 대응하는 y 의 값이라 하자. 즉, x2+y12=1 이고 x2+3y22=1 이다. 원 위의 점 (x,y1) 에서의 기울기와 타원 위의 점 (x,y2) 에서의 기울기가 같으려면 다음이 성립해야 한다:−xy1=−x3y2x(1y1−13y2)=0따라서 x=0 또는 y1=3y2 이다. 원의 y 좌표가 타원의 y 좌표의 세 배가 되는 x 의 값이 무엇인지 생각해 보자. y1=3y2 이고, (x,y1) 이 원 위에 있고, (x,y2) 가 타원 위에 있다면, x2+y12=x2+(3y2)2=1 이고 x2+3y22=1 이다. 이 경우:x2+9y22=x2+3y229y22=3y22y2=0x=±1\begin{aligned} \\ \text{원의 경우, 음함수 미분을 하면} \\ 2x+2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{이므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 에 대해 풀면} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{y} \\ \text{타원의 경우에도 음함수 미분을 하면:} \\ 2x+6y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{이므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 에 대해 풀면} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{3y} \\ \text{우리가 구하려는 것은 두 도함수가 같아지는 $x$ 의 값이다. 그런데 두 도형에서 같은 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값은 다를 수 있으므로, $y_1$ 을 원 위에서 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값, $y_2$ 를 타원 위에서 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값이라 하자. 즉, $x^2+ y_1^2=1$ 이고 $x^2+3y_2^2=1$ 이다. 원 위의 점 $(x,y_1)$ 에서의 기울기와 타원 위의 점 $(x,y_2)$ 에서의 기울기가 같으려면 다음이 성립해야 한다:} \\ -\frac{x}{y_1}&=-\frac{x}{3y_2}\\ x\left(\frac{1}{y_1}-\frac{1}{3y_2}\right)&=0 \\ \text{따라서 $x=0$ 또는 $y_1=3y_2$ 이다. 원의 $y$ 좌표가 타원의 $y$ 좌표의 세 배가 되는 $x$ 의 값이 무엇인지 생각해 보자. $y_1=3y_2$ 이고, $(x,y_1)$ 이 원 위에 있고, $(x,y_2)$ 가 타원 위에 있다면, $x^2+y_1^2 =x^2+(3y_2)^2=1$ 이고 $x^2+3y_2^2=1$ 이다. 이 경우:} \\ x^2+9y_2^2&=x^2+3y_2^2\\ 9y_2^2&=3y_2^2\\ y_2&=0\\ x&=\pm 1 \end{aligned}

여기서는 약간 주의해야 한다. y=0y=0 일 때 두 곡선 모두 y′y' 이 정의되지 않는다. 두 곡선 모두 y=0y=0 일 때 접선이 수직이므로(따라서 실수값의 기울기가 없다!) 두 수직선은 실제로 평행하다.

따라서 x=0x=0 일 때와 x=±1x=\pm1 일 때, 두 곡선의 접선은 서로 평행하다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The slope of the tangent line is, of course, given by the derivative, so let's start by finding dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} of both shapes.

For the circle, we differentiate implicitly2x+2ydydx=0and solve for dydxdydx=−xyFor the ellipse, we also differentiate implicitly:2x+6ydydx=0and solve for dydxdydx=−x3yWhat we want is a value of x where both derivatives are equal. However, they might have different values of y, so let’s let y1 be the y-values associated with x on the circle, and let y2 be the y-values associated with x on the ellipse. That is, x2+y12=1 and x2+3y22=1. For the slopes at (x,y1) on the circle and (x,y2) on the ellipse to be equal, we need:−xy1=−x3y2x(1y1−13y2)=0So x=0 or y1=3y2. Let’s think about which x-values will have a y-coordinate of the circle be three times as large as a y-coordinate of the ellipse. If y1=3y2, (x,y1) is on the circle, and (x,y2) is on the ellipse, then x2+y12=x2+(3y2)2=1 and x2+3y22=1. In this case:x2+9y22=x2+3y229y22=3y22y2=0x=±1\begin{aligned} \\ \text{For the circle, we differentiate implicitly} \\ 2x+2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{and solve for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{y} \\ \text{For the ellipse, we also differentiate implicitly:} \\ 2x+6y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{and solve for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{3y} \\ \text{What we want is a value of $x$ where both derivatives are equal. However, they might have different values of $y$, so let's let $y_1$ be the $y$-values associated with $x$ on the circle, and let $y_2$ be the $y$-values associated with $x$ on the ellipse. That is, $x^2+ y_1^2=1$ and $x^2+3y_2^2=1$. For the slopes at $(x,y_1)$ on the circle and $(x,y_2)$ on the ellipse to be equal, we need:} \\ -\frac{x}{y_1}&=-\frac{x}{3y_2}\\ x\left(\frac{1}{y_1}-\frac{1}{3y_2}\right)&=0 \\ \text{So $x=0$ or $y_1=3y_2$. Let's think about which $x$-values will have a $y$-coordinate of the circle be three times as large as a $y$-coordinate of the ellipse. If $y_1=3y_2$, $(x,y_1)$ is on the circle, and $(x,y_2)$ is on the ellipse, then $x^2+y_1^2 =x^2+(3y_2)^2=1$ and $x^2+3y_2^2=1$. In this case:} \\ x^2+9y_2^2&=x^2+3y_2^2\\ 9y_2^2&=3y_2^2\\ y_2&=0\\ x&=\pm 1 \end{aligned}

