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

100문제 · 5 / 5쪽

81.CLP-1 · 2.7절 · 2번우리말 번역

아래 그래프는 지수함수 f(x)=axf(x)=a^x 와 그 도함수 f′(x)f'(x) 를 나타낸 것입니다. 상수 aa 를 설명하는 보기를 모두 고르세요. (a) a<0(b) a>0(c) a<1(d) a>1(e) a<e(f) a>e(a)~a<0\qquad(b)~a>0\qquad\qquad(c)~a<1\qquad(d)~a>1\qquad\qquad(e)~a<e\qquad(f)~a>e

그림

영어 원문 보기

The graph below shows an exponential function f(x)=axf(x)=a^x and its derivative f′(x)f'(x). Choose all the options that describe the constant aa. (a) a<0(b) a>0(c) a<1(d) a>1(e) a<e(f) a>e(a)~a<0\qquad(b)~a>0\qquad\qquad(c)~a<1\qquad(d)~a>1\qquad\qquad(e)~a<e\qquad(f)~a>e

figure

정답·풀이 보기

먼저 aa 가 1보다 큰지 작은지에 따라 지수함수 axa^x 가 어떻게 변하는지 살펴보자. 알다시피 lim⁡x→∞ax={∞a>10a<1\displaystyle \lim_{x\to\infty}a^x=\left\{\begin{array}{ll} \infty & a>1\\0&a<1 \end{array}\right. 이고 lim⁡x→−∞ax={0a>1∞a<1\displaystyle \lim_{x\to-\infty}a^x=\left\{\begin{array}{ll} 0 & a>1\\\infty&a<1 \end{array}\right. 이다. 주어진 함수는 lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty 이고 lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=0 이므로 a>1a>1 이다. 따라서 (d)(d) 가 성립하고 (b)(b) 도 성립한다. (axa^x 가 모든 실수에서 정의되므로 (b)(b) 가 성립함을 알 수도 있다.)

이제 aa 가 ee 보다 큰지 작은지 판단해야 한다. (aa 가 ee 와 같다면 f′(x)f'(x) 는 f(x)f(x) 와 같을 것이다.) 본문에서 함수 C(a)=lim⁡h→0ah−1hC(a)=\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{a^h-1}{h} 에 대해 ddx{ax}=C(a)ax\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{a^x\}=C(a)a^x 임을 보았다. C(e)=1C(e)=1 임을 안다. (사실 ee 는 이 성질을 갖는 수로 정한 것이다.) 그래프에서 f′(x)<f(x)f'(x)<f(x) 임을 알 수 있으므로 C(a)<1=C(e)C(a)<1=C(e) 이다. 즉 lim⁡h→0ah−1h<lim⁡h→0eh−1h\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{a^h-1}{h}<\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{e^h-1}{h} 이므로 a<ea<e 이다. 따라서 (e)(e) 가 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

First, let's consider the behaviour of exponential functions axa^x based on whether aa is greater or less than 1. As we know, lim⁡x→∞ax={∞a>10a<1\displaystyle \lim_{x\to\infty}a^x=\left\{\begin{array}{ll} \infty & a>1\\0&a<1 \end{array}\right. and lim⁡x→−∞ax={0a>1∞a<1\displaystyle \lim_{x\to-\infty}a^x=\left\{\begin{array}{ll} 0 & a>1\\\infty&a<1 \end{array}\right.. Our function has lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty and lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=0, so we conclude a>1a>1: thus (d)(d) and also (b)(b) hold. (We could have also seen that (b)(b) holds because axa^x is defined for all real numbers.)

It remains to decide whether aa is greater or less than ee. (If aa were equal to ee, then f′(x)f'(x) would be the same as f(x)f(x).) We saw in the text that ddx{ax}=C(a)ax\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{a^x\}=C(a)a^x for the function C(a)=lim⁡h→0ah−1hC(a)=\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{a^h-1}{h}. We know that C(e)=1C(e)=1. (Actually, we chose ee to be the number that has this property.) From our graph, we see that f′(x)<f(x)f'(x)<f(x), so C(a)<1=C(e)C(a)<1=C(e). In other words, lim⁡h→0ah−1h<lim⁡h→0eh−1h\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{a^h-1}{h}<\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{e^h-1}{h}; so, a<ea<e. Thus (e)(e) holds.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.7절 · 5번
# 지수함수와 로그함수의 미분그래프·표 해석기본자동 분류
82.CLP-1 · 2.8절 · 1번우리말 번역

사인함수와 코사인함수의 그래프를 x=−2πx=-2\pi 부터 x=2πx=2\pi 까지 같은 좌표축 위에 그리세요. sin⁡x\sin x 가 수평인 접선을 갖는 점들을 표시하세요. 이 점들은 코사인함수의 그래프에서 무엇에 해당하는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Graph sine and cosine on the same axes, from x=−2πx=-2\pi to x=2πx=2\pi. Mark the points where sin⁡x\sin x has a horizontal tangent. What do these points correspond to, on the graph of cosine?

정답·풀이 보기

그림

함수 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 그래프는 정확히 cos⁡x=0\cos x=0 인 점들에서 수평인 접선을 갖는다. ddx{sin⁡x}=cos⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin x\}=\cos x 이므로 이는 반드시 성립한다. 사인함수의 도함수가 0인 곳에서 코사인함수 자체도 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

figure

The graph f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x has horizontal tangent lines precisely at those points where cos⁡x=0\cos x=0. This must be true, since ddx{sin⁡x}=cos⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\sin x\}=\cos x: where the derivative of sine is zero, cosine itself is zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 11번
# 삼각함수의 미분그래프·표 해석기본자동 분류
83.CLP-1 · 2.8절 · 2번우리말 번역

같은 좌표축에 x=−2πx=-2\pi 부터 x=2πx=2\pi 까지 사인 함수와 코사인 함수의 그래프를 그리세요. sin⁡x\sin x 의 접선의 기울기가 최대(양수)인 점들을 표시하세요. 이 점들은 코사인 함수의 그래프에서 무엇에 해당하나요?

영어 원문 보기

Graph sine and cosine on the same axes, from x=−2πx=-2\pi to x=2πx=2\pi. Mark the points where sin⁡x\sin x has a tangent line of maximum (positive) slope. What do these points correspond to, on the graph of cosine?

정답·풀이 보기

그림

함수 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 그래프는 cos⁡x\cos x 가 최댓값을 갖는 점에서 기울기가 최대이다. f′(x)=cos⁡xf'(x)=\cos x 이므로 이는 타당하다. 사인 함수의 기울기의 최댓값은 코사인 함수의 최댓값에 대응한다.

