문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

정적분의 뜻과 성질

정적분을 넓이로 이해하고, 구간 나누기·대칭 같은 성질로 값을 구한다

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

8문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 1권 · 5.2절 · 72번우리말 풀이

ff와 gg가 연속함수이고, [a,b][a,b]의 모든 부분 구간 [c,d][c,d]에 대해 ∫cdf(t)dt≤∫cdg(t)dt\int_{c}^{d}f(t)dt\le\int_{c}^{d}g(t)dt가 성립한다고 해요. 이때 모든 xx에 대해 f(x)≤g(x)f(x)\le g(x)인 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Suppose f and g are continuous functions such that ∫cdf(t)dt≤∫cdg(t)dt{\int }_{c}^{d}f(t)dt\le {\int }_{c}^{d}g(t)dt for every subinterval [c,d][c,d] of [a,b].[a,b]. Explain why f(x)≤g(x)f(x)\le g(x) for all values of x.

풀이 보기

어떤 점에서 f>gf>g라고 가정하면, 연속이므로 그 근처 구간 전체에서 f>gf>g이고 적분도 ff 쪽이 커져서 가정과 모순이에요.

  1. 1

    귀류법을 써요. 어떤 t0∈[a,b]t_0\in[a,b]에서 f(t0)>g(t0)f(t_0)>g(t_0)라고 가정해요.

  2. 2

    h=f−gh=f-g라 하면 hh는 연속이고 h(t0)>0h(t_0)>0이에요. 연속함수는 한 점에서 양수이면 그 점 가까이에서도 양수이므로, t0t_0를 포함하는 구간 [c,d][c,d] (c<dc<d)가 있어서 그 위에서 h(t)>h(t0)2>0h(t)>\frac{h(t_0)}{2}>0이에요.

  3. 3

    그러면 ∫cd(f(t)−g(t))dt≥h(t0)2(d−c)>0\int_c^d\big(f(t)-g(t)\big)dt\ge\frac{h(t_0)}{2}(d-c)>0이에요. 즉 ∫cdf(t)dt>∫cdg(t)dt\int_c^df(t)dt>\int_c^dg(t)dt예요.

  4. 4

    이는 조건 ∫cdf≤∫cdg\int_c^df\le\int_c^dg와 모순이에요. 그러므로 가정이 틀렸고, 모든 xx에서 f(x)≤g(x)f(x)\le g(x)예요.

답

모든 x∈[a,b]x\in[a,b]에서 f(x)≤g(x)f(x)\le g(x) (귀류법으로 증명)

자주 하는 실수

한 점에서만 f>gf>g이면 적분에는 영향이 없다고 생각해요. 연속이면 그 점 주변 구간까지 f>gf>g가 되어 적분이 달라져요.

원본 교재 풀이(영어)

If f(t0)>g(t0)f({t}_{0})>g({t}_{0}) for some t0∈[a,b],{t}_{0}\in [a,b], then since f−gf-g is continuous, there is an interval containing t0 such that f(t)>g(t)f(t)>g(t) over the interval [c,d],[c,d], and then ∫ddf(t)dt>∫cdg(t)dt{\int }_{d}^{d}f(t)dt>{\int }_{c}^{d}g(t)dt over this interval.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.2절 · 42번
# 정적분의 뜻과 성질증명·논술도전
2.CLP-2 · 1.2절 · 12번우리말 번역

∫−22(5+4−x2)dx\displaystyle\int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫−22(5+4−x2)dx\displaystyle\int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 가법성을 이용한다:

∫−22(5+4−x2)dx=∫−225 dx+∫−224−x2 dx\begin{aligned} \int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x = \int_{-2}^{2} 5\,\mathrm{d}x + \int_{-2}^{2} \sqrt{4-x^2}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