We need to be a tiny bit careful here: when y=0y=0, y′y' is not defined for either curve. For both curves, when y=0y=0, the tangent lines are vertical (and so have no real-valued slope!). Two vertical lines are indeed parallel.

So, for x=0x=0 and for x=±1x=\pm1, the two curves have parallel tangent lines.

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.11절 · 14번
# 음함수의 미분법계산도전자동 분류
25.CLP-1 · 2.14절 · 14번우리말 번역

함수 f(x)f(x) 가 (a,b)(a,b) 에서 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f′′(x)>0f''(x)>0 을 만족한다. 아래 곡선 중 y=f(x)y=f(x) 를 나타낼 수 있는 것은 어느 것인가요?

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영어 원문 보기

A function f(x)f(x) satisfies f′(x)<0f'(x)<0 and f′′(x)>0f''(x)>0 over (a,b)(a,b). Which of the following curves below might represent y=f(x)y=f(x)?

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정답·풀이 보기

f′(x)<0f'(x)<0 이므로 감소하는 함수여야 한다. 이는 (ii), (iii), (v)에만 해당한다. f′′(x)>0f''(x)>0 이므로 f′(x)f'(x) 가 증가한다. 즉 함수의 기울기가 증가해야 한다. (v)에서는 기울기가 상수이므로 f′′(x)=0f''(x)=0 이다. 따라서 (v)는 아니다. (iii)에서는 기울기가 감소한다. aa 근처에서는 곡선이 상당히 평평하지만(f′(x)f'(x) 가 0에 가깝다) bb 근처에서는 곡선이 매우 가파르게 감소하기(f′(x)f'(x) 가 절댓값이 큰 음수이다) 때문이다. 따라서 (iii)은 이계도함수가 음수이다. 반면 (ii)에서는 곡선이 가파르게 감소하며(f′(x)f'(x) 가 절댓값이 큰 음수이다) 시작하여 점점 더 평평해지므로(f′(x)f'(x) 가 0에 가까워진다) f′(x)f'(x) 는 증가한다. 다시 말해 f′′(x)>0f''(x)>0 이다. 따라서 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f′′(x)>0f''(x)>0 인 곡선은 (ii)뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f′(x)<0f'(x)<0, we need a decreasing function. This only applies to (ii), (iii), and (v). Since f′′(x)>0f''(x)>0, that means f′(x)f'(x) is increasing, so the slope of the function must be increasing. In (v), the slope is constant, so f′′(x)=0f''(x)=0–therefore, it's not (v). In (iii), the slope is decreasing, because near aa the curve is quite flat (f′(x)f'(x) near zero) but near bb the curve is very steeply decreasing (f′(x)f'(x) is a large negative number), so (iii) has a negative second derivative. By contrast, in (ii), the line starts out as steeply decreasing (f′(x)f'(x) is a strongly negative number) and becomes flatter and flatter (f′(x)f'(x) nears 0), so f′(x)f'(x) is increasing–in other words, f′′(x)>0f''(x)>0. So, (ii) is the only curve that has f′(x)<0f'(x)<0 and f′′(x)>0f''(x)>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 15번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석도전자동 분류
26.CLP-1 · 2.14절 · 15번우리말 번역

f(x)=2xf(x)=2^{x}이라 하자. nn이 0 이상의 정수일 때, f(n)(x)f^{(n)}(x)를 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=2xf(x)=2^{x}. What is f(n)(x)f^{(n)}(x), if nn is a whole number?

