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

12문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 4.5절 · 18번우리말 풀이

다음 문제에서 f′f' 의 그래프를 분석하여, 변곡점을 모두 쓰고 ff 가 아래로 볼록한 구간과 위로 볼록한 구간을 구하세요.

함수 f'(x) 의 그래프. 함수는 직선이며 음수에서 시작해 원점에서 x축과 만난다.

영어 원문 보기

For the following exercises, analyze the graphs of f′,{f}^{'}, then list all inflection points and intervals where ff is concave up and concave down.

The function f’(x) is graphed. The function is linear and starts negative. It crosses the x axis at the origin.

풀이 보기

ff 의 오목·볼록은 f′′f'' 의 부호로 정해지고, f′′f'' 은 f′f' 그래프의 기울기예요.

  1. 1

    왜 이렇게 할까요? 그래프가 ff 가 아니라 f′f' 예요. f′′f'' 은 f′f' 를 미분한 것이니, f′f' 그래프가 오르는지 내리는지(기울기의 부호)만 보면 돼요.

  2. 2

    그래프를 읽어요. f′(x)f'(x) 는 원점을 지나는 직선이고 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 올라가요. 즉 기울기가 양수인 일차함수 모양이에요.

  3. 3

    f′′f'' 의 부호를 알아내요. 직선의 기울기는 어디서나 같고 양수이므로 모든 xx 에서 f′′(x)>0f''(x)>0 이에요.

  4. 4

    결론을 내려요. f′′>0f''>0 이면 ff 는 아래로 볼록해요. 모든 xx 에서 부호가 같으므로 f′′f'' 의 부호가 바뀌는 곳이 없고, 변곡점도 없어요. (참고로 f′f' 가 x=0x=0 에서 0 이므로 x=0x=0 은 ff 의 극소점이지만, 변곡점은 아니에요.)

답

모든 xx 에서 아래로 볼록, 변곡점 없음

자주 하는 실수

f′f' 가 0 이 되는 점 x=0x=0 을 변곡점으로 착각해요. 변곡점은 f′′f'' 의 부호가 바뀌는 점이에요.

원본 교재 풀이(영어)

Concave up on all x,x, no inflection points

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.4절 · 24번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석보통
2.OpenStax 1권 · 4.5절 · 42번우리말 풀이

다음 문제에서 아래를 구하세요.

a. ff 가 증가하는 구간과 감소하는 구간, b. ff 의 극솟값과 극댓값, c. ff 가 아래로 볼록한 구간과 위로 볼록한 구간, d. ff 의 변곡점. 곡선을 그린 다음 계산기로 답을 비교해 보세요. 정확한 답을 식으로 구할 수 없으면 계산기를 쓰세요.

[계산기 사용] f(x)=11−x,x≠1f(x)=\frac{1}{1-x},x\ne 1

영어 원문 보기

For the following exercises, determine

a. intervals where ff is increasing or decreasing, b. local minima and maxima of f,f, c. intervals where ff is concave up and concave down, and d. the inflection points of f.f. Sketch the curve, then use a calculator to compare your answer. If you cannot determine the exact answer analytically, use a calculator.

[T] f(x)=11−x,x≠1f(x)=\frac{1}{1-x},x\ne 1

풀이 보기

f′f' 의 부호로 증가·감소를, f′′f'' 의 부호로 오목·볼록을 보되, x=1x=1 은 정의역에 없다는 점을 꼭 챙겨요.

  1. 1

    왜 이렇게 할까요? 증가·감소는 f′f' 의 부호, 오목·볼록은 f′′f'' 의 부호로 알 수 있어요. 먼저 두 도함수를 구해요.

  2. 2

    일계도함수. f(x)=(1−x)−1f(x)=(1-x)^{-1} 이므로 f′(x)=(1−x)−2=1(1−x)2f'(x)=(1-x)^{-2}=\frac{1}{(1-x)^2} 분모가 제곱이라 x≠1x\ne1 인 모든 xx 에서 f′(x)>0f'(x)>0 이에요. 따라서 ff 는 정의된 모든 곳에서 증가하고, f′=0f'=0 이 되는 점이 없으니 극값도 없어요.

