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.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
2.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
3.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