정답·풀이 보기

규칙을 찾기 위해 몇 번 미분한다.

ddx{2x}=2xlog⁡2d2dx2{2x}=2xlog⁡2⋅log⁡2=2x(log⁡2)2d3dx3{2x}=2x(log⁡2)2⋅log⁡2=2x(log⁡2)3미분할 때마다 원래 함수에 log⁡2가 한 번씩 더 곱해진다. 따라서 n계 도함수는 다음과 같다:dndxn{2x}=2x(log⁡2)n\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}&=2^x\log 2\\ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{2^x\}&=2^x\log2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^2\\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{2^x\}&=2^x(\log2)^2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^3 \\ \text{미분할 때마다 원래 함수에 $\log 2$가 한 번씩 더 곱해진다. 따라서 $n$계 도함수는 다음과 같다:} \\ \frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}{x}^n}\{2^x\}&=2^x(\log2)^n \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate a few time to find the pattern.

ddx{2x}=2xlog⁡2d2dx2{2x}=2xlog⁡2⋅log⁡2=2x(log⁡2)2d3dx3{2x}=2x(log⁡2)2⋅log⁡2=2x(log⁡2)3Every time we differentiate, we multiply the original function by another factor of log⁡2. So, the nth derivative is given by:dndxn{2x}=2x(log⁡2)n\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}&=2^x\log 2\\ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{2^x\}&=2^x\log2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^2\\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{2^x\}&=2^x(\log2)^2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^3 \\ \text{Every time we differentiate, we multiply the original function by another factor of $\log 2$. So, the $n$th derivative is given by:} \\ \frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}{x}^n}\{2^x\}&=2^x(\log2)^n \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 9번
# 이계도함수와 오목·볼록계산도전자동 분류
27.CLP-1 · 2.14절 · 16번우리말 번역

f(x)=ax3+bx2+cx+df(x)=ax^3+bx^2+cx+d라 하자. 여기서 aa, bb, cc, dd는 0이 아닌 상수이다. 모든 xx에 대해 dnfdxn=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}^nf}{\mathrm{d}{x}^n}=0이 되도록 하는 가장 작은 정수 nn을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=ax3+bx2+cx+df(x)=ax^3+bx^2+cx+d, where aa, bb, cc, and dd are nonzero constants. What is the smallest integer nn so that dnfdxn=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}^nf}{\mathrm{d}{x}^n}=0 for all xx?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

거듭제곱 법칙을 이용하여 미분한다.

dfdx=3ax2+2bx+cd2fdx2=6ax+2bd3fdx3=6ad4fdx4=0\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}&=3ax^2+2bx+c\\ \frac{\mathrm{d}^2f}{\mathrm{d}{x}^2}&=6ax+2b\\ \frac{\mathrm{d}^3f}{\mathrm{d}{x}^3}&=6a\\ \frac{\mathrm{d}^4f}{\mathrm{d}{x}^4}&=0 \end{aligned}

위 계산에서 aa, bb, cc, dd는 모두 상수임에 유의한다. 이들은 0이 아닌 상수이므로 d3fdx3=6a≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}^3f}{\mathrm{d}{x}^3} =6a\neq 0이다. 따라서 4계 도함수가 처음으로 항등적으로 0이 되는 도함수이다: n=4n=4.

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate using the power rule.

dfdx=3ax2+2bx+cd2fdx2=6ax+2bd3fdx3=6ad4fdx4=0\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}&=3ax^2+2bx+c\\ \frac{\mathrm{d}^2f}{\mathrm{d}{x}^2}&=6ax+2b\\ \frac{\mathrm{d}^3f}{\mathrm{d}{x}^3}&=6a\\ \frac{\mathrm{d}^4f}{\mathrm{d}{x}^4}&=0 \end{aligned}

In the above work, remember that aa, bb, cc, and dd are all constants. Since they are nonzero constants, d3fdx3=6a≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}^3f}{\mathrm{d}{x}^3} =6a\neq 0. So, the fourth derivative is the first derivative to be identically zero: n=4n=4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 14번
# 이계도함수와 오목·볼록계산도전자동 분류
28.CLP-1 · 2.14절 · 20번우리말 번역

f(x)f(x) 가 처음 nn 계 도함수까지 모든 실수에서 존재하는 함수이고, f(n)(x)f^{(n)}(x) 가 근을 정확히 mm 개 갖는다고 하자. 이때 f(x)f(x) 가 가질 수 있는 근의 최대 개수를 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function whose first nn derivatives exist over all real numbers, and f(n)(x)f^{(n)}(x) has precisely mm roots. What is the maximum number of roots that f(x)f(x) may have?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이기도 하다. 마찬가지로 f′(x)f'(x) 도 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이고, f(x)f(x) 의 처음 nn 계 도함수까지 같은 방식으로 계속된다.

롤의 정리에 따르면, aa 와 bb 가 함수 gg 의 서로 다른 근이면 (a,b)(a,b) 의 어떤 cc 에 대해 g′(x)=0g'(x)=0 이다. 즉 g′g' 은 aa 와 bb 사이에 근을 갖는다. 이 생각을 확장하면, gg 가 서로 다른 근을 m+1m+1 개 가질 때 g′g' 은 서로 다른 근을 적어도 mm 개 가져야 한다. 아래의 그래프가 그 예이다.