  3. 3

    이계도함수. f′′(x)=2(1−x)3f''(x)=\frac{2}{(1-x)^3} 분자는 양수이므로 부호는 (1−x)3(1-x)^3 이 정해요. x<1x<1 이면 1−x>01-x>0 이라 f′′>0f''>0 (아래로 볼록), x>1x>1 이면 1−x<01-x<0 이라 f′′<0f''<0 (위로 볼록) 이에요.

  4. 4

    변곡점을 따져요. f′′f'' 의 부호가 x=1x=1 에서 바뀌지만, x=1x=1 은 정의역에 없어서 곡선 위의 점이 아니에요(수직 점근선). 그래서 변곡점은 없어요.

  5. 5

    그래프 모양. x=1x=1 이 수직 점근선이고 y=0y=0 이 수평 점근선이에요. 왼쪽 가지는 위로 올라가다 아래로 볼록하고, 오른쪽 가지는 음수 쪽에서 올라가며 위로 볼록해요.

답

(a) 정의된 모든 xx 에서 증가 (b) 극값 없음 (c) x<1x<1 에서 아래로 볼록, x>1x>1 에서 위로 볼록 (d) 정의역 안에 변곡점 없음

자주 하는 실수

f′′f'' 의 부호가 바뀌는 x=1x=1 을 변곡점이라고 답해요. 정의역에 없는 점은 변곡점이 될 수 없어요.

원본 교재 풀이(영어)

a. Increasing for all xx where defined b. No local minima or maxima c. Concave up for x<1;x<1; concave down for x>1x>1 d. No inflection points in domain

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 20번
# 이계도함수와 오목·볼록그래프·표 해석보통
3.CLP-1 · 2.14절 · 5번우리말 번역

f(x)=(log⁡x−1)xf(x)=(\log x-1)x 라 하자. f′′(x)f''(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=(log⁡x−1)xf(x)=(\log x-1)x. Evaluate f′′(x)f''(x).

정답·풀이 보기

f(x)=xlog⁡x−xf′(x)=log⁡x+x⋅1x−1=log⁡xf′′(x)=1x\begin{aligned} f(x)&=x\log x -x\\ f'(x)&=\log x +x\cdot\frac{1}{x}-1\\ &=\log x\\ f''(x)&=\frac{1}{x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

f(x)=xlog⁡x−xf′(x)=log⁡x+x⋅1x−1=log⁡xf′′(x)=1x\begin{aligned} f(x)&=x\log x -x\\ f'(x)&=\log x +x\cdot\frac{1}{x}-1\\ &=\log x\\ f''(x)&=\frac{1}{x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 4번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 2.14절 · 6번우리말 번역

d2dx2{arctan⁡x}\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{\arctan x\} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate d2dx2{arctan⁡x}\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{\arctan x\}.

정답·풀이 보기

ddx{arctan⁡x}=11+x2ddx{11+x2}=ddx{(1+x2)−1}=(−1)(1+x2)−2(2x)=−2x(1+x2)2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan x\}&=\frac{1}{1+x^2}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1+x^2}\right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(1+x^2)^{-1}\right\}\\ &=(-1)(1+x^2)^{-2}(2x)\\&=\frac{-2x}{(1+x^2)^2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

ddx{arctan⁡x}=11+x2ddx{11+x2}=ddx{(1+x2)−1}=(−1)(1+x2)−2(2x)=−2x(1+x2)2\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\arctan x\}&=\frac{1}{1+x^2}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1+x^2}\right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{(1+x^2)^{-1}\right\}\\ &=(-1)(1+x^2)^{-2}(2x)\\&=\frac{-2x}{(1+x^2)^2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 3.4절 · 4번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
5.CLP-1 · 2.14절 · 7번우리말 번역

단위원은 x2+y2=1x^2+y^2=1 을 만족하는 모든 점으로 이루어진다. d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} 을 yy 에 대한 식으로 나타내세요.