원본 교재 풀이(영어)

figure

The graph f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x has maximum slope at those points where cos⁡x\cos x has a maximum. This makes sense, because f′(x)=cos⁡xf'(x)=\cos x: the maximum values of the slope of sine correspond to the maximum values of cosine.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 18번
# 삼각함수의 미분그래프·표 해석기본자동 분류
84.CLP-1 · 2.8절 · 15번우리말 번역

x=π2x=\dfrac{\pi}{2} 에서 y=cos⁡(x)+2xy=\cos(x)+2x 의 그래프에 접하는 직선의 방정식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the equation of the line tangent to the graph of y=cos⁡(x)+2xy=\cos(x)+2x at x=π2x=\dfrac{\pi}{2}.

정답·풀이 보기

cos⁡(x)+2x\cos(x)+2x 의 도함수를 구하면 −sin⁡(x)+2-\sin(x)+2 이고, x=π2x=\frac{\pi}{2} 에서의 미분계수는 −1+2=1-1+2=1 이다. 또 cos⁡(π/2)+2(π/2)=0+π\cos(\pi/2)+2(\pi/2)=0+\pi 이므로 접선의 방정식은

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

원본 교재 풀이(영어)

We compute the derivative of cos⁡(x)+2x\cos(x)+2x as being −sin⁡(x)+2-\sin(x)+2, which evaluated at x=π2x=\frac{\pi}{2} yields −1+2=1-1+2=1. Since we also compute cos⁡(π/2)+2(π/2)=0+π\cos(\pi/2)+2(\pi/2)=0+\pi, then the equation of the tangent line is

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 14번
# 삼각함수의 미분그래프·표 해석보통자동 분류
85.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
86.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
87.CLP-1 · 2.11절 · 2번우리말 번역

아래 그림을 이용하여, 곡선이 yy축과 만나는 세 점에서 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 의 값을 어림하세요.

그림

참고: 이 곡선에서는 하나의 xx 의 값에 여러 개의 yy 의 값이 대응할 수 있다. 따라서 이 곡선은 어떤 함수 xx 에 대해서도 y=f(x)y=f(x) 로 나타낼 수 없다. 이는 음함수 미분을 사용할 수 있는 대표적인 경우 중 하나이다.

영어 원문 보기

Using the picture below, estimate dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} at the three points where the curve crosses the yy-axis.

figure

Remark: for this curve, one value of xx may correspond to multiple values of yy. So, we cannot express this curve as y=f(x)y=f(x) for any function xx. This is one typical situation where we might use implicit differentiation.

정답·풀이 보기

(0,4)(0,4) 와 (0,−4)(0,-4) 에서는 곡선을 확대해 보면 수평으로 보이므로, 이 점에서의 접선의 미분계수는 0이다. 원점에서는 접선이 수직으로 보이므로 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 는 존재하지 않는다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

At (0,4)(0,4) and (0,−4)(0,-4), the curve looks to be horizontal, if you zoom in: a tangent line here would have derivative zero. At the origin, the curve looks like its tangent line is vertical, so dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} does not exist.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.11절 · 3번
# 음함수의 미분법그래프·표 해석기본자동 분류
88.CLP-1 · 2.11절 · 3번우리말 번역

x2+y2=1x^2+y^2=1 을 만족하는 모든 점 (x,y)(x,y) 로 이루어진 단위원을 생각합니다.

그림

(a) y=f(x)y=f(x) 가 단위원을 완전히 나타내도록 하는 함수 f(x)f(x) 가 있나요? 즉, 등식 y=f(x)y=f(x) 를 참이 되게 하는 점 (x,y)(x,y) 가 등식 x2+y2=1x^2+y^2=1 을 참이 되게 하는 점과 정확히 같도록 하는 함수가 있나요? (b) y=f′(x)y=f'(x) 가 단위원의 기울기를 완전히 나타내도록 하는 함수 f′(x)f'(x) 가 있나요? 즉, 단위원 위의 모든 점 (x,y)(x,y) 에 대하여 그 점에서 원에 그은 접선의 기울기가 f′(x)f'(x) 로 주어지도록 하는 함수가 있나요? (c) 음함수 미분을 이용하여 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 에 대한 식을 구하세요. 그 식이 (yy 는 포함하지 않고) xx 만의 함수가 될 때까지 간단히 하거나, 그것이 불가능한 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Consider the unit circle, formed by all points (x,y)(x,y) that satisfy x2+y2=1x^2+y^2=1.

figure

(a) Is there a function f(x)f(x) so that y=f(x)y=f(x) completely describes the unit circle? That is, so that the points (x,y)(x,y) that make the equation y=f(x)y=f(x) true are exactly the same points that make the equation x2+y2=1x^2+y^2=1 true? (b) Is there a function f′(x)f'(x) so that y=f′(x)y=f'(x) completely describes the slope of the unit circle? That is, so that for every point (x,y)(x,y) on the unit circle, the slope of the tangent line to the circle at that point is given by f′(x)f'(x)? (c) Use implicit differentiation to find an expression for dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}. Simplify until the expression is a function in terms of xx only (not yy), or explain why this is impossible.

정답·풀이 보기

(a) 아니요. 함수는 수직선 판정법을 통과해야 한다. 즉, 하나의 입력에서 두 개(또는 그 이상)의 출력이 나올 수 없다. 하나의 xx 값이 때때로 두 개의 yy 값에 대응하므로(예를 들어 x=π/4x=\pi/4 일 때 yy 는 ±1/2\pm 1/\sqrt{2} 이다), y=f(x)y=f(x) 가 원 위의 모든 점을 나타내도록 하는 함수 f(x)f(x) 는 없다.

참고: y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2} 은 단위원 위의 모든 점을 나타낸다. 그러나 하나의 입력 xx 가 때때로 두 개의 출력 yy 를 내므로 이 식은 함수가 아니다.

(b) 아니요, (a)와 같은 이유이다. f′(x)f'(x) 가 함수라면 하나의 xx 값에 대응하는 기울기를 많아야 하나만 줄 수 있다. 하나의 xx 값이 기울기가 서로 다른 원 위의 두 점에 대응할 수 있으므로, f′(x)f'(x) 는 원 위의 모든 점의 기울기를 줄 수 없다. 예를 들어 0<a<10<a<1 인 임의의 aa 를 잡자. xx 좌표가 aa 인 원 위의 점은 두 개 있다. 위쪽 점에서는 기울기가 엄격히 음수이고, 아래쪽 점에서는 기울기가 엄격히 양수이다.

(c) 미분하면 다음과 같다.

2x+2ydydx=0그리고 dydx 에 대해 푼다dydx=−xy\begin{aligned} 2x+2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{그리고 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 에 대해 푼다} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{y} \end{aligned}

그런데 이 등식의 우변에는 yy 가 있고, 이를 없앨 방법이 분명하지 않다. (b)의 답에 따르면, 우변이 xx 의 함수가 되도록 하려면 사실 yy 를 없앨 수 없다. 하나의 xx 값이 원 위의 여러 점에 대응하므로 도함수는 xx 의 함수로 나타낼 수 없다.