그림

따라서 f(n)(x)f^{(n)}(x) 의 근이 mm 개뿐이면 f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) 의 근은 많아야 m+1m+1 개이다. 마찬가지로 f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) 의 근이 많아야 m+1m+1 개이므로 f(n−2)(x)f^{(n-2)}(x) 의 근은 많아야 m+2m+2 개이다. 이와 같이 계속하면 f(x)=f(n−n)(x)f(x)=f^{(n-n)}(x) 는 서로 다른 근을 많아야 m+nm+n 개 가진다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is differentiable over all real numbers, it is also continuous over all real numbers. Similarly, f′(x)f'(x) is differentiable over all real numbers, so it is also continuous over all real numbers, and so on for the first nn derivatives of f(x)f(x).

Rolle's Theorem tells us that if aa and bb are distinct roots of a function gg, then g′(x)=0g'(x)=0 for some cc in (a,b)(a,b). That is, g′g' has a root strictly between aa and bb. Expanding this idea, if gg has m+1m+1 distinct roots, then g′g' must have at least mm distinct roots, as in the sketch below.

figure

So, if f(n)(x)f^{(n)}(x) has only mm roots, then f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) has at most m+1m+1 roots. Similarly, since f(n−1)(x)f^{(n-1)}(x) has at most m+1m+1 roots, f(n−2)(x)f^{(n-2)}(x) has at most m+2m+2 roots. Continuing in this way, we see f(x)=f(n−n)(x)f(x)=f^{(n-n)}(x) has at most m+nm+n distinct roots.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 16번
# 이계도함수와 오목·볼록계산도전자동 분류
29.CLP-1 · 3.2절 · 21번우리말 번역

떠 있는 부표가 강바닥에 고정되어 있다. 강이 흐르면 부표는 길이 2미터의 줄이 팽팽해질 때까지 물이 흐르는 방향으로 끌려간다. 닻에 있는 센서는 아래 그림과 같이 줄과 강바닥 사이의 각 θ\theta 를 읽는다. 이 자료는 시간에 따라 변하는 강의 수심 DD 를 측정하는 데 쓰인다.

그림

(a) θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4} 이고 dθdt=0.25 radhr\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25~\frac{\mathrm{rad}}{\mathrm{hr}} 일 때, 물의 깊이 DD 는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. (b) 측정 결과 dθdt=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0 이지만 dDdt≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}\neq0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요. (c) 측정 결과 dθdt>0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}>0 이지만 dDdt<0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}<0 이다. 어떤 상황에서 이런 일이 일어나는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A floating buoy is anchored to the bottom of a river. As the river flows, the buoy is pulled in the direction of flow until its 2-metre rope is taut. A sensor at the anchor reads the angle θ\theta between the rope and the riverbed, as shown in the diagram below. This data is used to measure the depth DD of water in the river, which depends on time.

figure

(a) If θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4} and dθdt=0.25 radhr\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25~\frac{\mathrm{rad}}{\mathrm{hr}}, how fast is the depth DD of the water changing? (b) A measurement shows dθdt=0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0, but dDdt≠0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}\neq0. Under what circumstances does this occur? (c) A measurement shows dθdt>0\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}>0, but dDdt<0\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}<0. Under what circumstances does this occur?

정답·풀이 보기

흔히 그렇듯이, 이 문제에서도 직각삼각형을 이용하여 여러 양 사이의 관계를 나타낸다.

그림

sin⁡θ=D2D=2sin⁡θ합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 t 에 대해 미분한다.dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt따라서 dθdt=0.25 라디안/시간이고 θ=π4 라디안이면(a)dDdt=2cos⁡(π4)⋅0.25=2(12)14=122 미터/시간.\begin{aligned} \sin\theta&=\frac{D}{2}\\ D&=2\sin\theta\\ \text{합성함수의 미분법을 이용하여 양변을 시간 $t$ 에 대해 미분한다.} \\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\theta\cdot\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ \text{따라서 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25$ 라디안/시간이고 $\theta = \dfrac{\pi}{4}$ 라디안이면} \\ (a)\qquad\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\cdot 0.25=2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\frac{1}{4}=\frac{1}{2\sqrt{2}}~\text{미터/시간}. \end{aligned}

(b)는 잠시 접어 두고 (c)를 생각해 보자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 와 dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 의 부호가 다르면, dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=2\cos\theta\cdot\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 이므로 cos⁡θ<0\cos\theta<0 이다. 수심은 음이 아니어야 하므로 D>0D>0 이고, D=2sin⁡θD=2\sin\theta 이므로 sin⁡θ>0\sin \theta >0 이다. sin⁡θ≥0\sin\theta\ge0 이고 cos⁡θ<0\cos \theta<0 이면 θ∈(π/2,π]\theta\in(\pi/2,\pi] 이다. 그림으로 나타내면 다음과 같다.