첫 번째 정적분은 높이가 5이고 너비가 4인 직사각형의 넓이를 나타내므로 2020 이다. 두 번째 정적분은 xx축 위쪽이면서 곡선 y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} 또는 x2+y2=4x^2+y^2=4 아래쪽인 영역의 넓이를 나타낸다. 이것은 반지름이 2인 반원이고, 그 넓이는 12π22\frac{1}{2}\pi 2^2 이다. 따라서

∫−22(5+4−x2)dx=20+2π\begin{aligned} \int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x = 20 + 2\pi \end{aligned}

그림

그림

원본 교재 풀이(영어)

We first use additivity:

∫−22(5+4−x2)dx=∫−225 dx+∫−224−x2 dx\begin{aligned} \int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x = \int_{-2}^{2} 5\,\mathrm{d}x + \int_{-2}^{2} \sqrt{4-x^2}\,\mathrm{d}x \end{aligned}

The first integral represents the area of a rectangle of height 5 and width 4 and so equals 2020. The second integral represents the area above the xx–axis and below the curve y=4−x2y=\sqrt{4-x^2} or x2+y2=4x^2+y^2=4. That is a semicircle of radius 2, which has area 12π22\frac{1}{2}\pi 2^2. So

∫−22(5+4−x2)dx=20+2π\begin{aligned} \int_{-2}^{2} \left(5+\sqrt{4-x^2}\right)\mathrm{d}x = 20 + 2\pi \end{aligned}

figure

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 17번
# 정적분의 뜻과 성질계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 1.2절 · 15번우리말 번역

∫06(x−3)3 dx\displaystyle\int_{0}^6 (x-3)^3\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∫06(x−3)3 dx\displaystyle\int_{0}^6 (x-3)^3\,\mathrm{d}x .

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

피적분함수 f(x)=(x−3)3f(x)=(x-3)^3 은 우함수도 기함수도 아니다. 그러나 이와 비슷한 대칭성을 가진다. 즉, f(3+x)=−f(3−x)f(3+x)=-f(3-x) 이다. 따라서 ff 는 직선 x=3x=3 에 대해 "음의 대칭"이다. 이로부터 적분값이 0이 되리라고 짐작할 수 있다. x=3x=3 의 오른쪽에 있는 양의 넓이는 x=3x=3 의 왼쪽에 있는 음의 넓이와 같기 때문이다.

이를 확인하는 또 다른 방법은 f(x)=(x−3)3f(x)=(x-3)^3 의 그래프가 g(x)=x3g(x)=x^3 의 그래프를 오른쪽으로 3만큼 평행이동한 것과 같고, g(x)g(x) 는 기함수라는 점에 주목하는 것이다. 따라서 ∫06(x−3)3 dx=∫−33x3 dx=0\int_{0}^6 (x-3)^3\,\mathrm{d}x = \int_{-3}^3 x^3\,\mathrm{d}x=0

그림

원본 교재 풀이(영어)

Our integrand f(x)=(x−3)3f(x)=(x-3)^3 is neither even nor odd. However, it does have a similar symmetry. Namely, f(3+x)=−f(3−x)f(3+x)=-f(3-x). So, ff is “negatively symmetric" across the line x=3x=3. This suggests that the integral should be 0: the positive area to the right of x=3x=3 will be the same as the negative area to the left of x=3x=3.

Another way to see this is to notice that the graph of f(x)=(x−3)3f(x)=(x-3)^3 is equivalent to the graph of g(x)=x3g(x)=x^3 shifted three units to the right, and g(x)g(x) is an odd function. So, ∫06(x−3)3 dx=∫−33x3 dx=0\int_{0}^6 (x-3)^3\,\mathrm{d}x = \int_{-3}^3 x^3\,\mathrm{d}x=0

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 20번
# 정적분의 뜻과 성질계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 1.2절 · 16번우리말 번역

어떤 (양의 값이라고 하자) 상수 aa, bb에 대하여 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 의 넓이를 구하려고 한다.

