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1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 2.10절 · 31번우리말 번역

f(x)f(x) 를 치역이 양수만으로 이루어진 함수라 하자. 곡선 y=f(x)y=f(x) 와 y=log⁡(f(x))y=\log(f(x)) 가 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가짐을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)f(x) be a function whose range includes only positive numbers. Show that the curves y=f(x)y=f(x) and y=log⁡(f(x))y=\log(f(x)) have horizontal tangent lines at the same values of xx.

정답·풀이 보기

g(x):=log⁡(f(x))g(x):=\log(f(x)) 라 하자. g′(x)=f′(x)f(x)g'(x)=\frac{f'(x)}{f(x)} 임에 주목한다.

두 곡선이 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가짐을 보이기 위해 두 가지를 보일 것이다. 첫째, f(x)f(x) 가 어떤 xx 의 값에서 수평인 접선을 가지면 g(x)g(x) 도 그 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다. 둘째, g(x)g(x) 가 어떤 xx 의 값에서 수평인 접선을 가지면 f(x)f(x) 도 그 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다.

어떤 점 x0x_0 에 대해 x=x0x=x_0 에서 f(x)f(x) 가 수평인 접선을 가진다고 하자. 이는 f′(x0)=0f'(x_0)=0 임을 뜻한다. 그러면 g′(x0)=f′(x0)f(x0)g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)} 이다. f(x0)≠0f(x_0) \neq 0 이므로 f′(x0)f(x0)=0f(x0)=0\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=\frac{0}{f(x_0)}=0 이고, 따라서 x=x0x=x_0 에서 g(x)g(x) 도 수평인 접선을 가진다. 이로써 ff 가 수평인 접선을 가질 때마다 gg 도 수평인 접선을 가짐을 보였다.

이제 어떤 점 x0x_0 에 대해 x=x0x=x_0 에서 g(x)g(x) 가 수평인 접선을 가진다고 하자. 이는 g′(x0)=0g'(x_0)=0 임을 뜻한다. 그러면 g′(x0)=f′(x0)f(x0)=0g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=0 이므로 f′(x0)f'(x_0) 이 존재하고 0 과 같다. 따라서 x=x0x=x_0 에서 f(x)f(x) 도 수평인 접선을 가진다. 이로써 gg 가 수평인 접선을 가질 때마다 ff 도 수평인 접선을 가짐을 보였다.

참고: f(x)f(x) 가 양수만을 값으로 가진다는 조건이 주어지지 않았다면, f(x)f(x) 와 log⁡(f(x))\log(f(x)) 가 같은 xx 의 값에서 수평인 접선을 가진다는 것이 반드시 참인 것은 아니다. f(x)f(x) 가 음수인 xx 의 값에서 f(x)f(x) 가 수평인 접선을 가진다면, 그곳에서 log⁡(f(x))\log(f(x)) 는 존재하지 않으므로 수평인 접선을 가질 수도 없다.

원본 교재 풀이(영어)

Let g(x):=log⁡(f(x))g(x):=\log(f(x)). Notice g′(x)=f′(x)f(x)g'(x)=\frac{f'(x)}{f(x)}.

In order to show that the two curves have horizontal tangent lines at the same values of xx, we will show two things: first, that if f(x)f(x) has a horizontal tangent line at some value of xx, then also g(x)g(x) has a horizontal tangent line at that value of xx. Second, we will show that if g(x)g(x) has a horizontal tangent line at some value of xx, then also f(x)f(x) has a horizontal tangent line at that value of xx.

Suppose f(x)f(x) has a horizontal tangent line where x=x0x=x_0 for some point x0x_0. This means f′(x0)=0f'(x_0)=0. Then g′(x0)=f′(x0)f(x0)g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}. Since f(x0)≠0f(x_0) \neq 0, f′(x0)f(x0)=0f(x0)=0\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=\frac{0}{f(x_0)}=0, so g(x)g(x) also has a horizontal tangent line when x=x0x=x_0. This shows that whenever ff has a horizontal tangent line, gg has one too.

Now suppose g(x)g(x) has a horizontal tangent line where x=x0x=x_0 for some point x0x_0. This means g′(x0)=0g'(x_0)=0. Then g′(x0)=f′(x0)f(x0)=0g'(x_0)=\frac{f'(x_0)}{f(x_0)}=0, so f′(x0)f'(x_0) exists and is equal to zero. Therefore, f(x)f(x) also has a horizontal tangent line when x=x0x=x_0. This shows that whenever gg has a horizontal tangent line, ff has one too.

Remark: if we were not told that f(x)f(x) gives only positive numbers, it would not necessarily be true that f(x)f(x) and log⁡(f(x))\log(f(x)) have horizontal tangent lines at the same values of xx. If f(x)f(x) had a horizontal tangent line at an xx-value where f(x)f(x) were negative, then log⁡(f(x))\log(f(x)) would not exist there, let alone have a horizontal tangent line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 3.9절 · 17번
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