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

2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.2절 · 10번대학 수준우리말 번역

ff 를 일변수 미분가능한 임의의 함수라 하자. z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 으로 정의할 때, 등식

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

은 반드시 성립하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Let ff be any differentiable function of one variable. Define z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2). Is the equation

y∂z∂x(x,y)−x∂z∂y(x,y)=0y\frac{\partial z}{\partial x}(x,y)-x\frac{\partial z}{\partial y}(x,y) = 0

necessarily satisfied?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2) 이므로

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

이다. 이는 (일반적인 일변수) 합성함수의 미분법에 의한 것이다. 따라서

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

이고, ff 가 미분가능하여 연쇄 법칙을 적용할 수 있다고 하면 이 미분방정식은 항상 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

As z(x,y)=f(x2+y2)z(x,y)=f(x^2+y^2)

∂z∂x(x,y)=2xf′(x2+y2)∂z∂y(x,y)=2yf′(x2+y2)\begin{aligned} \frac{\partial z}{\partial x}(x,y)&=2xf'(x^2+y^2) \\ \frac{\partial z}{\partial y}(x,y)&=2yf'(x^2+y^2) \end{aligned}

by the (ordinary single variable) chain rule. So

y∂z∂x−x∂z∂y=y(2x)f′(x2+y2)−x(2y)f′(x2+y2)=0y\frac{\partial z}{\partial x}-x\frac{\partial z}{\partial y} =y(2x)f'(x^2+y^2)-x(2y)f'(x^2+y^2)=0

and the differential equation is always satisfied, assuming that ff is differentiable, so that the chain rule applies.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 12번
# 편도함수계산도전자동 분류
2.CLP-3 · 2.2절 · 11번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)={(x+2y)2x+yx+y≠0 이면0x+y=0 이면f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{$x+y\ne 0$ 이면} \\ 0 &\text{$x+y=0$ 이면} \end{cases}

를 정의하자.

(a) 가능하면 ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) 과 ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0) 의 값을 구하세요. (b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 연속인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Define the function

f(x,y)={(x+2y)2x+yif x+y≠00if x+y=0f(x,y)=\begin{cases}\frac{(x+2y)^2}{x+y}& \text{if $x+y\ne 0$} \\ 0 &\text{if $x+y=0$} \end{cases}

(a) Evaluate, if possible, ∂f∂x(0,0)\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) and ∂f∂y(0,0)\frac{\partial f}{\partial y}(0,0). (b) Is f(x,y)f(x,y) continuous at (0,0)(0,0)?

정답·풀이 보기

정의에 의해

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

이고

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

이다.

(b) f(x,y)f(x,y) 는 (0,0)(0,0) 에서 두 편도함수가 모두 존재하지만 연속이 아니다. 이를 확인하기 위해 좌표를 (x,y)(x,y) 에서 (X,y)(X,y) 로 바꾸되 X=x+yX=x+y (분모)로 둔다. 물론 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 인 것과 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0) 인 것은 동치이다. 이제 XX 가 yy 보다 훨씬 작은 상태로 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때 어떻게 되는지 보자. 예를 들어 X=ay2X=ay^2 이면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

이다. 이 값은 aa 에 따라 달라진다. 따라서 서로 다른 경로를 따라 (0,0)(0,0) 에 접근하면 극한이 서로 다르다. (좌표를 바꾸지 않고도 x=−y+ay2x=-y+ay^2 으로 놓고 (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) 으로 보내면 같은 현상을 볼 수 있다.) 더 극단적으로, X=y3X=y^3 으로 놓고 (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) 일 때를 보면

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition

∂f∂x(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0(Δx+2×0)2Δx+0−0Δx=lim⁡Δx→0ΔxΔx=1\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x}(0,0) &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\frac{(\Delta x+2\times 0)^2}{\Delta x+0}-0}{\Delta x} \\ &=\lim_{\Delta x\rightarrow 0}\frac{\Delta x}{\Delta x} \\ &=1 \end{aligned}

and

∂f∂y(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=lim⁡Δy→0(0+2Δy)20+Δy−0Δy=lim⁡Δy→04ΔyΔy=4\begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial y}(0,0) &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{\frac{(0+2\Delta y)^2}{0+\Delta y}-0}{\Delta y} \\ &=\lim_{\Delta y\rightarrow 0}\frac{4\Delta y}{\Delta y} \\ &=4 \end{aligned}

(b) f(x,y)f(x,y) is not continuous at (0,0)(0,0), even though both partial derivatives exist there. To see this, make a change of coordinates from (x,y)(x,y) to (X,y)(X,y) with X=x+yX=x+y (the denominator). Of course, (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) if and only if (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow (0,0). Now watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with XX a lot smaller than yy. For example, X=ay2X=ay^2. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(ay2+y)2ay2=(1+ay)2a→1a\begin{aligned} \frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(ay^2+y)^2}{ay^2} =\frac{(1+ay)^2}{a}\rightarrow\frac{1}{a} \end{aligned}

This depends on aa. So approaching (0,0)(0,0) along different paths gives different limits. (You can see the same effect without changing coordinates by sending (x,y)→(0,0)(x,y)\rightarrow (0,0) with x=−y+ay2x=-y+ay^2.) Even more dramatically, watch what happens when (X,y)→(0,0)(X,y)\rightarrow(0,0) with X=y3X=y^3. Then

(x+2y)2x+y=(X+y)2X=(y3+y)2y3=(1+y2)2y→±∞\frac{(x+2y)^2}{x+y}=\frac{(X+y)^2}{X}=\frac{(y^3+y)^2}{y^3} =\frac{{(1+y^2)}^2}{y}\rightarrow\pm\infty

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.2절 · 10번
# 편도함수계산도전자동 분류