(a) 이 방정식을 타원의 위쪽 절반에 대해 푸세요. 답은 “y=⋯y=\cdots" 꼴이어야 합니다. (b) 타원의 위쪽 절반의 넓이를 나타내는 적분을 쓰세요. 적분의 성질을 이용하여 피적분함수가 원의 위쪽 절반처럼 보이게 하세요. (c) 기하학적 방법과 (b)의 답을 이용하여 타원의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

We want to compute the area of an ellipse, (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 for some (let's say positive) constants aa and bb.

(a) Solve the equation for the upper half of the ellipse. It should have the form “y=⋯y=\cdots" (b) Write an integral for the area of the upper half of the ellipse. Using properties of integrals, make the integrand look like the upper half of a circle. (c) Using geometry and your answer to part (b), find the area of the ellipse.

정답·풀이 보기

(a) (ax)2+(by)2=1by=1−(ax)2y=1b1−(ax)2\begin{aligned} (ax)^2+(by)^2&=1\\ by&=\sqrt{1-(ax)^2}\\ y &= \frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} \end{aligned} (b) 위 함수의 정의역에 속하는 xx의 값은 1−(ax)2≥01-(ax)^2 \geq 0 을 만족하는 값이다. 즉 −1a≤x≤1a-\frac{1}{a}\leq x \leq \frac{1}{a} 이다. 따라서 타원의 위쪽 절반의 넓이는 다음과 같다.

1b∫−1a1a1−(ax)2 dx원의 위쪽 절반의 방정식은 y=r2−x2 이다. =1b∫−1a1aa2(1a2−x2) dx=1b∫−1a1aa1a2−x2 dx=ab∫−1a1a1a2−x2 dx\begin{aligned} \displaystyle\frac{1}{b}&\displaystyle\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{1-(ax)^2}\ \mathrm{d}x \\ \text{원의 위쪽 절반의 방정식은 $y=\sqrt{r^2-x^2}$ 이다. } \\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{a^2\left(\frac{1}{a^2}-x^2\right)}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}a\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{a}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x \end{aligned} (c) 함수 y=1a2−x2y=\sqrt{\dfrac{1}{a^2}-x^2} 은 원점을 중심으로 하고 반지름이 1a\dfrac{1}{a} 인 원의 위쪽 절반이다. 따라서 (b)의 식의 값은 (ab)π2a2=π2ab\left(\dfrac{a}{b}\right)\dfrac{\pi}{2a^2} = \dfrac{\pi}{2ab} 이다.

(b)의 식은 타원의 절반이었으므로, 타원의 넓이는 πab\dfrac{\pi}{ab} 이다.

참고: 이 방법은 결과를 얻기에는 다소 길게 돌아가는 방법이었다. 기본적인 추론은 다음과 같다.

  • 단위원 x2+y2=1x^2+y^2=1 의 넓이는 π\pi 이다.
  • 타원 (ax)2+y2=1(ax)^2+y^2=1 은 단위원을 가로 방향으로 aa배만큼 줄인 것이다. 따라서 그 넓이는 πa\dfrac{\pi}{a} 이다.
  • 또한 타원 (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 은 앞의 타원을 세로 방향으로 bb배만큼 줄인 것이다. 따라서 그 넓이는 πab\dfrac{\pi}{ab} 이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) (ax)2+(by)2=1by=1−(ax)2y=1b1−(ax)2\begin{aligned} (ax)^2+(by)^2&=1\\ by&=\sqrt{1-(ax)^2}\\ y &= \frac{1}{b}\sqrt{1-(ax)^2} \end{aligned} (b) The values of xx in the domain of the function above are those that satisfy 1−(ax)2≥01-(ax)^2 \geq 0. That is, −1a≤x≤1a-\frac{1}{a}\leq x \leq \frac{1}{a}. Therefore, the upper half of the ellipse has area

