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3문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 3.5절 · 34번우리말 번역

도함수의 정의와 항등식

cos⁡(x+h)=cos⁡xcos⁡h−sin⁡xsin⁡h\cos (x+h)=\cos x\cos h-\sin x\sin h 를 이용하여 d(cos⁡x)dx=−sin⁡x\frac{d(\cos x)}{dx}=-\sin x 임을 증명하세요.

영어 원문 보기

Use the definition of derivative and the identity

cos⁡(x+h)=cos⁡xcos⁡h−sin⁡xsin⁡h\cos (x+h)=\cos x\cos h-\sin x\sin h to prove that d(cos⁡x)dx=−sin⁡x.\frac{d(\cos x)}{dx}=-\sin x.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 26번
# 삼각함수의 미분증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 1 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-1 · 2.8절 · 27번우리말 번역

f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. 라 하자. f′(0)f'(0) 을 구하거나, 존재하지 않음을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. Find f′(0)f'(0), or show that it does not exist.

정답·풀이 보기

먼저, 이 함수는 연속이다. 왜냐하면 lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) 이기 때문이다. 이것은 확인해 두면 유용하다. 만약 함수가 x=0x=0 에서 불연속이라면 그 점에서 미분가능하지 않다는 것을 바로 알 수 있기 때문이다.

이제 미분계수를 구하자. 극한을 이용한 정의를 사용할 수 있다.

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h 극한이 존재하면=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ 극한이 존재하면}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

hh 가 0에 가까워지면 분자와 분모가 모두 0에 가까워진다. 따라서 이 극한의 값을 구하려면 더 많은 작업이 필요하다. 이용할 수 있는 핵심 아이디어는 교재에서 사인 함수의 도함수를 구할 때 보인 결과이다. hh 가 0에 가까울 때 cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1 이다. 이를 이용해 극한을 위아래로 묶고, 조임 정리를 적용한다.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1따라서, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{따라서, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

이고 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) 은 00 과 cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 사이에 있다. cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 의 극한은 미분계수의 정의와 닮았음에 주목하면 구할 수 있다.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

따라서 조임 정리에 의해 f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that our function is continuous, because lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) This is a handy thing to check: if the function were discontinuous at x=0x=0, then we would automatically know that it was not differentiable there.

Now, on to the derivative. We can use the limit definition:

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h if it exists=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ if it exists}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

As hh approaches 0, both the numerator and the denominator approach 0. So, to evaluate the limit, we need to do more work. The key insight we can use is a result that was shown in the text while evaluating the derivative of sine. When hh is close to 0, cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1. We use this to bound our limit, and then apply the squeeze theorem.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1So, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{So, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

and 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) is between 00 and cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}. We can evaluate the limit of cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}, by noticing its similarity to the definition of the derivative.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

So, by the Squeeze Theorem, f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 2.8절 · 4번
# 삼각함수의 미분증명·논술도전자동 분류
3.Active Calculus · 2.2절 · 6번우리말 번역

이 문제에서는 미분의 극한 정의로부터 ddx[sin⁡(x)]=cos⁡(x)\frac{d}{dx}[\sin(x)] = \cos(x) 임을 더 엄밀하게 보이는 방법을 알아봅니다. f(x)=sin⁡(x)f(x) = \sin(x) 라 하면, 도함수의 극한 정의에 의해 다음이 성립합니다.

f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin(x)}{h}\,.