영어 원문 보기

The unit circle consists of all point x2+y2=1x^2+y^2=1. Give an expression for d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} in terms of yy.

정답·풀이 보기

음함수 미분을 두 번 사용한다.

2x+2yy′=02+(2y)y′′+(2y′)y′=0y′′=−(y′)2+1y따라서 y′ 에 대한 식이 필요하다. 식 2x+2yy′=0 으로부터 y′=−xy 임을 알 수 있다:y′′=−(−xy)2+1y=−x2y2+1y=−x2+y2y3=−1y3\begin{aligned} 2x+2yy'&=0\\ 2+(2y)y''+(2y')y'&=0\\ y''&=-\frac{(y')^2+1}{y} \\ \text{따라서 $y'$ 에 대한 식이 필요하다. 식 $2x+2yy'=0$ 으로부터 $y'=-\dfrac{x}{y}$ 임을 알 수 있다:} \\ y''&=-\frac{\left(-\frac{x}{y}\right)^2+1}{y}\\ &=-\frac{\frac{x^2}{y^2}+1}{y}\\ &=-\frac{x^2+y^2}{y^3}\\ &=-\frac{1}{y^3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use implicit differentiation, twice.

2x+2yy′=02+(2y)y′′+(2y′)y′=0y′′=−(y′)2+1ySo, we need an expression for y′. We use the equation 2x+2yy′=0 to conclude y′=−xy:y′′=−(−xy)2+1y=−x2y2+1y=−x2+y2y3=−1y3\begin{aligned} 2x+2yy'&=0\\ 2+(2y)y''+(2y')y'&=0\\ y''&=-\frac{(y')^2+1}{y} \\ \text{So, we need an expression for $y'$. We use the equation $2x+2yy'=0$ to conclude $y'=-\dfrac{x}{y}$:} \\ y''&=-\frac{\left(-\frac{x}{y}\right)^2+1}{y}\\ &=-\frac{\frac{x^2}{y^2}+1}{y}\\ &=-\frac{x^2+y^2}{y^3}\\ &=-\frac{1}{y^3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 6번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
6.CLP-1 · 2.14절 · 8번우리말 번역

시각 tt 에서 입자의 위치가 s(t)=ett2+1s(t) = \dfrac{e^t}{t^2+1} 로 주어진다고 하자. 시각 t=1t=1 에서 입자의 가속도를 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose the position of a particle at time tt is given by s(t)=ett2+1s(t) = \dfrac{e^t}{t^2+1}. Find the acceleration of the particle at time t=1t=1.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

문제는 s′′(1)s''(1) 을 구하는 것이다. 몫의 미분법을 사용하여 미분을 시작한다.

s′(t)=et(t2+1)−et(2t)(t2+1)2=et(t2−2t+1)(t2+1)2몫의 미분법을 다시 사용하면,s′′(t)=(t2+1)2ddt{et(t2−2t+1)}−et(t2−2t+1)ddt{(t2+1)2}(t2+1)4=(t2+1)2⋅[et(2t−2)+et(t2−2t+1)]−et(t2−2t+1)⋅2(t2+1)(2t)(t2+1)4=et(t2+1)2(t2−1)−4tet(t−1)2(t2+1)(t2+1)4s′′(1)=0\begin{aligned} s'(t)&=\frac{e^t(t^2+1)-e^t(2t)}{(t^2+1)^2}\\ &=\frac{e^t(t^2-2t+1)}{(t^2+1)^2} \\ \text{몫의 미분법을 다시 사용하면,} \\ s''(t)&=\frac{(t^2+1)^2 \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{e^t(t^2-2t+1)\}-e^t(t^2-2t+1) \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{(t^2+1)^2\}}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{(t^2+1)^2\cdot\left[ e^t(2t-2)+e^t(t^2-2t+1)\right]- e^t(t^2-2t+1) \cdot 2(t^2+1)(2t)}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{e^t(t^2+1)^2(t^2-1)-4te^t(t-1)^2(t^2+1)}{(t^2+1)^4}\\ s''(1)&=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The question asks for s′′(1)s''(1). We start our differentiation using the quotient rule:

s′(t)=et(t2+1)−et(2t)(t2+1)2=et(t2−2t+1)(t2+1)2Using the quotient rule again,s′′(t)=(t2+1)2ddt{et(t2−2t+1)}−et(t2−2t+1)ddt{(t2+1)2}(t2+1)4=(t2+1)2⋅[et(2t−2)+et(t2−2t+1)]−et(t2−2t+1)⋅2(t2+1)(2t)(t2+1)4=et(t2+1)2(t2−1)−4tet(t−1)2(t2+1)(t2+1)4s′′(1)=0\begin{aligned} s'(t)&=\frac{e^t(t^2+1)-e^t(2t)}{(t^2+1)^2}\\ &=\frac{e^t(t^2-2t+1)}{(t^2+1)^2} \\ \text{Using the quotient rule again,} \\ s''(t)&=\frac{(t^2+1)^2 \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{e^t(t^2-2t+1)\}-e^t(t^2-2t+1) \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{(t^2+1)^2\}}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{(t^2+1)^2\cdot\left[ e^t(2t-2)+e^t(t^2-2t+1)\right]- e^t(t^2-2t+1) \cdot 2(t^2+1)(2t)}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{e^t(t^2+1)^2(t^2-1)-4te^t(t-1)^2(t^2+1)}{(t^2+1)^4}\\ s''(1)&=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 13번
# 이계도함수와 오목·볼록활용보통자동 분류
7.CLP-1 · 2.14절 · 9번우리말 번역

d3dx3{log⁡(5x2−12)}\displaystyle \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{\log(5x^2-12)\} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate d3dx3{log⁡(5x2−12)}\displaystyle \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{\log(5x^2-12)\}.

정답·풀이 보기

합성함수의 미분법을 사용하여 미분한다.

ddx{log⁡(5x2−12)}=10x5x2−12몫의 미분법을 사용하면:d2dx2{log⁡(5x2−12)}=ddx{10x5x2−12}=(5x2−12)(10)−10x(10x)(5x2−12)2=−10(5x2+12)(5x2−12)2몫의 미분법을 마지막으로 한 번 더 사용하면:d3dx3{log⁡(5x2−12)}=ddx{−10(5x2+12)(5x2−12)2}=(5x2−12)2(−10)(10x)+10(5x2+12)(2)(5x2−12)(10x)(5x2−12)4=(5x2−12)(−100x)+(200x)(5x2+12)(5x2−12)3=100x(−5x2+12+10x2+24)(5x2−12)3=100x(5x2+36)(5x2−12)3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{10x}{5x^2-12} \\ \text{몫의 미분법을 사용하면:} \\ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{10x}{5x^2-12}\right\}\\ &=\frac{(5x^2-12)(10)-10x(10x)}{(5x^2-12)^2}\\ &=\frac{-10(5x^2+12)}{(5x^2-12)^2} \\ \text{몫의 미분법을 마지막으로 한 번 더 사용하면:} \\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \frac{-10(5x^2+12)}{(5x^2-12)^2} \right\}\\ &=\frac{(5x^2-12)^2(-10)(10x)+10(5x^2+12)(2)(5x^2-12)(10x)}{(5x^2-12)^4}\\ &=\frac{(5x^2-12)(-100x)+(200x)(5x^2+12)}{(5x^2-12)^3}\\ &=\frac{100x(-5x^2+12+10x^2+24)}{(5x^2-12)^3}\\ &=\frac{100x(5x^2+36)}{(5x^2-12)^3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate using the chain rule.