1b∫−1a1a1−(ax)2 dxThe upper half of a circle has equation y=r2−x2. =1b∫−1a1aa2(1a2−x2) dx=1b∫−1a1aa1a2−x2 dx=ab∫−1a1a1a2−x2 dx\begin{aligned} \displaystyle\frac{1}{b}&\displaystyle\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{1-(ax)^2}\ \mathrm{d}x \\ \text{The upper half of a circle has equation $y=\sqrt{r^2-x^2}$. } \\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{a^2\left(\frac{1}{a^2}-x^2\right)}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}a\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x\\ &=\frac{a}{b}\int_{-\frac{1}{a}}^{\frac{1}{a}}\sqrt{\frac{1}{a^2}-x^2}\ \mathrm{d}x \end{aligned} (c) The function y=1a2−x2y=\sqrt{\dfrac{1}{a^2}-x^2} is the upper-half of the circle centred at the origin with radius 1a\dfrac{1}{a}. So, the expression from (b) evaluates to (ab)π2a2=π2ab\left(\dfrac{a}{b}\right)\dfrac{\pi}{2a^2} = \dfrac{\pi}{2ab}.

The expression from (b) was half of the ellipse, so the area of the ellipse is πab\dfrac{\pi}{ab}.

Remark: this was a slightly long-winded way of getting the result. The reasoning is basically this:

  • The area of the unit circle x2+y2=1x^2+y^2=1 is π\pi .
  • The ellipse (ax)2+y2=1(ax)^2+y^2=1 is obtained by shrinking the unit circle horizontally by a factor of aa. So, its area is πa\dfrac{\pi}{a} .
  • Further, the ellipse (ax)2+(by)2=1(ax)^2+(by)^2=1 is obtained from the previous ellipse by shrinking it vertically by a factor of bb. So, its area is πab\dfrac{\pi}{ab} .
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 15번
# 정적분의 뜻과 성질활용도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 1.2절 · 17번우리말 번역

다음 표를 채우세요: (우함수/기함수)와 (우함수/기함수)의 곱은 (우함수/기함수)이다. 두 함수 모두 모든 실수에서 정의되어 있다고 가정해도 됩니다.

×evenoddevenodd\begin{array}{|c||c|c|}\hline \times & \text{even} & \text{odd} \\ \hline \hline \text{even} & & \\ \hline \text{odd} & & \\ \hline \end{array}

영어 원문 보기

Fill in the following table: the product of an (even/odd) function with an (even/odd) function is an (even/odd) function. You may assume that both functions are defined for all real numbers.

×evenoddevenodd\begin{array}{|c||c|c|}\hline \times & \text{even} & \text{odd} \\ \hline \hline \text{even} & & \\ \hline \text{odd} & & \\ \hline \end{array}

정답·풀이 보기

우함수와 기함수의 정의를 떠올려 보자. f(x)f(x) 가 우함수라는 것은 정의역에 속하는 모든 xx 에 대해 f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) 라는 뜻이고, f(x)f(x) 가 기함수라는 것은 정의역에 속하는 모든 xx 에 대해 f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) 라는 뜻이다.

h(x)=f(x)⋅g(x)h(x)=f(x)\cdot g(x) 라 하자.

  • **우함수 ×\times 우함수: ** ff 와 gg 가 모두 우함수이면 h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=f(x)⋅g(x)=h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) = f(x)\cdot g(x)=h(x) 이므로 두 함수의 곱은 우함수이다.
  • **기함수 ×\times 기함수: ** ff 와 gg 가 모두 기함수이면 h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=[−f(x)]⋅[−g(x)]=f(x)⋅g(x)=h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) =[- f(x)]\cdot [-g(x)]=f(x)\cdot g(x)=h(x) 이므로 두 함수의 곱은 우함수이다.
  • **우함수 ×\times 기함수: ** ff 가 우함수이고 gg 가 기함수이면 h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=f(x)⋅[−g(x)]=−[f(x)⋅g(x)]=−h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) = f(x)\cdot[- g(x)]=-[f(x)\cdot g(x)]=-h(x) 이므로 두 함수의 곱은 기함수이다. 곱셈은 교환법칙이 성립하므로 두 함수를 곱하는 순서는 상관없다.