(a) 두 각 α\alpha, β\beta 의 합에 대한 사인의 삼각함수 공식 sin⁡(α+β)=sin⁡(α)cos⁡(β)+cos⁡(α)sin⁡(β)\sin(\alpha + \beta) = \sin(\alpha)\cos(\beta) + \cos(\alpha)\sin(\beta) 를 떠올리세요. 이 공식과 약간의 대수적 계산을 이용하여 다음을 보이세요. f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)+cos⁡(x)sin⁡(h)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x)(\cos(h)-1) + \cos(x)\sin(h)}{h}\,. (b) 다음으로, hh 가 변하는 동안 xx 는 상수로 유지됨에 주목하세요. 그렇다면 다음과 같이 말하는 것이 타당한 이유를 설명하세요. f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0cos⁡(h)−1h+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0sin⁡(h)h .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) -1 }{h} + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \frac{\sin(h)}{h}\,. (c) 마지막으로, 작은 hh 의 값을 이용하여 (c)의 두 극한의 값을 어림하세요. lim⁡h→0cos⁡(h)−1h  그리고  lim⁡h→0sin⁡(h)h .\lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) - 1}{h} \ \ \text{그리고} \ \ \lim_{h \to 0} \frac{\sin(h)}{h}\,. (d) 그렇다면 (b)와 (c)의 결과는 f′(x)f'(x) 에 대해 무엇을 알려 주는지 설명하세요. (e) 위에서 밟은 단계를 따라 하여, 미분의 극한 정의를 이용해 ddx[cos⁡(x)]=−sin⁡(x)\frac{d}{dx}[\cos(x)] = -\sin(x) 임을 설득력 있게 논증하세요.

영어 원문 보기

In this exercise, we explore how the limit definition of the derivative more formally shows that ddx[sin⁡(x)]=cos⁡(x)\frac{d}{dx}[\sin(x)] = \cos(x). Letting f(x)=sin⁡(x)f(x) = \sin(x), note that the limit definition of the derivative tells us that

f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin(x)}{h}\,.

(a) Recall the trigonometric identity for the sine of a sum of angles α\alpha and β\beta: sin⁡(α+β)=sin⁡(α)cos⁡(β)+cos⁡(α)sin⁡(β)\sin(\alpha + \beta) = \sin(\alpha)\cos(\beta) + \cos(\alpha)\sin(\beta). Use this identity and some algebra to show that f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)+cos⁡(x)sin⁡(h)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x)(\cos(h)-1) + \cos(x)\sin(h)}{h}\,. (b) Next, note that as hh changes, xx remains constant. Explain why it therefore makes sense to say that f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0cos⁡(h)−1h+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0sin⁡(h)h .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) -1 }{h} + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \frac{\sin(h)}{h}\,. (c) Finally, use small values of hh to estimate the values of the two limits in (c): lim⁡h→0cos⁡(h)−1h  and  lim⁡h→0sin⁡(h)h .\lim_{h \to 0} \frac{\cos(h) - 1}{h} \ \ \text{and} \ \ \lim_{h \to 0} \frac{\sin(h)}{h}\,. (d) What do your results in (b) and (c) thus tell you about f′(x)f'(x)? (e) By emulating the steps taken above, use the limit definition of the derivative to argue convincingly that ddx[cos⁡(x)]=−sin⁡(x)\frac{d}{dx}[\cos(x)] = -\sin(x).