그림

즉, 물이 흐르는 방향이 반대로 바뀐 것이다. 예를 들어 강이 바다로 흘러들어 가는 곳에서 만조일 때 이런 일이 일어난다. 선샤인 코스트에 있는 스쿠쿰척 내로스 주립공원에는 흐름이 반대로 바뀌는 여울이 있다.

이제 (b)로 돌아가 보자. 줄의 길이가 2미터뿐인데 강물이 2미터보다 더 높이 차오르면, 등식 D=2sin⁡θD=2\sin\theta 는 더 이상 성립하지 않는다. 부표는 물속에 가만히 있는 채로 물이 불어나거나 줄어들 수 있다(단, 수심은 22 미터 이상으로 유지된다).

원본 교재 풀이(영어)

As is so often the case, we use a right triangle in this problem to relate the quantities.

figure

sin⁡θ=D2D=2sin⁡θUsing the chain rule, we differentiate both sides with respect to time, t.dDdt=2cos⁡θ⋅dθdtSo, if dθdt=0.25 radians per hour and θ=π4 radians, then(a)dDdt=2cos⁡(π4)⋅0.25=2(12)14=122 metres per hour.\begin{aligned} \sin\theta&=\frac{D}{2}\\ D&=2\sin\theta\\ \text{Using the chain rule, we differentiate both sides with respect to time, $t$.} \\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\theta\cdot\frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} \\ \text{So, if $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=0.25$ radians per hour and $\theta = \dfrac{\pi}{4}$ radians, then} \\ (a)\qquad\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\cdot 0.25=2\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\frac{1}{4}=\frac{1}{2\sqrt{2}}~\text{metres per hour}. \end{aligned}

Setting aside part (b) for a moment, let's think about (c). If dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} and dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} have different signs, then because dDdt=2cos⁡θ⋅dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}=2\cos\theta\cdot\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}, that means cos⁡θ<0\cos\theta<0. We have to have a nonnegative depth, so D>0D>0 and D=2sin⁡θD=2\sin\theta implies sin⁡θ>0\sin \theta >0. If sin⁡θ≥0\sin\theta\ge0 and cos⁡θ<0\cos \theta<0, then θ∈(π/2,π]\theta\in(\pi/2,\pi]. On the diagram, that looks like this:

figure

That is: the water has reversed direction. This happens, for instance, when a river empties into the ocean and the tide is high. Skookumchuck Narrows provincial park, in the Sunshine Coast, has reversing rapids.

Now, let's return to (b). If the rope is only 2 metres long, and the river rises higher than 2 metres, then our equation D=2sin⁡θD=2\sin\theta doesn't work any more: the buoy might be stationary underwater while the water rises or falls (but stays at or above 22 metres deep).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.2절 · 24번
# 관련 변화율그래프·표 해석도전자동 분류
30.CLP-1 · 3.2절 · 22번우리말 번역

점이 아래 그림과 같은 사각형을 따라 xyxy-평면 위를 움직이고 있다.

그림

(a) 점이 (0,−2)(0,-2) 에 있을 때, 점은 오른쪽으로 움직이고 있다. 원점에 서 있는 관찰자가 그 점을 똑바로 바라보려면 초당 1라디안의 비율로 회전해야 한다. 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요. (b) 점이 (0,2)(0,2) 에 있을 때, 점의 xx좌표는 초당 1단위의 비율로 증가하고 있다. 점의 yy좌표는 얼마나 빠르게 변하는지 구하세요. 또 점은 얼마나 빠르게 움직이고 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

A point is moving in the xyxy-plane along the quadrilateral shown below.

figure

(a) When the point is at (0,−2)(0,-2), it is moving to the right. An observer stationed at the origin must turn at a rate of one radian per second to keep looking directly at the point. How fast is the point moving? (b) When the point is at (0,2)(0,2), its xx-coordinate is increasing at a rate of one unit per second. How fast it its yy-coordinate changing? How fast is the point moving?

정답·풀이 보기

(a) 점이 (0,−2)(0,-2) 에 있을 때, 점은 수평선을 따라 움직이고 있으므로 yy좌표는 변하지 않는다. 따라서 점이 움직이는 빠르기는 단순히 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 이다. 관찰자가 점을 보기 위해 바라보는 각을 θ\theta 라 하자. dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 는 알고 있으므로, θ\theta 와 xx 를 연결하는 방정식을 찾은 다음 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. 이를 위해 그림으로 돌아가 보자.