이 표는 함수가 아니라 짝수와 홀수인 수를 (곱하는 것이 아니라) 더할 때의 표와 같음을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's recall the definitions of even and odd functions: f(x)f(x) is even if f(−x)=f(x)f(-x)=f(x) for every xx in its domain, and f(x)f(x) is odd if f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) for every xx in its domain.

Let h(x)=f(x)⋅g(x)h(x)=f(x)\cdot g(x).

  • **even ×\times even: ** If ff and gg are both even, then h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=f(x)⋅g(x)=h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) = f(x)\cdot g(x)=h(x), so their product is even.
  • **odd ×\times odd: ** If ff and gg are both odd, then h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=[−f(x)]⋅[−g(x)]=f(x)⋅g(x)=h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) =[- f(x)]\cdot [-g(x)]=f(x)\cdot g(x)=h(x), so their product is even.
  • **even ×\times odd: ** If ff is even and gg is odd, then h(−x)=f(−x)⋅g(−x)=f(x)⋅[−g(x)]=−[f(x)⋅g(x)]=−h(x)h(-x)=f(-x)\cdot g(-x) = f(x)\cdot[- g(x)]=-[f(x)\cdot g(x)]=-h(x), so their product is odd. Because multiplication is commutative, the order we multiply the functions in doesn't matter.

We note that the table would be the same as if we were adding (not multiplying) even and odd numbers (not functions).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 16번
# 정적분의 뜻과 성질그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 1.2절 · 18번우리말 번역

f(x)f(x) 는 기함수이고 g(x)g(x) 는 우함수이며, 둘 다 x=0x=0 에서 정의되어 있다고 하자. f(0)f(0) 과 g(0)g(0) 이 가질 수 있는 값은 무엇인지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is an odd function and g(x)g(x) is an even function, both defined at x=0x=0. What are the possible values of f(0)f(0) and g(0)g(0)?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 기함수이므로 f(0)=−f(−0)=−f(0)f(0)=-f(-0)=-f(0) 이다. 따라서 f(0)=0f(0)=0 이다.

그러나 이 제한은 g(x)g(x) 에는 적용되지 않는다. 예를 들어 임의의 상수 cc 에 대해 g(x)=cg(x)=c 라 하자. 그러면 g(x)g(x) 는 우함수이고 g(0)=cg(0)=c 이다. 따라서 g(0)g(0) 은 임의의 실수일 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f(x)f(x) is odd, f(0)=−f(−0)=−f(0)f(0)=-f(-0)=-f(0). So, f(0)=0f(0)=0.

However, this restriction does not apply to g(x)g(x). For example, for any constant cc, let g(x)=cg(x)=c. Then g(x)g(x) is even and g(0)=cg(0)=c. So, g(0)g(0) can be any real number.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 5.2절 · 20번
# 정적분의 뜻과 성질계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 1.2절 · 19번우리말 번역

f(x)f(x) 가 모든 실수에서 정의된 함수이고 우함수이면서 동시에 기함수라고 하자. f(x)f(x) 는 무엇일 수 있는지 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function defined on all real numbers that is both even and odd. What could f(x)f(x) be?

정답·풀이 보기

xx 를 임의의 실수라 하자.

  • f(x)=f(−x)f(x)=f(-x) (f(x)f(x) 가 우함수이므로), 그리고
  • f(x)=−f(−x)f(x)=-f(-x) (f(x)f(x) 가 기함수이므로).
  • 따라서 f(x)=−f(x)f(x)=-f(x) 이다.
  • 그러면 (양변에 f(x)f(x) 를 더하면) 2f(x)=02f(x)=0 이므로 f(x)=0f(x)=0 이다.

따라서 모든 xx 에 대해 f(x)=0f(x)=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let xx be any real number.