ddx{log⁡(5x2−12)}=10x5x2−12Using the quotient rule:d2dx2{log⁡(5x2−12)}=ddx{10x5x2−12}=(5x2−12)(10)−10x(10x)(5x2−12)2=−10(5x2+12)(5x2−12)2Using the quotient rule one last time:d3dx3{log⁡(5x2−12)}=ddx{−10(5x2+12)(5x2−12)2}=(5x2−12)2(−10)(10x)+10(5x2+12)(2)(5x2−12)(10x)(5x2−12)4=(5x2−12)(−100x)+(200x)(5x2+12)(5x2−12)3=100x(−5x2+12+10x2+24)(5x2−12)3=100x(5x2+36)(5x2−12)3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{10x}{5x^2-12} \\ \text{Using the quotient rule:} \\ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{10x}{5x^2-12}\right\}\\ &=\frac{(5x^2-12)(10)-10x(10x)}{(5x^2-12)^2}\\ &=\frac{-10(5x^2+12)}{(5x^2-12)^2} \\ \text{Using the quotient rule one last time:} \\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{\log(5x^2-12)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \frac{-10(5x^2+12)}{(5x^2-12)^2} \right\}\\ &=\frac{(5x^2-12)^2(-10)(10x)+10(5x^2+12)(2)(5x^2-12)(10x)}{(5x^2-12)^4}\\ &=\frac{(5x^2-12)(-100x)+(200x)(5x^2+12)}{(5x^2-12)^3}\\ &=\frac{100x(-5x^2+12+10x^2+24)}{(5x^2-12)^3}\\ &=\frac{100x(5x^2+36)}{(5x^2-12)^3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 12번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
8.CLP-1 · 2.14절 · 10번우리말 번역

시각 tt 초에서 입자의 높이가 h(t)=−cos⁡th(t)=-\cos t 로 주어진다. t=1t=1 에서 입자는 빨라지고 있는지 느려지고 있는지 판단하세요.

영어 원문 보기

The height of a particle at time tt seconds is given by h(t)=−cos⁡th(t)=-\cos t. Is the particle speeding up or slowing down at t=1t=1?

정답·풀이 보기

입자의 속도는 h′(t)=sin⁡th'(t)=\sin t 로 주어진다. 0<1<π0<1<\pi 이므로 h′(1)>0h'(1)>0 이다. 즉, 입자는 올라가고 있다(양의 방향, 여기서는 “위쪽"으로 움직이고 있다). 입자의 가속도는 h′′(t)=cos⁡th''(t)=\cos t 이다. 0<1<π20<1<\frac{\pi}{2} 이므로 h′′(t)>0h''(t)>0 이고, 따라서 h′(t)h'(t) 는 증가한다. 즉, 입자는 위쪽으로 움직이고 있고, 그 속도가 점점 커지고 있다. 따라서 입자는 빨라지고 있다.

원본 교재 풀이(영어)

The velocity of the particle is given by h′(t)=sin⁡th'(t)=\sin t. Note 0<1<π0<1<\pi, so h′(1)>0h'(1)>0–the particle is rising (moving in the positive direction, in this case “up"). The acceleration of the particle is h′′(t)=cos⁡th''(t)=\cos t. Since 0<1<π20<1<\frac{\pi}{2}, h′′(t)>0h''(t)>0, so h′(t)h'(t) is increasing: the particle is moving up, and it's doing so at an increasing rate. So, the particle is speeding up.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 11번
# 이계도함수와 오목·볼록활용보통자동 분류
9.CLP-1 · 2.14절 · 11번우리말 번역

시각 tt초에서 입자의 높이가 h(t)=t3−t2−5t+10h(t)=t^3-t^2-5t+10 으로 주어진다. t=1t=1 에서 입자의 운동은 빨라지고 있는지 느려지고 있는지 판단하세요.

영어 원문 보기

The height of a particle at time tt seconds is given by h(t)=t3−t2−5t+10h(t)=t^3-t^2-5t+10. Is the particle's motion getting faster or slower at t=1t=1?

정답·풀이 보기

이 문제에서는 속도에는 방향을 나타내는 부호가 있지만 속력에는 없다는 점을 기억해야 한다.