참고: y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2} 이므로 다음과 같이 쓰려고 할 수 있다. dydx=−xy=±x1−x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-\frac{x}{y}=\pm\frac{x}{\sqrt{1-x^2}} 그러나 이것은 xx 의 함수가 아니다. 다시 말하지만, 함수에서는 하나의 입력이 많아야 하나의 출력을 내지만, 여기서는 대개 하나의 xx 값이 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 의 두 값을 낸다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) No. A function must pass the vertical line test: one input cannot result in two (or more) outputs. Since one value of xx sometimes corresponds to two values of yy (for example, when x=π/4x=\pi/4, yy is ±1/2\pm 1/\sqrt{2}), there is no function f(x)f(x) so that y=f(x)y=f(x) captures every point on the circle.

Remark: y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2} does capture every point on the unit circle. However, since one input xx sometimes results in two outputs yy, this expression is not a function.

(b) No, for the same reasons as (a). If f′(x)f'(x) is a function, then it can give at most one slope corresponding to one value of xx. Since one value of xx can correspond to two points on the circle with different slopes, f′(x)f'(x) cannot give the slope of every point on the circle. For example, fix any 0<a<10<a<1. There are two points on the circle with xx-coordinate equal to aa. At the upper one, the slope is strictly negative. At the lower one, the slope is strictly positive.

(c) We differentiate:

2x+2ydydx=0and solve for dydxdydx=−xy\begin{aligned} 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} \end{aligned}

But there is a yy in the right-hand side of this equation, and it's not clear how to get it out. Our answer in (b) tells us that, actually, we can't get it out, if we want the right-hand side to be a function of xx. The derivative cannot be expressed as a function of xx, because one value of xx corresponds to multiple points on the circle.

Remark: since y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2}, we could try writing dydx=−xy=±x1−x2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-\frac{x}{y}=\pm\frac{x}{\sqrt{1-x^2}} but this is not a function of xx. Again, in a function, one input leads to at most one output, but here one value of xx will usually lead to two values of dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.11절 · 13번
# 음함수의 미분법그래프·표 해석기본자동 분류
89.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?

그림

그림

그림

그림

그림

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
90.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
91.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
92.CLP-1 · 3.6절 · 1번우리말 번역

아래 그래프에서 f′′(x)>0f''(x)>0 인 구간(즉, f(x)f(x) 가 아래로 볼록한 구간)과 f′′(x)<0f''(x)<0 인 구간(즉, f(x)f(x) 가 위로 볼록한 구간)을 표시하세요.

그림

영어 원문 보기

On the graph below, mark the intervals where f′′(x)>0f''(x)>0 (i.e. f(x)f(x) is concave up) and where f′′(x)<0f''(x)<0 (i.e. f(x)f(x) is concave down).

figure

정답·풀이 보기

그림

위 그래프에서 아래로 볼록한 부분은 빨간색으로 표시되어 있다. 이 부분은 그래프의 도함수가 증가하는 곳이고, 같은 말로 그래프가 접선들보다 위쪽에 놓이는 곳이며, 더 쉽게 말하면 웃는 얼굴처럼 휘어 있는 곳이다.

위로 볼록한 부분은 파란색으로 표시되어 있다. 이 부분은 그래프의 도함수가 감소하는 곳이고, 같은 말로 그래프가 접선들보다 아래쪽에 놓이는 곳이며, 더 쉽게 말하면 찡그린 얼굴처럼 휘어 있는 곳이다.

원본 교재 풀이(영어)

figure

In the graph above, the concave-up sections are marked in red. These are where the graph has an increasing derivative; equivalently, where the graph lies above its tangent lines; more descriptively, where it curves like a smiley face.

Concave-down sections are marked in blue. These are where the graph has a decreasing derivative; equivalently, where the graph lies below its tangent lines; more descriptively, where it curves like a frowney face.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 2번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석기본자동 분류
93.CLP-1 · 3.6절 · 2번우리말 번역

다음 조건을 만족하는 곡선을 그리세요.

  • ∣x∣>5|x|>5 일 때 아래로 볼록,
  • ∣x∣<5|x|<5 일 때 위로 볼록,
  • x<0x<0 일 때 증가,
  • x>0x>0 일 때 감소.
영어 원문 보기

Sketch a curve that is:

  • concave up when ∣x∣>5|x|>5,
  • concave down when ∣x∣<5|x|<5,
  • increasing when x<0x<0, and
  • decreasing when x>0x>0.
정답·풀이 보기

그래프의 가장 기본적인 모양은 마지막 두 조건으로 정해진다.

그림

곡선은 구간 (−5,5)(-5,5) 에서 위로 볼록하므로, 그 구간에서는 찡그린 얼굴(∩) 모양으로 휘게 그린다.

그림

마지막으로 x>5x>5 또는 x<−5x<-5 일 때 곡선은 아래로 볼록해야 하므로, 기본적인 증가/감소 모양은 바꾸지 않은 채 그 구간에서는 웃는 얼굴(∪) 모양으로 휘게 그린다.

그림

이로써 그래프가 완성된다.

원본 교재 풀이(영어)

The most basic shape of the graph is given by the last two bullet points:

figure

The curve is concave down over the interval (−5,5)(-5,5), so let's give it a frowney-face curvature there.

figure

Finally, when x>5x>5 or x<−5x<-5, our curve should be concave up, so let's give it smiley-face curvature there, without changing its basic increasing/decreasing shape.

figure

This finishes our sketch.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.5절 · 18번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석기본자동 분류
94.CLP-1 · 3.6절 · 4번우리말 번역

함수 f(x)=3x5−5x4+13xf(x)=3x^5-5x^4+13x 의 그래프에서 모든 변곡점을 구하세요.

영어 원문 보기

Find all inflection points for the graph of f(x)=3x5−5x4+13xf(x)=3x^5-5x^4+13x.

정답·풀이 보기

변곡점은 f′′(x)f''(x) 의 부호가 바뀌는 곳에서 생긴다. f(x)f(x) 는 다항식이므로 1계도함수와 2계도함수가 모든 곳에서 존재하고, 이들도 다항식이다. 구체적으로,

f(x)=3x5−5x4+13xf′(x)=15x4−20x3+13f′′(x)=60x3−60x2=60x2(x−1)\begin{aligned}f(x)&=3x^5-5x^4+13x\\ f'(x)&=15x^4-20x^3+13\\ f''(x)&=60x^3-60x^2=60x^2(x-1) \end{aligned}

2계도함수는 x<1x<1 에서 음수이고 x>1x>1 에서 양수이다. 따라서 x=1, y=11x=1,\ y=11 에서 볼록한 방향이 위로 볼록과 아래로 볼록 사이에서 바뀐다.