  • f(x)=f(−x)f(x)=f(-x) (since f(x)f(x) is even), and
  • f(x)=−f(−x)f(x)=-f(-x) (since f(x)f(x) is odd).
  • So, f(x)=−f(x)f(x)=-f(x).
  • Then (adding f(x)f(x) to both sides) we see 2f(x)=02f(x)=0, so f(x)=0f(x)=0.

So, f(x)=0f(x)=0 for every xx.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 1.2절 · 18번
# 정적분의 뜻과 성질계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 1.2절 · 20번우리말 번역

우함수의 도함수는 우함수인가요, 기함수인가요? 기함수의 도함수는 우함수인가요, 기함수인가요?

영어 원문 보기

Is the derivative of an even function even or odd? Is the derivative of an odd function even or odd?

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: f(x)f(x) 가 기함수라 하자. 합성함수의 미분법을 이용하여 f′(x)f'(x) 를 알아본다.

f(−x)=−f(x)(기함수)ddx{f(−x)}=ddx{−f(x)}−f′(−x)=−f′(x)(합성함수의 미분법)f′(−x)=f′(x)\begin{aligned} f(-x)&=-f(x)& \text{(기함수)}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(-x)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-f(x)\}\\ -f'(-x)&=-f'(x) & \text{(합성함수의 미분법)}\\ f'(-x)&=f'(x) \end{aligned}

따라서 f(x)f(x) 가 기함수이면 f′(x)f'(x) 는 우함수이다.

마찬가지로 f(x)f(x) 가 우함수라 하자.

f(−x)=f(x)(우함수)ddx{f(−x)}=ddx{f(x)}−f′(−x)=f′(x)(합성함수의 미분법)f′(−x)=−f′(x)\begin{aligned} f(-x)&=f(x)& \text{(우함수)}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(-x)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\\ -f'(-x)&=f'(x) & \text{(합성함수의 미분법)}\\ f'(-x)&=-f'(x) \end{aligned}

따라서 f(x)f(x) 가 우함수이면 f′(x)f'(x) 는 기함수이다.

  • 풀이 2: 이 문제를 생각하는 다른 방법은 함수를 “뒤집으면" 도함수의 부호가 바뀐다는 점에 주목하는 것이다. 우함수는 (yy 축에 대해) “한 번 뒤집은" 것이므로 f′(x)=−f′(−x)f'(x)=-f'(-x) 가 성립해야 하고, 따라서 우함수의 도함수는 기함수여야 한다. 기함수는 (yy 축에 대해, 그리고 xx 축에 대해) “두 번 뒤집은" 것이므로 f′(x)=−(−f′(−x))=f′(−x)f'(x)=-(-f'(-x))=f'(-x) 가 성립해야 한다. 따라서 기함수의 도함수는 우함수여야 한다. 이러한 생각을 아래에서 더 자세히 설명한다.

먼저 f(x)f(x) 가 우함수인 경우를 생각하고 f′(x)f'(x) 를 알아본다.

그림

함수 전체가 yy 축에 대해 거울처럼 대칭이다. 따라서 xx 와 −x-x 에서 함수의 “가파른 정도"는 같지만, 한쪽이 증가하면 다른 쪽은 감소한다. 즉, f′(−x)=−f′(x)f'(-x)=-f'(x) 이다. (위 그림에서 어떤 점 aia_i 에서의 기울기와 그에 대응하는 점 −ai-a_i 에서의 기울기를 비교해 보라.) 따라서 f(x)f(x) 가 우함수이면 f′(x)f'(x) 는 기함수이다.

다음으로 f(x)f(x) 가 기함수인 경우를 생각하고 f′(x)f'(x) 를 알아본다. 아래의 파란색 그래프가 y=f(x)y=f(x) 라 하자. 만약 f(x)f(x) 가 우함수라면 yy 축의 왼쪽에서 주황색 그래프와 같은 모양일 것이며, 이를 y=g(x)y=g(x) 라 하자.