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해 f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin(x)}{h}\,. 사인 함수의 두 각의 합 공식에 의해 sin⁡(x+h)=sin⁡(x)cos⁡(h)+cos⁡(x)sin⁡(h)\sin(x+h) = \sin(x)\cos(h) + \cos(x)\sin(h) 이므로 f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)cos⁡(h)+cos⁡(x)sin⁡(h)−sin⁡(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x)\cos(h) + \cos(x)\sin(h) - \sin(x)}{h} .. 첫째 항과 마지막 항을 묶고 sin⁡(x)\sin(x) 를 공통인수로 묶어 내면 f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)+cos⁡(x)sin⁡(h)−sin⁡(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{ \sin(x)(\cos(h)-1) + \cos(x)\sin(h) - \sin(x) }{h} .. (b) (a)에서 이어서, 분자의 각 부분을 hh 로 나누면 다음과 같다. f′(x)=lim⁡h→0(sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)h+cos⁡(x)sin⁡(h)h) .f'(x) = \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(x) (\cos(h)-1) }{h} + \frac{\cos(x)\sin(h)}{h} \right)\,. 다음으로, sin⁡(x)\sin(x) 는 hh 에 의존하지 않고, 마찬가지로 cos⁡(x)\cos(x) 도 hh 와 무관하다. 따라서 이들을 상수로 보아 극한 기호 밖으로 낼 수 있고, 또 합의 극한은 극한의 합과 같다. 그러므로 다음과 같이 쓸 수 있다. f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0(sin⁡(h)h) .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right)\,. (c) 작은 양수와 음수인 hh 의 값을 이용하여 구하려는 극한을 어림하면 lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)=0\lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) = 0 이고 lim⁡h→0(sin⁡(h)h)=1\lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right) = 1 임을 알 수 있다. 각 경우에 h=±0.01,±0.001,±0.0001h = \pm 0.01, \pm 0.001, \pm 0.0001 의 hh 값을 살펴보면 충분하다. (d) (b)와 (c)의 결과를 합치면 다음을 얻는다. f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0(sin⁡(h)h)=sin⁡(x)⋅0+cos⁡(x)⋅1=cos⁡(x) .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right) = \sin(x) \cdot 0 + \cos(x) \cdot 1 = \cos(x)\,. (e) ddx[cos⁡(x)]=−sin⁡(x)\frac{d}{dx}[\cos(x)] = -\sin(x) 임을 보이는 논증은 거의 같다. 다만 cos⁡(α+β)\cos(\alpha + \beta) 에 대한 두 각의 합 공식은 cos⁡(α+β)=cos⁡(α)cos⁡(β)−sin⁡(α)sin⁡(β)\cos(\alpha + \beta) = \cos(\alpha) \cos(\beta) - \sin(\alpha) \sin(\beta) 임에 유의한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition, we know that f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin(x)}{h}\,. By the sum of two angles identity for the sine function, sin⁡(x+h)=sin⁡(x)cos⁡(h)+cos⁡(x)sin⁡(h)\sin(x+h) = \sin(x)\cos(h) + \cos(x)\sin(h), and thus f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)cos⁡(h)+cos⁡(x)sin⁡(h)−sin⁡(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x)\cos(h) + \cos(x)\sin(h) - \sin(x)}{h} .. Combining the first and last terms and removing a factor of sin⁡(x)\sin(x), f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)+cos⁡(x)sin⁡(h)−sin⁡(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{ \sin(x)(\cos(h)-1) + \cos(x)\sin(h) - \sin(x) }{h} .. (b) Continuing our work in (a), we divide each part of the numerator by hh and see it follows f′(x)=lim⁡h→0(sin⁡(x)(cos⁡(h)−1)h+cos⁡(x)sin⁡(h)h) .f'(x) = \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(x) (\cos(h)-1) }{h} + \frac{\cos(x)\sin(h)}{h} \right)\,. Next, we note that sin⁡(x)\sin(x) does not depend on hh, and likewise cos⁡(x)\cos(x) is independent of hh. It thus makes sense to view those constants as being outside the limit being taken, and also that the limit of a sum is the sum of the limits. Hence we write f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0(sin⁡(h)h) .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right)\,. (c) Using small positive and negative values of hh to estimate the desired limits, we find that it appears lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)=0\lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) = 0 and lim⁡h→0(sin⁡(h)h)=1\lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right) = 1 It suffices in each case to consider hh-values of h=±0.01,±0.001,±0.0001h = \pm 0.01, \pm 0.001, \pm 0.0001. (d) Combining our results in (b) and (c), we have found that f′(x)=sin⁡(x)⋅lim⁡h→0(cos⁡(h)−1h)+cos⁡(x)⋅lim⁡h→0(sin⁡(h)h)=sin⁡(x)⋅0+cos⁡(x)⋅1=cos⁡(x) .f'(x) = \sin(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\cos(h)-1}{h} \right) + \cos(x) \cdot \lim_{h \to 0} \left( \frac{\sin(h)}{h} \right) = \sin(x) \cdot 0 + \cos(x) \cdot 1 = \cos(x)\,. (e) The argument for showing ddx[cos⁡(x)]=−sin⁡(x)\frac{d}{dx}[\cos(x)] = -\sin(x) is almost identical. Do note that the sum of two angles identity for cos⁡(α+β)\cos(\alpha + \beta) is cos⁡(α+β)=cos⁡(α)cos⁡(β)−sin⁡(α)sin⁡(β)\cos(\alpha + \beta) = \cos(\alpha) \cos(\beta) - \sin(\alpha) \sin(\beta).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기Active Calculus · 2.2절 · 5번
# 삼각함수의 미분증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)