변곡점은 이것뿐이다. f′′(0)=0f''(0)=0 이지만, xx 가 0보다 조금 큰 값이든 조금 작은 값이든 f′′(x)<0f''(x)<0 이므로 x=0x=0 에서는 볼록한 방향이 바뀌지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

Inflection points occur where f′′(x)f''(x) changes sign. Since f(x)f(x) is a polynomial, its first and second derivatives exist everywhere, and are themselves polynomials. In particular,

f(x)=3x5−5x4+13xf′(x)=15x4−20x3+13f′′(x)=60x3−60x2=60x2(x−1)\begin{aligned}f(x)&=3x^5-5x^4+13x\\ f'(x)&=15x^4-20x^3+13\\ f''(x)&=60x^3-60x^2=60x^2(x-1) \end{aligned}

The second derivative is negative for x<1x<1 and positive for x>1x>1. Thus the concavity changes between concave up and concave down at x=1, y=11x=1,\ y=11.

This is the only inflection point. It is true that f′′(0)=0f''(0)=0, but for values of xx both a little larger than and a little smaller than 0, f′′(x)<0f''(x)<0, so the concavity does not change at x=0x=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 1번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석보통자동 분류
95.Active Calculus · 1.6절 · 10번우리말 번역

y=f(x)y = f(x) 가 두 번 미분가능한 함수이고 f′′f'' 이 연속이며, 다음 정보가 알려져 있다고 합시다: f(2)=−3f(2) = -3, f′(2)=1.5f'(2) = 1.5, f′′(2)=−0.25f''(2) = -0.25.

(a) x=2x = 2 근처에서 ff 는 증가하나요, 감소하나요? x=2x = 2 근처에서 ff 는 아래로 볼록인가요, 위로 볼록인가요? (b) f(2.1)f(2.1) 은 −3-3 보다 크다고, −3-3 과 같다고, 아니면 −3-3 보다 작다고 예상하나요? 그 이유는 무엇인가요? (c) f′(2.1)f'(2.1) 은 1.51.5 보다 크다고, 1.51.5 와 같다고, 아니면 1.51.5 보다 작다고 예상하나요? 그 이유는 무엇인가요? (d) (2,f(2))(2,f(2)) 근처에서 y=f(x)y = f(x) 의 그래프를 그리고, 접선의 그래프도 함께 그리세요.

영어 원문 보기

Suppose that y=f(x)y = f(x) is a twice-differentiable function such that f′′f'' is continuous for which the following information is known: f(2)=−3f(2) = -3, f′(2)=1.5f'(2) = 1.5, f′′(2)=−0.25f''(2) = -0.25.

(a) Is ff increasing or decreasing near x=2x = 2? Is ff concave up or concave down near x=2x = 2? (b) Do you expect f(2.1)f(2.1) to be greater than −3-3, equal to −3-3, or less than −3-3? Why? (c) Do you expect f′(2.1)f'(2.1) to be greater than 1.51.5, equal to 1.51.5, or less than 1.51.5? Why? (d) Sketch a graph of y=f(x)y = f(x) near (2,f(2))(2,f(2)) and include a graph of the tangent line.

정답·풀이 보기

(a) f′(2)f'(2) 가 양수이므로 ff 는 x=2x=2 근처에서 증가하고, f′′(2)f''(2) 가 음수이므로 ff 는 x=2x=2 근처에서 위로 볼록이다. (b) f(2)=−3f(2) = -3 이 주어져 있다. ff 가 x=2x=2 에서 증가하므로 f(2.1)f(2.1) 은 f(2)=−3f(2) = -3 보다 클 것으로 예상된다. (c) f′′(2)f''(2) 가 음수이므로 f′f' 은 2 근처에서 감소한다. 따라서 f′(2.1)f'(2.1) 은 f′(2)=1.5f'(2) = 1.5 보다 작을 것으로 예상된다. (d) 다음 그림은 점 (2,−3)(2,-3) 을 순간변화율 f′(2)=1.5f'(2) = 1.5 로 지나고, x=2x = 2 에서의 이계도함수가 음수가 되는 함수 ff 의 그래프로 가능한 한 예이다. f(2) = -3, f&#39;(2) = 1.5, f&#39;&#39;(2) = -0.25 인 성질을 갖는 함수 f 의 그래프이다. 곡선 위의 점 (2,-3)에서의 접선의 그래프도 함께 나타나 있다. 이 특정한 예시 함수 f 의 그래프는

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since f′(2)f'(2) is positive, ff is increasing near x=2x=2, and since f′′(2)f''(2) is negative, ff is concave down near x=2x=2. (b) We are given that f(2)=−3f(2) = -3. Since ff is increasing at x=2x=2, we expect f(2.1)f(2.1) to be greater than f(2)=−3f(2) = -3. (c) Since f′′(2)f''(2) is negative, we also know that f′f' is decreasing near 22. Thus, we expect that f′(2.1)f'(2.1) will be less than f′(2)=1.5f'(2) = 1.5. (d) In the following figure, we see a possible graph of a function ff that passes through the point (2,−3)(2,-3) at an instantaneous rate of f′(2)=1.5f'(2) = 1.5 and in such a way that its second derivative at x=2x = 2 is negative. A plot of a function f with the properties that f(2) = -3, f&#39;(2) = 1.5, f&#39;&#39;(2) = -0.25; a plot of the tangent line to the curve at (2,-3) is also shown. The graph of this particular example function f

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.6절 · 13번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
96.Active Calculus · 1.6절 · 12번우리말 번역

번지점프를 하는 사람의 높이 hh (피트 단위)가 시각 tt (초 단위)에 따라 변하는 모습이 다음 표에 일부 주어져 있다.

tt 0.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0 2.52.5 3.03.0 3.53.5 4.04.0 4.54.5 5.05.0
h(t)h(t) 200200 184.2184.2 159.9159.9 131.9131.9 104.7104.7 81.881.8 65.565.5 56.856.8 55.555.5 60.460.4 69.869.8
--- --- --- --- --- --- --- --- --- --- ---
h(t)h(t) 81.681.6 93.793.7 104.4104.4 112.6112.6 117.7117.7 119.4119.4 118.2118.2 114.8114.8 110.0110.0 104.7104.7

(a) 주어진 자료를 이용하여 h′(4.5)h'(4.5), h′(5)h'(5), h′(5.5)h'(5.5) 를 어림하세요. 이 시각들 중 번지점프를 하는 사람이 가장 빠르게 올라가는 때는 언제인지 구하세요. (b) 주어진 자료와 (a)의 결과를 이용하여 h′′(5)h''(5) 를 어림하세요. (c) h′′(5)h''(5) 의 값은 번지점프를 하는 사람의 어떤 물리량을 나타내는지 설명하세요. 그 단위는 무엇인지 구하세요. (d) 자료를 바탕으로, 함수 y=h(t)y = h(t) 가 위로 볼록한 시간 구간은 대략 어디인지 구하세요. 이 시간 구간에서 번지점프를 하는 사람의 속도는 어떻게 변하는지 설명하세요.