그림

점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있을 때, 그림과 같이 원점과 함께 삼각형을 만들 수 있다. 표시된 각을 θ\theta 라 하면 dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 라디안/초이다. (관찰자가 초당 1라디안으로 회전한다고 주어졌으므로, 이것이 θ\theta 가 증가하는 빠르기이다.) 그림의 직각삼각형에서 다음을 알 수 있다. tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} 이제 미묘한 점 하나를 짚어야 한다. 우리가 그린 그림은 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 오른쪽에 있는 위치일 때만 의미가 있다. 따라서 지금까지는 오른쪽에서의 미분을 구하는 설정만 만든 셈이다. 그러나 조금 더 생각해 보면, xx 가 음수일 때(즉 점이 (0,−2)(0,-2) 의 약간 왼쪽에 있을 때)에도 θ\theta 를 주의해서 정의하면 이 식이 성립함을 알 수 있다. θ\theta 를 점과 원점을 잇는 선분과 yy축 사이의 각으로 하되, 점이 yy축의 왼쪽에 있을 때는 θ\theta 가 음수라고 하자.

그림

점이 yy축의 왼쪽에 있을 때 xx 와 θ\theta 는 모두 음수이므로,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2그런데 tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ) 이므로:tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{그런데 $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$ 이므로:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

따라서 점이 (x,−2)(x,-2) 에 있을 때 xx 의 부호와 관계없이 tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} 가 성립함을 보였다.

계속해서, dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} 가 주어졌고 dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 를 구해야 하므로 tt 에 대하여 미분한다.

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdt점이 (0,−2) 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 dθdt=1 이다. 또 그림에서 θ=0 이다. 이 값들을 대입하면:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{점이 $(0,-2)$ 에 있을 때 관찰자가 초당 1라디안으로 회전하므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$ 이다. 또 그림에서 $\theta=0$ 이다. 이 값들을 대입하면:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

따라서 점은 초당 2단위의 속력으로 움직인다.

(b) 점이 (0,2)(0,2) 에 있을 때, 점은 기울기가 −12-\frac{1}{2} 이고 yy절편이 22 인 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 점은 직선 y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x 위에 있다. 즉 시각 tt 에서 점이 (x(t),y(t))(x(t),y(t)) 에 있다면, x(t)x(t) 와 y(t)y(t) 는 y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t) 를 만족시킨다. 이를 tt 에 대하여 음함수 미분하면: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 따라서 dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1 일 때 dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2} 이다. 즉 yy좌표는 초당 12\dfrac{1}{2}단위의 비율로 감소한다.

“점은 얼마나 빠르게 움직이는가?”라는 물음에 대해서는, 물체의 속도가 물체의 위치를 나타내는 식을 (시간에 대하여) 미분하여 구해진다는 점을 기억하자. 이 경우 복잡한 점은 (1) 물체의 위치가 시간의 함수로 주어져 있지 않고, (2) 물체의 위치가 1차원이 아니라 2차원(xx좌표와 yy좌표)으로 주어져 있다는 것이다.

참고: 아래의 풀이는 사실 꽤 복잡하다. 스스로 알아낼 수 있는 수준이기는 하지만, 수학을 더 공부하다 보면 벡터를 이용한 더 쉬운 방법을 배우게 될 것이다. 지금은 비교적 어려운 연습 문제로 생각하고, 계속 공부할 동기로 삼자. 더 쉬운 방법이 있을 것이다라는 직관은 충분히 근거가 있다!

점은 직선을 따라 움직이고 있다. 따라서 복잡한 점 (2)를 해결하기 위해, 점의 위치를 직선 위의 한 점으로 나타낼 수 있다. 이 직선을 일종의 축으로 삼을 수 있다. 이 축에서 “원점”이 될 점을 하나 골라야 하는데, (2,1)(2,1) 이 편리한 점이다. DD 를 “축”을 따라 (2,1)(2,1) 로부터 잰 점의 (부호가 있는) 거리라 하자. 점이 (2,1)(2,1) 의 왼쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=−1D=-1 이고, 점이 (2,1)(2,1) 의 오른쪽으로 1단위 떨어져 있을 때는 D=1D=1 이다. 그러면 DD 는 시간에 따라 변하고, dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} 는 점의 속도이다. dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} 와 dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} 를 알고 있으므로, xx, yy, DD 를 연결하는 방정식을 찾아 tt 에 대하여 음함수 미분하는 것이 적절한 계획이다. (이 음함수 미분이 복잡한 점 (1)을 해결해 준다.) 피타고라스 정리를 이용하면:

D2=(x−2)2+(y−1)2t 에 대하여 미분하면:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtx=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, 그리고 D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (점이 (2,1) 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 단위/초\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{$t$ 에 대하여 미분하면:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{$x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, 그리고 $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (점이 $(2,1)$ 의 왼쪽에 있으므로 음수)를 대입하면:} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{단위/초} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) When the point is at (0,−2)(0,-2), its yy-coordinate is not changing, because it is moving along a horizontal line. So, the rate at which the particle moves is simply dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}. Let θ\theta be the angle an observer would be looking at, in order to watch the point. Since we know dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating θ\theta and xx, and then differentiate implicitly with respect to tt. To do this, let's return to our diagram.