그림

위에서 살펴본 내용으로부터, 모든 x>0x>0 에 대해 −f′(x)=g′(−x)-f'(x)=g'(-x) 임을 안다. x<0x<0 일 때 f(x)=−g(x)f(x)=-g(x) 이다. 따라서 x>0x>0 이면 −f′(x)=g′(−x)=−f′(−x)-f'(x)=g'(-x)=-f'(-x) 이다. 다시 말해 f′(x)=f′(−x)f'(x)=f'(-x) 이다. 마찬가지로 x<0x<0 이면 f′(x)=−g′(x)=f′(−x)f'(x)=-g'(x)=f'(-x) 이다. 그러므로 f′(x)f'(x) 는 우함수이다. (아래 그래프에서 f′(ai)=f′(−ai)f'(a_i)=f'(-a_i) 임을 대략 확인해 볼 수 있다.)

그림

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: Suppose f(x)f(x) is an odd function. We investigate f′(x)f'(x) using the chain rule:

f(−x)=−f(x)(odd function)ddx{f(−x)}=ddx{−f(x)}−f′(−x)=−f′(x)(chain rule)f′(−x)=f′(x)\begin{aligned} f(-x)&=-f(x)& \text{(odd function)}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(-x)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-f(x)\}\\ -f'(-x)&=-f'(x) & \text{(chain rule)}\\ f'(-x)&=f'(x) \end{aligned}

So, when f(x)f(x) is odd, f′(x)f'(x) is even.

Similarly, suppose f(x)f(x) is even.

f(−x)=f(x)(even function)ddx{f(−x)}=ddx{f(x)}−f′(−x)=f′(x)(chain rule)f′(−x)=−f′(x)\begin{aligned} f(-x)&=f(x)& \text{(even function)}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(-x)\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\\ -f'(-x)&=f'(x) & \text{(chain rule)}\\ f'(-x)&=-f'(x) \end{aligned}

So, when f(x)f(x) is even, f′(x)f'(x) is odd.

  • Solution 2: Another way to think about this problem is to notice that “mirroring" a function changes the sign of its derivative. Then since an even function is “mirrored once" (across the yy-axis), it should have f′(x)=−f′(−x)f'(x)=-f'(-x), and so the derivative of an even function should be an odd function. Since an odd function is “mirrored twice" (across the yy-axis and across the xx-axis), it should have f′(x)=−(−f′(−x))=f′(−x)f'(x)=-(-f'(-x))=f'(-x). So the derivative of an odd function should be even. These ideas are presented in more detail below.

First, we consider the case where f(x)f(x) is even, and investigate f′(x)f'(x).

figure

The whole function has a mirror-like symmetry across the yy-axis. So, at xx and −x-x, the function will have the same “steepness," but if one is increasing then the other is decreasing. That is, f′(−x)=−f′(x)f'(-x)=-f'(x). (In the picture above, compare the slope at some point aia_i with its corresponding point −ai-a_i.) So, f′(x)f'(x) is odd when f(x)f(x) is even.

Second, let's consider the case where f(x)f(x) is odd, and investigate f′(x)f'(x). Suppose the blue graph below is y=f(x)y=f(x). If f(x)f(x) were even, then to the left of the yy-axis, it would look like the orange graph, which we'll call y=g(x)y=g(x).

figure

From our work above, we know that, for every x>0x>0, −f′(x)=g′(−x)-f'(x)=g'(-x). When x<0x<0, f(x)=−g(x)f(x)=-g(x). So, if x>0x>0, then −f′(x)=g′(−x)=−f′(−x)-f'(x)=g'(-x)=-f'(-x). In other words, f′(x)=f′(−x)f'(x)=f'(-x). Similarly, if x<0x<0, then f′(x)=−g′(x)=f′(−x)f'(x)=-g'(x)=f'(-x). Therefore f′(x)f'(x) is even. (In the graph below, you can anecdotally verify that f′(ai)=f′(−ai)f'(a_i)=f'(-a_i).)

figure

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