영어 원문 보기

A bungee jumper's height hh (in feet ) at time tt (in seconds) is given in part by the table:

tt 0.00.0 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0 2.52.5 3.03.0 3.53.5 4.04.0 4.54.5 5.05.0
h(t)h(t) 200200 184.2184.2 159.9159.9 131.9131.9 104.7104.7 81.881.8 65.565.5 56.856.8 55.555.5 60.460.4 69.869.8
--- --- --- --- --- --- --- --- --- --- ---
h(t)h(t) 81.681.6 93.793.7 104.4104.4 112.6112.6 117.7117.7 119.4119.4 118.2118.2 114.8114.8 110.0110.0 104.7104.7

(a) Use the given data to estimate h′(4.5)h'(4.5), h′(5)h'(5), and h′(5.5)h'(5.5). At which of these times is the bungee jumper rising most rapidly? (b) Use the given data and your work in (a) to estimate h′′(5)h''(5). (c) What physical property of the bungee jumper does the value of h′′(5)h''(5) measure? What are its units? (d) Based on the data, on what approximate time intervals is the function y=h(t)y = h(t) concave down? What is happening to the velocity of the bungee jumper on these time intervals?

정답·풀이 보기

(a) 요청된 미분계수를 어림하기 위해 중심차분을 사용한다. 따라서 h′(4.5)≈h(5)−h(4)5−4=69.8−55.51=14.3h′(5)≈h(5.5)−h(4.5)5.5−4.4=81.6−60.41=21.2h′(5.5)≈h(6)−h(5)6−5=93.7−69.81=23.9\begin{aligned}h'(4.5) &\approx \frac{h(5)-h(4)}{5-4} = \frac{69.8 - 55.5}{1} = 14.3 \\ h'(5) &\approx \frac{h(5.5)-h(4.5)}{5.5-4.4} = \frac{81.6 - 60.4}{1} = 21.2 \\ h'(5.5) &\approx \frac{h(6)-h(5)}{6-5} = \frac{93.7 - 69.8}{1} = 23.9\end{aligned} 번지점프를 하는 사람은 t=5.5t = 5.5 일 때 약 23.923.9 피트/초의 속도로 가장 빠르게 올라간다. (b) 다시 중심차분을 사용하여 이번에는 h′′(5)h''(5) 를 어림한다. 다음을 보면 h′′(5)≈h′(5.5)−h′(4.5)5.5−4.5=23.9−14.31=9.6h''(5) \approx \frac{h'(5.5) - h'(4.5)}{5.5-4.5} = \frac{23.9 - 14.3}{1} = 9.6 이다. (c) h′′(5)h''(5) 는 t=5t = 5 일 때 번지점프를 하는 사람의 가속도를 나타낸다. 따라서 t=5t = 5 일 때 그 사람의 가속도는 약 9.69.6 피트/초²임을 알 수 있다. 이는 점프하는 사람의 속도의 순간변화율을 나타낸다. (d) 번지점프를 하는 사람의 위치 함수는 대략 구간 0<t<20 < t < 2, 6<t<106 < t < 10 에서 위로 볼록하다. 이는 엑셀 같은 프로그램으로 자료를 그래프로 나타내면 가장 쉽게 확인할 수 있다. 이 시간 구간에서는 점프하는 사람의 속도가 감소한다. 즉, 속도가 양수이면서 덜 양수가 되거나, 음수이면서 더 음수가 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We will use central differences to estimate the requested derivatives. Thus, h′(4.5)≈h(5)−h(4)5−4=69.8−55.51=14.3h′(5)≈h(5.5)−h(4.5)5.5−4.4=81.6−60.41=21.2h′(5.5)≈h(6)−h(5)6−5=93.7−69.81=23.9\begin{aligned}h'(4.5) &\approx \frac{h(5)-h(4)}{5-4} = \frac{69.8 - 55.5}{1} = 14.3 \\ h'(5) &\approx \frac{h(5.5)-h(4.5)}{5.5-4.4} = \frac{81.6 - 60.4}{1} = 21.2 \\ h'(5.5) &\approx \frac{h(6)-h(5)}{6-5} = \frac{93.7 - 69.8}{1} = 23.9\end{aligned} The bungee jumper is rising most rapidly at t=5.5t = 5.5, at a rate of about 23.923.9 feet per second. (b) We again use a central difference, this time to estimate h′′(5)h''(5). Observe that h′′(5)≈h′(5.5)−h′(4.5)5.5−4.5=23.9−14.31=9.6h''(5) \approx \frac{h'(5.5) - h'(4.5)}{5.5-4.5} = \frac{23.9 - 14.3}{1} = 9.6 (c) h′′(5)h''(5) measures the acceleration of the bungee jumper at t=5t = 5. Thus we know that the person's acceleration at t=5t = 5 is about 9.69.6 feet per second per second. This measures the instantaneous rate of change of the jumper's velocity. (d) The bungee jumper's position function is concave down on approximately the intervals 0<t<20 < t < 2, 6<t<106 < t < 10. This is easiest to see if we plot the data using a program like Excel. On these time intervals, the velocity of the jumper is decreasing: either the velocity is positive and getting less positive, or negative and getting more negative.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.6절 · 4번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
97.Active Calculus · 1.6절 · 13번우리말 번역

다음 각 조건에 대하여, 구간 −3<x<3-3 < x < 3 에서 주어진 성질을 만족하는 함수의 그래프를 가능한 한 가지 그리세요.

(a) ff 가 −3<x<3-3 < x < 3 에서 증가하고, −3<x<0-3 < x < 0 에서 아래로 볼록하며, 0<x<30 < x < 3 에서 위로 볼록한 y=f(x)y = f(x). (b) gg 가 −3<x<3-3 < x < 3 에서 증가하고, −3<x<0-3 < x < 0 에서 위로 볼록하며, 0<x<30 < x < 3 에서 아래로 볼록한 y=g(x)y = g(x). (c) hh 가 −3<x<3-3 < x < 3 에서 감소하고, −3<x<−1-3 < x < -1 에서 아래로 볼록하며, −1<x<1-1 < x < 1 에서 아래로 볼록도 위로 볼록도 아니고, 1<x<31 < x < 3 에서 위로 볼록한 y=h(x)y = h(x). (d) pp 가 −3<x<0-3 < x < 0 에서 감소하면서 위로 볼록하고, 0<x<30 < x < 3 에서 증가하면서 위로 볼록한 y=p(x)y = p(x).

영어 원문 보기

For each prompt that follows, sketch a possible graph of a function on the interval −3<x<3-3 < x < 3 that satisfies the stated properties.

(a) y=f(x)y = f(x) such that ff is increasing on −3<x<3-3 < x < 3, concave up on −3<x<0-3 < x < 0, and concave down on 0<x<30 < x < 3. (b) y=g(x)y = g(x) such that gg is increasing on −3<x<3-3 < x < 3, concave down on −3<x<0-3 < x < 0, and concave up on 0<x<30 < x < 3. (c) y=h(x)y = h(x) such that hh is decreasing on −3<x<3-3 < x < 3, concave up on −3<x<−1-3 < x < -1, neither concave up nor concave down on −1<x<1-1 < x < 1, and concave down on 1<x<31 < x < 3. (d) y=p(x)y = p(x) such that pp is decreasing and concave down on −3<x<0-3 < x < 0 and is increasing and concave down on 0<x<30 < x < 3.