figure

When the point is a little to the right of (0,−2)(0,-2), then we can make a triangle with the origin, as shown. If we let θ\theta be the indicated angle, then dθdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1 radian per second. (It is given that the observer is turning one radian per second, so this is how fast θ\theta is increasing.) From the right triangle in the diagram, we see tan⁡θ=x2\tan\theta=\frac{x}{2} Now, we have to take care of a subtle point. The diagram we drew only makes sense for the point when it is at a position a little to the right of (0,−2)(0,-2). So, right now, we've only made a set-up that will find the derivative from the right. But, with a little more thought, we see that even when xx is negative (that is, when the point is a little to the left of (0,−2)(0,-2)), our equation holds if we are careful about how we define θ\theta. Let θ\theta be the angle between the line connecting the point and the origin, and the yy-axis, where θ\theta is negative when the point is to the left of the yy-axis.

figure

Since xx and θ\theta are both negative when the point is to the left of the yy-axis,

tan⁡∣θ∣=2∣x∣tan⁡(−θ)=−x2So, since tan⁡(−θ)=−tan⁡(θ):tan⁡θ=x2\begin{aligned} \tan|\theta|&=\frac{2}{|x|}\\ \tan(-\theta) &= \frac{-x}{2} \\ \text{So, since $\tan(-\theta)=-\tan(\theta)$:} \\ \tan\theta&=\frac{x}{2} \end{aligned}

So, we've shown that the relationship tan⁡θ=x2\tan\theta=\dfrac{x}{2} holds when our point is at (x,−2)(x,-2), regardless of the sign of xx.

Moving on, since we are given dθdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t} and asked for dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}, we differentiate with respect to tt:

sec⁡2θ⋅dθdt=12⋅dxdtWhen the point is at (0,−2), since the observer is turning at one radian per second, also dθdt=1. Also, looking at the diagram, θ=0. Plugging in these values:sec⁡2(0)⋅(1)=12⋅dxdt1=12⋅dxdtdxdt=2\begin{aligned} \sec^2\theta \cdot \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \\ \text{When the point is at $(0,-2)$, since the observer is turning at one radian per second, also $\displaystyle \frac{\mathrm{d}\theta}{\mathrm{d}t}=1$. Also, looking at the diagram, $\theta=0$. Plugging in these values:} \\ \sec^2\left(0\right)\cdot(1)&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ 1&=\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}\\ \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}&=2 \end{aligned}

So, the particle is moving at 2 units per second.

(b) When the point is at (0,2)(0,2), it is moving along a line with slope −12-\frac{1}{2} and yy-intercept 22. So, it is on the line y=2−12xy=2-\frac{1}{2}x That is, at time tt, if the point is at (x(t),y(t))(x(t),y(t)), then x(t)x(t) and y(t)y(t) satisfy y(t)=2−12x(t)y(t)=2-\frac{1}{2}x(t). Implicitly differentiating with respect to tt: dydt=−12⋅dxdt\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} So, when dxdt=1\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1, dydt=−12\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\dfrac{1}{2}. That is, its yy-coordinate is decreasing at 12\dfrac{1}{2} unit per second.

For the question “How fast is the point moving?", remember that the velocity of an object can be found by differentiating (with respect to time) the equation that gives the position of the object. The complicating factors in this case are that (1) the position of our object is not given as a function of time, and (2) the position of our object is given in two dimensions (an xx coordinate and a yy coordinate), not one.

Remark: the solution below is actually pretty complicated. It is within your abilities to figure it out, but later on in your mathematical career you will learn an easier way, using vectors. For now, take this as a relatively tough exercise, and a motivation to keep learning: your intuition that there must be an easier way is well founded!

The point is moving along a straight line. So, to take care of complication (2), we can give its position as a point on the line. We can take the line as a sort of axis. We'll need to choose a point on the axis to be the “origin": (2,1)(2,1) is a convenient point. Let DD be the point's (signed) distance along the “axis" from (2,1)(2,1). When the point is a distance of one unit to the left of (2,1)(2,1), we'll have D=−1D=-1, and when the point is a distance of one unit to the right of (2,1)(2,1), we'll have D=1D=1. Then DD changes with respect to time, and dDdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t} is the velocity of the point. Since we know dxdt\displaystyle \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} and dydt\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}, a reasonable plan is to find an equation relating xx, yy, and DD, and differentiate implicitly with respect to tt. (This implicit differentiation takes care of complication (1).) Using the Pythagorean Theorem:

