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

25문제 · 2 / 2쪽

21.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
22.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
23.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
24.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?

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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
25.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?

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정답·풀이 보기

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

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

그림

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

figure

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.14절 · 16번
# 이계도함수와 오목·볼록계산도전자동 분류