참고: 흔히 하는 실수는 등식
2x+1+y′=cos(xy)(y+xy′) 에서 멈추고, x=y=0 을 대입하여 y′=−1 을 구한 다음, y′′=dxd{−1}=0 이라고 결론 내리는 것이다. 이는 일반적으로 쓰는 표기가 약간 엄밀하지 못하기 때문에 생기는 일이다. y′=1 이라고 썼을 때 우리가 뜻한 것은 점(0,0)에서dxdy=−1 이라는 것이다. 더 엄밀하게 쓰면 dxdyx=0,y=0=−1 이다. 이것은 y′=1 이 모든 곳에서 성립한다는 말과 다르다(그런 경우라면 실제로 y′′ 은 모든 곳에서 0일 것이다).
원본 교재 풀이(영어)
x2+x+yWe differentiate implicitly. For ease of notation, we write y′ for dxdy.2x+1+y′We’re interested in y′′, so we implicitly differentiate again.2+y′′We want to know what y′′ is when x=y=0. Plugging these in yields the following:2+y′′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′′y′′=sin(xy)=cos(xy)(y+xy′)=−sin(xy)(y+xy′)2+cos(xy)(2y′+xy′′)=2y′=2(−1)=−4
Remark: a common mistake is to stop at the equation
2x+1+y′=cos(xy)(y+xy′), plug in x=y=0, find y′=−1, and decide y′′=dxd{−1}=0. This is due to a slight sloppiness in the usual notation. When we wrote y′=1, what we meant is that at the point(0,0), dxdy=−1. More properly written: dxdyx=0,y=0=−1. This is not the same as saying y′=1 everywhere (in which case, indeed, y′′ would be 0 everywhere).
따라서 dx4d4tanx=8sec2xtan3x+16sec4xtanx 이다. 이것은 분명히 tanx 와 같지 않아 보이지만, 삼각함수의 항등식이 때로는 착각을 일으킬 수 있음을 기억해야 한다. 예를 들어 tan2x+1=sec2x 등이 있다. 따라서 두 함수가 같지 않음을 확실히 하려면, 한쪽의 값이 다른 쪽의 값과 달라지는 x 의 값을 찾아야 한다. x=4π 일 때:
8sec2xtan3x+16sec4xtanx=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80=1=tanx.
그러므로 (c)는 거짓이다.
원본 교재 풀이(영어)
For (a) and (b), notice the following:
dxdsinxdxdcosxdxd{−sinx}dxd{−cosx}dxdsinxThe fourth derivative is sinx is sinx, and the fourth derivative of cosx is cosx, so (a) and (b) are true.dxdtanxdxdsec2xdxd{2sec2xtanx}dxd{4sec2xtan2x+2sec4x}=cosx=−sinx=−cosx=sinx=cosx=sec2x=2secx(secxtanx)=2sec2xtanx=(4secx⋅secxtanx)tanx+2sec2xsec2x=4sec2xtan2x+2sec4x=(8secx⋅secxtanx)tan2x+4sec2x(2tanx⋅sec2x)+8sec3x⋅secxtanx=8sec2xtan3x+16sec4xtanx
So, dx4d4tanx=8sec2xtan3x+16sec4xtanx. It certainly seems like this is not the same as tanx, but remember that sometimes trig identities can fool you: tan2x+1=sec2x, and so on. So, to be absolutely sure that these are not equal, we need to find a value of x so that the output of one is not the same as the output of the other. When x=4π:
8sec2xtan3x+16sec4xtanx=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80=1=tanx.
So, (c) is false.
dxd{2x}dx2d2{2x}dx3d3{2x}Every time we differentiate, we multiply the original function by another factor of log2. So, the nth derivative is given by:dxndn{2x}=2xlog2=2xlog2⋅log2=2x(log2)2=2x(log2)2⋅log2=2x(log2)3=2x(log2)n
In the above work, remember that a, b, c, and d are all constants. Since they are nonzero constants, dx3d3f=6a=0. So, the fourth derivative is the first derivative to be identically zero: n=4.
f(x) 가 처음 n 계 도함수까지 모든 실수에서 존재하는 함수이고, f(n)(x) 가 근을 정확히 m 개 갖는다고 하자. 이때 f(x) 가 가질 수 있는 근의 최대 개수를 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose f(x) is a function whose first n derivatives exist over all real numbers, and f(n)(x) has precisely m roots. What is the maximum number of roots that f(x) may have?
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정답·풀이 보기
f(x) 는 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이기도 하다. 마찬가지로 f′(x) 도 모든 실수에서 미분가능하므로 모든 실수에서 연속이고, f(x) 의 처음 n 계 도함수까지 같은 방식으로 계속된다.
롤의 정리에 따르면, a 와 b 가 함수 g 의 서로 다른 근이면 (a,b) 의 어떤 c 에 대해 g′(x)=0 이다. 즉 g′ 은 a 와 b 사이에 근을 갖는다. 이 생각을 확장하면, g 가 서로 다른 근을 m+1 개 가질 때 g′ 은 서로 다른 근을 적어도 m 개 가져야 한다. 아래의 그래프가 그 예이다.
따라서 f(n)(x) 의 근이 m 개뿐이면 f(n−1)(x) 의 근은 많아야 m+1 개이다. 마찬가지로 f(n−1)(x) 의 근이 많아야 m+1 개이므로 f(n−2)(x) 의 근은 많아야 m+2 개이다. 이와 같이 계속하면 f(x)=f(n−n)(x) 는 서로 다른 근을 많아야 m+n 개 가진다.
원본 교재 풀이(영어)
Since f(x) is differentiable over all real numbers, it is also continuous over all real numbers. Similarly, f′(x) is differentiable over all real numbers, so it is also continuous over all real numbers, and so on for the first n derivatives of f(x).
Rolle's Theorem tells us that if a and b are distinct roots of a function g, then g′(x)=0 for some c in (a,b). That is, g′ has a root strictly between a and b. Expanding this idea, if g has m+1 distinct roots, then g′ must have at least m distinct roots, as in the sketch below.
So, if f(n)(x) has only m roots, then f(n−1)(x) has at most m+1 roots. Similarly, since f(n−1)(x) has at most m+1 roots, f(n−2)(x) has at most m+2 roots. Continuing in this way, we see f(x)=f(n−n)(x) has at most m+n distinct roots.