입자의 속도는 h′(t)=3t2−2t−5h'(t)=3t^2-2t-5 이다. t=1t=1 에서 입자의 속도는 −4-4 이므로, 입자는 초당 4 단위의 속력으로 아래쪽으로 움직이고 있다. 입자의 가속도는 h′′(t)=6t−2h''(t)=6t-2 이므로 t=1t=1 일 때 가속도는 (양수인) 초당 44 단위의 변화율(초당 속도 변화량)이다. 이는 속도(현재 초당 −4-4 단위)가 더 큰 수가 되어 가고 있다는 뜻이다. 속도가 음수이므로 더 큰 수는 0에 더 가까운 수이고, 따라서 입자의 속력은 작아지고 있다. (예를 들어 속도 −3-3 은 속도 −4-4 보다 느린 운동을 나타낸다.) 그러므로 입자는 t=1t=1 에서 느려지고 있다.

원본 교재 풀이(영어)

For this problem, remember that velocity has a sign indicating direction, while speed does not.

The velocity of the particle is given by h′(t)=3t2−2t−5h'(t)=3t^2-2t-5. At t=1t=1, the velocity of the particle is −4-4, so the particle is moving downwards with a speed of 4 units per second. The acceleration of the particle is h′′(t)=6t−2h''(t)=6t-2, so when t=1t=1, the acceleration is (positive) 44 units per second per second. That means the velocity (currently −4-4 units per second) is becoming a bigger number–since the velocity is negative, a bigger number is closer to zero, so the speed of the particle is getting smaller. (For instance, a velocity of −3-3 represents a slower motion than a velocity of −4-4.) So, the particle is slowing down at t=1t=1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 1번
# 이계도함수와 오목·볼록활용보통자동 분류
10.CLP-1 · 2.14절 · 12번우리말 번역

곡선이 다음과 같이 음함수로 정의되어 있다고 하자. x2+x+y=sin⁡(xy)x^2+x+y=\sin(xy) 점 (0,0)(0,0) 에서 d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose a curve is defined implicitly by x2+x+y=sin⁡(xy)x^2+x+y=\sin(xy) What is d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} at the point (0,0)(0,0)?

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x2+x+y=sin⁡(xy)음함수 미분을 한다. 표기를 간단히 하기 위해 dydx 를 y′ 으로 쓴다.2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)우리가 구하려는 것은 y′′ 이므로 한 번 더 음함수 미분을 한다.2+y′′=−sin⁡(xy)(y+xy′)2+cos⁡(xy)(2y′+xy′′)x=y=0 일 때 y′′ 의 값을 구하려고 한다. 이를 대입하면 다음과 같다.2+y′′=2y′따라서 x=y=0 일 때 y′ 의 값을 알아야 한다. 이는 등식 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′) 에서 구할 수 있는데, x=y=0 일 때 1+y′=0 이 된다. 그러므로 원점에서 y′=−1 이고,2+y′′=2(−1)y′′=−4\begin{aligned} x^2+x+y&=\sin(xy) \\ \text{음함수 미분을 한다. 표기를 간단히 하기 위해 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 를 $y'$ 으로 쓴다.} \\ 2x+1+y'&=\cos(xy)(y+xy') \\ \text{우리가 구하려는 것은 $y''$ 이므로 한 번 더 음함수 미분을 한다.} \\ 2+y''&=-\sin(xy)(y+xy')^2+\cos(xy)(2y'+xy'') \\ \text{$x=y=0$ 일 때 $y''$ 의 값을 구하려고 한다. 이를 대입하면 다음과 같다.} \\ 2+y''&=2y' \\ \text{따라서 $x=y=0$ 일 때 $y'$ 의 값을 알아야 한다. 이는 등식 $2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy')$ 에서 구할 수 있는데, $x=y=0$ 일 때 $1+y'=0$ 이 된다. 그러므로 원점에서 $y'=-1$ 이고,} \\ 2+y''&=2(-1)\\ y''&=-4 \end{aligned}