정답·풀이 보기

(a) 함수가 증가할 때 그래프는 xx 가 증가함에 따라 올라가고, 함수가 아래로 볼록하다는 것은 그래프가 그릇 모양이라는 뜻이다. 구간 (−3,0)(-3,0) 에서 증가하며 아래로 볼록한 함수 ff 의 그래프는 다음 그림과 같다. 함수가 위로 볼록할 때 그래프는 뒤집힌 그릇 모양이다. 그림의 함수 ff 는 구간 (0,3)(0,3) 에서 증가하며 위로 볼록하다. ff 는 전체 구간 (−3,3)(-3,3) 에서도 증가함에 유의한다. 문제에서 주어진 조건을 만족하는 그래프이다. 이 함수는 f(x) = sqrt 3 x 와 비슷한 모양이다. (b) 함수가 증가할 때 그래프는 xx 가 증가함에 따라 올라가고, 함수가 위로 볼록하다는 것은 그래프가 뒤집힌 그릇 모양이라는 뜻이다. 구간 (−3,0)(-3,0) 에서 증가하며 위로 볼록한 함수 gg 의 그래프는 아래 그림과 같다. 함수가 아래로 볼록할 때 그래프는 그릇 모양이다. 그림의 함수 gg 는 구간 (0,3)(0,3) 에서 증가하며 아래로 볼록하다. gg 는 전체 구간 (−3,3)(-3,3) 에서도 증가함에 유의한다. 문제에서 주어진 조건을 만족하는 그래프이다. 이 함수는 f(x) = x 3 과 비슷한 모양이다. (c) 함수가 감소할 때 그래프는 xx 가 증가함에 따라 내려가고, 함수가 아래로 볼록하다는 것은 그래프가 그릇 모양이라는 뜻이다. 구간 (−3,−1)(-3,-1) 에서 감소하며 아래로 볼록한 함수 hh 의 그래프는 아래 그림과 같다. 아래로 볼록도 위로 볼록도 아니려면 그래프가 직선이어야 하므로, 다음 그림에서 hh 의 그래프는 (−1,1)(-1,1) 에서 직선이다. 함수가 위로 볼록할 때 그래프는 뒤집힌 그릇 모양이다. 그림의 함수 hh 는 구간 (1,3)(1,3) 에서 감소하며 위로 볼록하다. hh 는 전체 구간 (−3,3)(-3,3) 에서 감소함에 유의한다. 문제에서 주어진 조건을 만족하는 그래프이다. 이 함수는 x lt -1 또는 x gt 1 일 때 f(x) = -x 3 과 비슷한 모양이다. 구간 -1 le x le 1 에서 이 함수는 직선이며, 이 직선은 다음 두 점을 잇는다. (d) 함수가 감소할 때 그래프는 xx 가 증가함에 따라 내려가고, 함수가 위로 볼록하다는 것은 그래프가 뒤집힌 그릇 모양이라는 뜻이다. 구간 (−3,0)(-3,0) 에서 감소하며 위로 볼록한 함수 pp 의 그래프는 아래 그림과 같다. 함수가 증가할 때 그래프는 xx 가 증가함에 따라 올라간다. 그림의 함수 pp 는 구간 (0,3)(0,3) 에서 증가하며 위로 볼록하다. 문제에서 주어진 조건을 만족하는 그래프이다. 이 함수는 아래로 열린 두 포물선이 (0,-1.5) 의 뾰족한 점에서 만나는 모양이다. 왼쪽 포물선은 꼭짓점이 (-3,3) 에 있고, 그

원본 교재 풀이(영어)

(a) When a function is increasing, its graph rises as xx increases, and when a function is concave up, that means the graph of the function looks bowl-shaped. A graph of an increasing, concave up function ff on the interval (−3,0)(-3,0) is shown in the following figure. When a function is concave down, its graph looks like an upside down bowl. The function ff in the figure is increasing and concave down on the interval (0,3)(0,3) Note that ff is also increasing on the entire interval (−3,3)(-3,3). A graph that meets the stated criteria of the exercise. This function looks like f(x) = sqrt 3 x . (b) When a function is increasing, its graph rises as xxincreases, and when a function is concave down, that means the graph of the function looks like an upside down bowl. A graph of an increasing, concave down function gg on the interval (−3,0)(-3,0) is shown in the figure below. When a function is concave up, its graph looks like a bowl. The function gg in the figure is increasing and concave up on the interval (0,3)(0,3). Note that gg is also increasing on the entire interval (−3,3)(-3,3). A graph that meets the stated criteria of the exercise. This function looks like f(x) = x 3. (c) When a function is decreasing, its graph falls as xx increases, and when a function is concave up, that means the graph of the function looks bowl-shaped. A graph of a decreasing, concave up function hh on the interval (−3,−1)(-3,-1)is shown in the figure below. To be neither concave up or concave down, a graph has to be linear, so the graph of hh in the following figure is a straight line on (−1,1)(-1,1). When a function is concave down, its graph looks like an upside down bowl. The function hh in the figure is decreasing and concave down on the interval (1,3)(1,3). Note that hh is decreasing on the entire interval (−3,3)(-3,3). A graph that meets the stated criteria of the exercise. This function looks like f(x) = -x 3 provided that x lt -1 or x gt 1. On the interval -1 le x le 1, the function is a straight line that joins t (d) When a function is decreasing, its graph falls as xx increases, and when a function is concave down, that means the graph of the function looks like an upside down bowl. A graph of a decreasing, concave down function pp on the interval (−3,0)(-3,0) is shown in the figure below. When a function is increasing, its graph rises as xx increases. The function pp in the figure is increasing and concave down on the interval (0,3)(0,3). A graph that meets the stated criteria of the exercise. This function looks like two downward-opening parabolas that meet at a corner point at (0,-1.5). The left parabola has its vertex at (-3,3); the

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 1.6절 · 12번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
98.Active Calculus · 2.2절 · 4번우리말 번역

V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t) 가 tt년도의 어떤 사람의 투자 포트폴리오 가치(단위: 천 달러)를 나타낸다고 하자. 여기서 t=0t = 0 은 2010년 1월 1일에 해당한다.