D2=(x−2)2+(y−1)2Differentiating with respect to t:2D⋅dDdt=2(x−2)⋅dxdt+2(y−1)⋅dydtWe plug in x=0, y=2, dxdt=1, dydt=−12, and D=−(0−2)2+(2−1)2=−5 (negative because the point is to the left of (2,1)):−25⋅dDdt=2(−2)(1)+2(1)(−12)dDdt=52 units per second\begin{aligned} D^2&=(x-2)^2+(y-1)^2 \\ \text{Differentiating with respect to $t$:} \\ 2D\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(x-2)\cdot\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}+2(y-1)\cdot\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \\ \text{We plug in $x=0$, $y=2$, $\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}=1$, $\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}=-\frac{1}{2}$, and $D=-\sqrt{(0-2)^2+(2-1)^2}=-\sqrt{5}$ (negative because the point is to the left of $(2,1)$):} \\ -2\sqrt{5}\cdot\frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=2(-2)(1)+2(1)\left(-\frac{1}{2}\right)\\ \frac{\mathrm{d}D}{\mathrm{d}t}&=\frac{\sqrt{5}}{2}~\text{units per second} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.2절 · 21번
# 관련 변화율그래프·표 해석도전자동 분류
31.CLP-1 · 3.2절 · 24번우리말 번역

양 AA, BB, CC, DD는 모두 시간에 따라 변하며, 다음 식으로 서로 관련되어 있습니다. AB=log⁡(C2+D2+1).AB=\log\left(C^2+D^2+1\right). 시각 t=10t=10 일 때, 다음 값이 알려져 있습니다.

  • A=0A=0
  • dAdt=2\displaystyle \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t}=2 (단위/초)

t=10t=10 일 때 BB 를 구하세요.

영어 원문 보기

The quantities AA, BB, CC, and DD all depend on time, and are related by the formula AB=log⁡(C2+D2+1).AB=\log\left(C^2+D^2+1\right). At time t=10t=10, the following values are known:

  • A=0A=0
  • dAdt=2\displaystyle \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t}=2 units per second

What is BB when t=10t=10?

정답·풀이 보기

A=0A=0 이므로, 변수들을 관련짓는 등식에서 다음을 알 수 있다:

0=log⁡(C2+D2+1)1=C2+D2+10=C2+D20=C=D이 정보는 아마 유용할 것이다. 도함수의 값도 주어졌으므로, 변수들을 관련짓는 등식을 t 에 대해 음함수 미분하자. 표기를 간단히 하기 위해 dAdt=A′ 등으로 쓰겠다.A′B+AB′=2CC′+2DD′C2+D2+1t=10 일 때 A=C=D=0 이므로:A′B+0=0+00+0+1A′B=0t=10 일 때 A′=2 (단위/초)이므로:2B=0B=0.\begin{aligned} 0&=\log\left(C^2+D^2+1\right)\\ 1&=C^2+D^2+1\\ 0&=C^2+D^2\\ 0&=C=D \\ \text{이 정보는 아마 유용할 것이다. 도함수의 값도 주어졌으므로, 변수들을 관련짓는 등식을 $t$ 에 대해 음함수 미분하자. 표기를 간단히 하기 위해 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t}=A'$ 등으로 쓰겠다.} \\ A'B+AB'&=\frac{2CC'+2DD'}{C^2+D^2+1} \\ \text{$t=10$ 일 때 $A=C=D=0$ 이므로:} \\ A'B+0&=\frac{0+0}{0+0+1}\\ A'B&=0 \\ \text{$t=10$ 일 때 $A'=2$ (단위/초)이므로:} \\ 2B&=0\\ B&=0. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Since A=0A=0, the equation relating the variables tells us:

0=log⁡(C2+D2+1)1=C2+D2+10=C2+D20=C=DThis will probably be useful information. Since we’re also given the value of a derivative, let’s differentiate the equation relating the variables implicitly with respect to t. For ease of notation, we will write dAdt=A′, etc.A′B+AB′=2CC′+2DD′C2+D2+1At t=10, A=C=D=0:A′B+0=0+00+0+1A′B=0at t=10, A′=2 units per second:2B=0B=0.\begin{aligned} 0&=\log\left(C^2+D^2+1\right)\\ 1&=C^2+D^2+1\\ 0&=C^2+D^2\\ 0&=C=D \\ \text{This will probably be useful information. Since we're also given the value of a derivative, let's differentiate the equation relating the variables implicitly with respect to $t$. For ease of notation, we will write $\displaystyle \frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}t}=A'$, etc.} \\ A'B+AB'&=\frac{2CC'+2DD'}{C^2+D^2+1} \\ \text{At $t=10$, $A=C=D=0$:} \\ A'B+0&=\frac{0+0}{0+0+1}\\ A'B&=0 \\ \text{at $t=10$, $A'=2$ units per second:} \\ 2B&=0\\ B&=0. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 4.2절 · 2번
# 관련 변화율활용도전자동 분류