참고: 흔히 하는 실수는 등식 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy') 에서 멈추고, x=y=0x=y=0 을 대입하여 y′=−1y'=-1 을 구한 다음, y′′=ddx{−1}=0y''=\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-1\}=0 이라고 결론 내리는 것이다. 이는 일반적으로 쓰는 표기가 약간 엄밀하지 못하기 때문에 생기는 일이다. y′=1y'=1 이라고 썼을 때 우리가 뜻한 것은 점 (0,0)(0,0) 에서 dydx=−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-1 이라는 것이다. 더 엄밀하게 쓰면 dydx∣x=0, y=0=−1\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right|_{x=0,~y=0}=-1 이다. 이것은 y′=1y'=1 이 모든 곳에서 성립한다는 말과 다르다(그런 경우라면 실제로 y′′y'' 은 모든 곳에서 0일 것이다).

원본 교재 풀이(영어)

x2+x+y=sin⁡(xy)We differentiate implicitly. For ease of notation, we write y′ for dydx.2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)We’re interested in y′′, so we implicitly differentiate again.2+y′′=−sin⁡(xy)(y+xy′)2+cos⁡(xy)(2y′+xy′′)We want to know what y′′ is when x=y=0. Plugging these in yields the following:2+y′′=2y′So, we need to know what y′ is when x=y=0. We can get this from the equation 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′), which becomes 1+y′=0 when x=y=0. So, at the origin, y′=−1, and2+y′′=2(−1)y′′=−4\begin{aligned} x^2+x+y&=\sin(xy) \\ \text{We differentiate implicitly. For ease of notation, we write $y'$ for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$.} \\ 2x+1+y'&=\cos(xy)(y+xy') \\ \text{We're interested in $y''$, so we implicitly differentiate again.} \\ 2+y''&=-\sin(xy)(y+xy')^2+\cos(xy)(2y'+xy'') \\ \text{We want to know what $y''$ is when $x=y=0$. Plugging these in yields the following:} \\ 2+y''&=2y' \\ \text{So, we need to know what $y'$ is when $x=y=0$. We can get this from the equation $2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy')$, which becomes $1+y'=0$ when $x=y=0$. So, at the origin, $y'=-1$, and} \\ 2+y''&=2(-1)\\ y''&=-4 \end{aligned}

Remark: a common mistake is to stop at the equation 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy'), plug in x=y=0x=y=0, find y′=−1y'=-1, and decide y′′=ddx{−1}=0y''=\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-1\}=0. This is due to a slight sloppiness in the usual notation. When we wrote y′=1y'=1, what we meant is that at the point (0,0)(0,0), dydx=−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-1. More properly written: dydx∣x=0, y=0=−1\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right|_{x=0,~y=0}=-1. This is not the same as saying y′=1y'=1 everywhere (in which case, indeed, y′′y'' would be 0 everywhere).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 8번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
11.CLP-1 · 2.14절 · 13번우리말 번역

아래 문장 중 참인 것과 거짓인 것을 각각 구분하세요.

(a) d4dx4sin⁡x=sin⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \sin x = \sin x (b) d4dx4cos⁡x=cos⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \cos x = \cos x (c) d4dx4tan⁡x=tan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x = \tan x

영어 원문 보기

Which statements below are true, and which false?

(a) d4dx4sin⁡x=sin⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \sin x = \sin x (b) d4dx4cos⁡x=cos⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \cos x = \cos x (c) d4dx4tan⁡x=tan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x = \tan x

정답·풀이 보기

(a)와 (b)에 대해 다음을 살펴보자.