(a) 2012년 1월 1일에 포트폴리오의 가치는 순간적으로 어떤 비율로 변하고 있습니까? 답에 단위를 포함하세요. (b) V′′(2)V''(2) 의 값을 구하세요. 이 양의 단위는 무엇이며, 이것은 포트폴리오의 가치가 어떻게 변하고 있는지에 대해 무엇을 알려 줍니까? (c) 구간 0≤t≤200 \le t \le 20 에서 함수 V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t) 의 그래프를 그리고, 문제의 상황에 맞게 그 변화 양상을 설명하세요. 그런 다음 함수 A(t)=24⋅1.07tA(t) = 24 \cdot 1.07^t 와 V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t) 의 그래프, 그리고 그 도함수 A′(t)A'(t) 와 V′(t)V'(t) 의 그래프를 비교하세요. 항 6sin⁡(t)6 \sin(t) 는 함수 V(t)V(t) 의 변화 양상에 어떤 영향을 줍니까?

영어 원문 보기

Suppose that V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t) represents the value of a person's investment portfolio in thousands of dollars in year tt, where t=0t = 0 corresponds to January 1, 2010.

(a) At what instantaneous rate is the portfolio's value changing on January 1, 2012? Include units on your answer. (b) Determine the value of V′′(2)V''(2). What are the units on this quantity and what does it tell you about how the portfolio's value is changing? (c) On the interval 0≤t≤200 \le t \le 20, graph the function V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t) and describe its behavior in the context of the problem. Then, compare the graphs of the functions A(t)=24⋅1.07tA(t) = 24 \cdot 1.07^t and V(t)=24⋅1.07t+6sin⁡(t)V(t) = 24 \cdot 1.07^t + 6 \sin(t), as well as the graphs of their derivatives A′(t)A'(t) and V′(t)V'(t). What is the impact of the term 6sin⁡(t)6 \sin(t) on the behavior of the function V(t)V(t)?

정답·풀이 보기

(a) 2012년 1월 1일은 t=2t = 2 인 순간에 해당하므로 V′(2)V'(2) 를 계산한다. 먼저 합의 법칙과 상수배 법칙에 의해 V′(t)=24⋅1.07t⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(t)V'(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(t) 임을 알 수 있다. 따라서 V′(2)=24⋅1.072⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(2)≈−0.63778V'(2) = 24 \cdot 1.07^2 \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(2) \approx -0.63778 이다. VV 는 천 달러 단위로, tt 는 년 단위로 측정되므로, 2012년 1월 1일에 포트폴리오의 가치는 1년당 637.78637.78 달러의 비율로 감소하고 있음을 알 수 있다. (b) V′(t)=24⋅1.07t⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(t)V'(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(t) 이므로 V′′(t)=24⋅1.07t⋅(ln⁡(1.07))2−6sin⁡(t)V''(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot (\ln(1.07))^2 - 6 \sin(t) 이고, 따라서 V′′(2)=24⋅1.072⋅ln⁡(1.07)2−6sin⁡(2)≈−5.33V''(2) = 24 \cdot 1.07^2 \cdot \ln(1.07)^2 - 6 \sin(2) \approx -5.33 이며 단위는 “천 달러/년/년”이다. 이는 t=2t = 2 인 시점 부근에서 포트폴리오의 가치가 감소하고 있으며 동시에 가치 함수가 위로 볼록임을 뜻한다. 더 구체적으로, t=2t = 2 인 순간에 V′V' 은 감소하고 있고, 도함수의 값은 다음 1년 동안 약 5.335.33 천 달러/년만큼 감소할 것으로 예상된다. 다시 말해 포트폴리오의 가치는 감소하고 있을 뿐만 아니라, 해가 지날수록 더 빠르게 감소할 것으로 예상된다. (c) 아래 그림에는 VV 와 AA 의 그래프와 각각에 대응하는 도함수의 그래프가 나타나 있다. 함수 AA 는 순수한 지수함수로서 항상 증가하며 증가하는 비율도 계속 커진다. AA 에 항 6sin⁡(t)6\sin(t) 를 더하여 함수 VV 를 만들면 포트폴리오 가치에 변동성이 더해진다. 사인함수가 진동하는 성질 때문에 주식 가치뿐만 아니라 그 변화율에도 변동이 생긴다. 또한 시간이 지나 24⋅(1.07)t24 \cdot (1.07)^t 의 값이 커질수록 6sin⁡(t)6 \sin(t) 의 영향은 줄어듦을 알 수 있다. A(t) = 24 곱하기 1.07의 t제곱 과 V(t) = 24 곱하기 1.07의 t제곱 + 6 sin(t) 의 그래프, 그리고 그 도함수 A&#39;(t) = 24 ln(1.07) 곱하기 1.07의 t제곱 과 V&#39;(t) = 24 ln(1.07) 곱하기 1.07의 t제곱 + 6 cos(t) 의 그래프.

원본 교재 풀이(영어)

(a) January 1, 2012 corresponds to the instant t=2t = 2, so we compute V′(2)V'(2). First, we observe by the sum and constant multiple rules that V′(t)=24⋅1.07t⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(t)V'(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(t). Thus, V′(2)=24⋅1.072⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(2)≈−0.63778V'(2) = 24 \cdot 1.07^2 \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(2) \approx -0.63778. Since VV is measured in thousands of dollars and tt in years, we know that the portfolio's value is decreasing at a rate of 637.78637.78 dollars per year on January 1, 2012. (b) Since V′(t)=24⋅1.07t⋅ln⁡(1.07)+6cos⁡(t)V'(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot \ln(1.07) + 6 \cos(t), it follows that V′′(t)=24⋅1.07t⋅(ln⁡(1.07))2−6sin⁡(t)V''(t) = 24 \cdot 1.07^t \cdot (\ln(1.07))^2 - 6 \sin(t), and thus V′′(2)=24⋅1.072⋅ln⁡(1.07)2−6sin⁡(2)≈−5.33V''(2) = 24 \cdot 1.07^2 \cdot \ln(1.07)^2 - 6 \sin(2) \approx -5.33, with units “thousands of dollars per year per year”. This means that around the time that t=2t = 2, the portfolio's value is decreasing at while the value function is concave down. More specifically, we know that V′V' is decreasing at the moment t=2t = 2 and expect the derivative's value to decrease by about 5.335.33 thousand dollars per year over the course of the next year. In other words, the portfolio's value is not only decreasing, but we expect it to decrease more rapidly as the year goes on. (c) In the figure below, we see plots of both VV and AA along with their corresponding derivatives. We see that the function AA is a purely exponential function that always increases at an increasing rate. By adding the term 6sin⁡(t)6\sin(t) to AA to create the function VV, we add volatility to the value of the portfolio: the oscillating nature of the sine function not only creates variance in the stock's value, but also in its rate of change. We also observe that as time progresses and the value of 24⋅(1.07)t24 \cdot (1.07)^t increases, the effect of 6sin⁡(t)6 \sin(t) lessens. The graphs of A(t) = 24 cdot 1.07 t and V(t) = 24 cdot 1.07 t + 6 sin(t), as well as their derivatives A&#39;(t) = 24 ln(1.07) 1.07 t and V&#39;(t) = 24 ln(1.07) 1.07 t + 6 cos(t).

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Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
99.Active Calculus · 2.6절 · 9번우리말 번역

f(x)=14x3+4f(x) = \frac{1}{4}x^3 + 4 라 하자.

