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

5문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 3.4절 · 24번우리말 풀이

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

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

영어 원문 보기

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

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

풀이 보기

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

  1. 1

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

  2. 2

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

  3. 3

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

  4. 4

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

  5. 5

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

답

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

자주 하는 실수

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

원본 교재 풀이(영어)

a.

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.5절 · 42번
2.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
3.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
4.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
5.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.

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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