ddxsin⁡x=cos⁡xddxcos⁡x=−sin⁡xddx{−sin⁡x}=−cos⁡xddx{−cos⁡x}=sin⁡xddxsin⁡x=cos⁡xsin⁡x 의 4계도함수는 sin⁡x 이고, cos⁡x 의 4계도함수는 cos⁡x 이므로 (a)와 (b)는 참이다.ddxtan⁡x=sec⁡2xddxsec⁡2x=2sec⁡x(sec⁡xtan⁡x)=2sec⁡2xtan⁡xddx{2sec⁡2xtan⁡x}=(4sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡x+2sec⁡2xsec⁡2x=4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4xddx{4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4x}=(8sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡2x+4sec⁡2x(2tan⁡x⋅sec⁡2x)+8sec⁡3x⋅sec⁡xtan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \cos x &= -\sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\sin x\} &= -\cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\cos x\} &= \sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x \\ \text{$\sin x$ 의 4계도함수는 $\sin x$ 이고, $\cos x$ 의 4계도함수는 $\cos x$ 이므로 (a)와 (b)는 참이다.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\tan x &=\sec^2 x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sec^2 x &=2\sec x (\sec x \tan x)=2\sec^2x\tan x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sec^2x\tan x\}&=(4\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan x+2\sec^2x\sec^2x\\ &=4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\}&=(8\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan^2x+4\sec^2x(2\tan x \cdot\sec^2x)\\&\quad+8\sec^3x\cdot\sec x \tan x\\ &=8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x \end{aligned}

따라서 d4dx4tan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x =8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x 이다. 이것은 분명히 tan⁡x\tan x 와 같지 않아 보이지만, 삼각함수의 항등식이 때로는 착각을 일으킬 수 있음을 기억해야 한다. 예를 들어 tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2x+1=\sec^2x 등이 있다. 따라서 두 함수가 같지 않음을 확실히 하려면, 한쪽의 값이 다른 쪽의 값과 달라지는 xx 의 값을 찾아야 한다. x=π4x=\frac{\pi}{4} 일 때: 8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80≠1=tan⁡x.8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x = 8\left({\sqrt{2}}\right)^2(1)^3+16\left({\sqrt{2}}\right)^4(1)=80\neq 1=\tan x. 그러므로 (c)는 거짓이다.

원본 교재 풀이(영어)

For (a) and (b), notice the following:

ddxsin⁡x=cos⁡xddxcos⁡x=−sin⁡xddx{−sin⁡x}=−cos⁡xddx{−cos⁡x}=sin⁡xddxsin⁡x=cos⁡xThe fourth derivative is sin⁡x is sin⁡x, and the fourth derivative of cos⁡x is cos⁡x, so (a) and (b) are true.ddxtan⁡x=sec⁡2xddxsec⁡2x=2sec⁡x(sec⁡xtan⁡x)=2sec⁡2xtan⁡xddx{2sec⁡2xtan⁡x}=(4sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡x+2sec⁡2xsec⁡2x=4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4xddx{4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4x}=(8sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡2x+4sec⁡2x(2tan⁡x⋅sec⁡2x)+8sec⁡3x⋅sec⁡xtan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \cos x &= -\sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\sin x\} &= -\cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\cos x\} &= \sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x \\ \text{The fourth derivative is $\sin x$ is $\sin x$, and the fourth derivative of $\cos x$ is $\cos x$, so (a) and (b) are true.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\tan x &=\sec^2 x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sec^2 x &=2\sec x (\sec x \tan x)=2\sec^2x\tan x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sec^2x\tan x\}&=(4\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan x+2\sec^2x\sec^2x\\ &=4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\}&=(8\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan^2x+4\sec^2x(2\tan x \cdot\sec^2x)\\&\quad+8\sec^3x\cdot\sec x \tan x\\ &=8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x \end{aligned}

So, d4dx4tan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x =8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x. It certainly seems like this is not the same as tan⁡x\tan x, but remember that sometimes trig identities can fool you: tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2x+1=\sec^2x, and so on. So, to be absolutely sure that these are not equal, we need to find a value of xx so that the output of one is not the same as the output of the other. When x=π4x=\frac{\pi}{4}: 8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80≠1=tan⁡x.8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x = 8\left({\sqrt{2}}\right)^2(1)^3+16\left({\sqrt{2}}\right)^4(1)=80\neq 1=\tan x. So, (c) is false.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 10번
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류
12.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
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