(a) y=f(x)y = f(x) 의 그래프를 그리고, ff 가 역함수를 가지는 함수인 이유를 설명하세요. (b) gg 를 ff 의 역함수라 하고, gg 의 식을 구하세요. (c) f′(x)f'(x), g′(x)g'(x), f′(2)f'(2), g′(6)g'(6) 의 값을 구하세요. f′(2)f'(2) 와 g′(6)g'(6) 사이에는 어떤 특별한 관계가 있습니까? 그 이유는 무엇입니까?

영어 원문 보기

Let f(x)=14x3+4f(x) = \frac{1}{4}x^3 + 4.

(a) Sketch a graph of y=f(x)y = f(x) and explain why ff is an invertible function. (b) Let gg be the inverse of ff and determine a formula for gg. (c) Compute f′(x)f'(x), g′(x)g'(x), f′(2)f'(2), and g′(6)g'(6). What is the special relationship between f′(2)f'(2) and g′(6)g'(6)? Why?

정답·풀이 보기

(a) ff 의 그래프가 수평선 판정법을 통과하므로 ff 는 역함수를 가지는 함수이다. (b) g=f−1g = f^{-1} 의 식을 구하기 위해 방정식 y=14x3+4y = \frac{1}{4}x^3 + 4 를 yy 에 대한 xx 의 식으로 푼다. 그러면 y−4=14x3y - 4 = \frac{1}{4}x^3 이므로 x3=4(y−4)x^3 = 4(y-4) 이고, 따라서 x=4(y−4)3=f−1(y) .x = \sqrt[3]{4(y-4)} = f^{-1}(y)\,. 역함수를 xx 에 대한 함수로 나타내면 f−1(x)=g(x)=4x−163f^{-1}(x) = g(x) = \sqrt[3]{4x-16} 임을 알 수 있다. (c) 먼저 f′(x)=34x2f'(x) = \frac{3}{4}x^2 이므로 f′(2)=3f'(2) = 3 이다. 다음으로 g′(x)=13(4x−16)−2/3⋅4g'(x) = \frac{1}{3}(4x-16)^{-2/3} \cdot 4 이므로 g′(6)=13⋅8−2/3⋅4=13⋅14⋅4=13g'(6) = \frac{1}{3} \cdot 8^{-2/3} \cdot 4 = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{4} \cdot 4 = \frac{1}{3} 이다. 이 두 미분계수의 특별한 점은 서로 역수라는 것이다. f(2)=3f(2) = 3 이고 g(3)=2g(3) = 2 임에 주목하면, 역함수의 미분법에 의해 g′(3)=1f′(2)g'(3) = \frac{1}{f'(2)} 임을 알 수 있고, 이는 위에서 구한 g′(3)=13g'(3) = \frac{1}{3} 과 일치한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) ff is an invertible function because its graph passes the horizontal line test. (b) To find a formula for g=f−1g = f^{-1}, we take the equation y=14x3+4y = \frac{1}{4}x^3 + 4 and solve for xx in terms of yy. Doing so, we find that y−4=14x3y - 4 = \frac{1}{4}x^3, so x3=4(y−4)x^3 = 4(y-4), and thus x=4(y−4)3=f−1(y) .x = \sqrt[3]{4(y-4)} = f^{-1}(y)\,. Writing the inverse as a function of xx, we have found that f−1(x)=g(x)=4x−163f^{-1}(x) = g(x) = \sqrt[3]{4x-16}. (c) First, f′(x)=34x2f'(x) = \frac{3}{4}x^2, and thus f′(2)=3f'(2) = 3. Next, g′(x)=13(4x−16)−2/3⋅4g'(x) = \frac{1}{3}(4x-16)^{-2/3} \cdot 4, so that g′(6)=13⋅8−2/3⋅4=13⋅14⋅4=13g'(6) = \frac{1}{3} \cdot 8^{-2/3} \cdot 4 = \frac{1}{3} \cdot \frac{1}{4} \cdot 4 = \frac{1}{3}. What is special about these two derivative values is that they happen to be reciprocals. Noting that f(2)=3f(2) = 3 and g(3)=2g(3) = 2, we know that g′(3)=1f′(2)g'(3) = \frac{1}{f'(2)} by the rule for the derivative of an inverse function, and this matches our finding above that g′(3)=13g'(3) = \frac{1}{3}.

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100.Active Calculus · 2.6절 · 10번우리말 번역

h(x)=x+sin⁡(x)h(x) = x + \sin(x) 라 하자.

(a) y=h(x)y = h(x) 의 그래프를 그리고, hh 가 왜 역함수를 가져야 하는지 설명하세요. (b) h−1h^{-1} 의 식을 대수적으로 구하는 것이 왜 가능해 보이지 않는지 설명하세요. (c) 점 (π2,π2+1)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} + 1) 이 y=h(x)y = h(x) 의 그래프 위에 있음을 확인하세요. (h−1)′(π2+1)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let h(x)=x+sin⁡(x)h(x) = x + \sin(x).

(a) Sketch a graph of y=h(x)y = h(x) and explain why hh must be invertible. (b) Explain why it does not appear to be algebraically possible to determine a formula for h−1h^{-1}. (c) Observe that the point (π2,π2+1)(\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2} + 1) lies on the graph of y=h(x)y = h(x). Determine the value of (h−1)′(π2+1)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1).

정답·풀이 보기

(a) 함수 hh 는 그래프가 수평선 판정법을 통과하므로 역함수를 가진다. (b) 방정식 y=x+sin⁡(x)y = x + \sin(x) 를 xx 에 대하여 yy 로 나타내어 푸는 것은 가능해 보이지 않는다. (c) 역함수의 미분법에 의해 (h−1)′(π2+1)=1h′(π2)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{h'\left(\frac{\pi}{2} \right)} 이다. 따라서 먼저 h′(x)h'(x) 를 구하면 h′(x)=1+cos⁡(x)h'(x) = 1 + \cos(x) 이다. h′(π2)=1+cos⁡(π2)=1h'\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 + \cos\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 이므로 (h−1)′(π2+1)=11=1(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{1} = 1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The function hh is invertible because its graph passes the horizontal line test. (b) It does not seem possible to solve the equation y=x+sin⁡(x)y = x + \sin(x) for xx in terms of yy. (c) By the rule for the derivative of an invertible function, we have (h−1)′(π2+1)=1h′(π2)(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{h'\left(\frac{\pi}{2} \right)}. Thus, we first compute h′(x)h'(x) and find that h′(x)=1+cos⁡(x)h'(x) = 1 + \cos(x). Since h′(π2)=1+cos⁡(π2)=1h'\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1 + \cos\left(\frac{\pi}{2} \right) = 1, it follows that (h−1)′(π2+1)=11=1(h^{-1})'(\frac{\pi}{2} + 1) = \frac{1}{1} = 1.

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