문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

다항함수의 미분법

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 2.1절 · 11번우리말 번역

f(x)=axf(x) = a^x 라 하자. 이 문제의 목표는 이 절의 앞부분에서 제시하고 사용했던 ddx[ax]\frac{d}{dx}[a^x] 의 공식을 안다고 가정하지 않고, aa 의 값이 f(x)f(x) 의 도함수에 어떤 영향을 주는지 알아보는 것이다.

(a) 도함수의 극한 정의를 이용하여 다음을 보이세요. f′(x)=lim⁡h→0ax⋅ah−axh .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^x \cdot a^h - a^x}{h}\,. (b) 다음 등식도 성립하는 이유를 설명하세요. f′(x)=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = a^x \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h}\,. (c) 계산 도구와 작은 hh 의 값을 이용하여 a=2a = 2 일 때 L=lim⁡h→0ah−1hL = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} 의 값을 어림하세요. a=3a = 3 일 때도 마찬가지로 하세요. (d) 극한 LL 의 값이 11 이면 이상적이라는 점에 주목하자. 그러면 ff 는 매우 특별한 함수가 되는데, 그 도함수가 단지 axa^x 이므로 도함수가 자기 자신이 되기 때문이다. 22 와 33 사이의 여러 aa 의 값을 시험해 보면서 L=lim⁡h→0ah−1h=1L = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} = 1 이 되는 aa 의 값을 찾아보세요. (e) ln⁡(2)\ln(2) 와 ln⁡(3)\ln(3) 의 값을 계산하세요. (b)와 (c)에서 한 작업은 ddx[2x]\frac{d}{dx}[2^x] 와 ddx[3x]\frac{d}{dx}[3^x] 에 대해 어떤 사실을 암시하나요? (f) (d)에서 한 탐구는 함수 f(x)=exf(x) = e^x 에 관한 어떤 특별히 중요한 사실로 이어지나요?

영어 원문 보기

Let f(x)=axf(x) = a^x. The goal of this problem is to explore how the value of aa affects the derivative of f(x)f(x), without assuming we know the rule for ddx[ax]\frac{d}{dx}[a^x] that we have stated and used in earlier work in this section.

(a) Use the limit definition of the derivative to show that f′(x)=lim⁡h→0ax⋅ah−axh .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^x \cdot a^h - a^x}{h}\,. (b) Explain why it is also true that f′(x)=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = a^x \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h}\,. (c) Use computing technology and small values of hh to estimate the value of L=lim⁡h→0ah−1hL = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} when a=2a = 2. Do likewise when a=3a = 3. (d) Note that it would be ideal if the value of the limit LL was 11, for then ff would be a particularly special function: its derivative would be simply axa^x, which would mean that its derivative is itself. By experimenting with different values of aa between 22 and 33, try to find a value for aa for which L=lim⁡h→0ah−1h=1 .L = \lim_{h \to 0} \frac{a^h - 1}{h} = 1\,. (e) Compute ln⁡(2)\ln(2) and ln⁡(3)\ln(3). What does your work in (b) and (c) suggest is true about ddx[2x]\frac{d}{dx}[2^x] and ddx[3x]\frac{d}{dx}[3^x]? (f) How do your investigations in (d) lead to a particularly important fact about the function f(x)=exf(x) = e^x?

정답·풀이 보기

(a) 정의에 의해 f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\,. f(x)=axf(x)=a^x 이고 ax+h=ax⋅aha^{x+h} = a^x \cdot a^h 임을 이용하면 f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0ax+h−axh=lim⁡h→0ax⋅ah−axh=lim⁡h→0ax(ah−1)h ,\begin{aligned}f'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x+h}-a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x} \cdot a^{h} - a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h}\end{aligned}\,, 이다. 여기서 마지막 등호는 분자의 각 항에서 공통인수 axa^x 을 묶어 내면 성립한다. (b) axa^x 은 hh 에 전혀 의존하지 않으므로, 이 극한에서 axa^x 을 상수로 취급할 수 있다. 따라서 f′(x)=lim⁡h→0ax(ah−1)h=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h} = a^{x} \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}\,. 이는 axa^x 의 도함수가 axa^x 의 어떤 상수 배임을 알려 준다. (그리고 그 상수의 값은 lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} 이어야 한다.) (c) h=±0.0001h = \pm 0.0001 을 이용하면, a=2a = 2 일 때 L≈0.6931L \approx 0.6931 이고 a=3a = 3 일 때 L≈1.0986L \approx 1.0986 인 것으로 보인다. (d) 시험해 보면, 먼저 a≈2.7a \approx 2.7 임을 알 수 있다(L≈0.993L \approx 0.993 이므로 aa 는 2.72.7 보다 조금 더 커야 한다). LL 이 11 에 점점 더 가까워지는 aa 의 값을 계속 시험하면 a≈2.71828a \approx 2.71828 을 얻는다(L≈1.000L \approx 1.000 이 되는 값). (e) ln⁡(2)≈0.6931\ln(2) \approx 0.6931 이고 ln⁡(3)≈1.0986\ln(3) \approx 1.0986 임에 주목하자. 이 값들은 a=2a = 2 와 a=3a = 3 일 때 lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} 의 값과 일치하므로, ddx[2x]=2x⋅ln⁡(2)\frac{d}{dx}[2^x] = 2^x \cdot \ln(2) 그리고 ddx[3x]=3x⋅ln⁡(3)\frac{d}{dx}[3^x] = 3^x \cdot \ln(3) 이라고 추측한다. (f) 위의 작업은 ddx[ax]=ax⋅ln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \cdot \ln(a) 임을 암시하며, a=e≈2.71828a = e \approx 2.71828 일 때 ddx[ex]=ex⋅ln⁡(e)=ex\frac{d}{dx}[e^x] = e^x \cdot \ln(e) = e^x 이다. 따라서 exe^x 은 매우 특별한 함수이다. 그 도함수가 자기 자신이다!

원본 교재 풀이(영어)

(a) By definition, f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\,. Using the fact that f(x)=axf(x)=a^x along with ax+h=ax⋅aha^{x+h} = a^x \cdot a^h, we have f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h=lim⁡h→0ax+h−axh=lim⁡h→0ax⋅ah−axh=lim⁡h→0ax(ah−1)h ,\begin{aligned}f'(x) &= \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x+h}-a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x} \cdot a^{h} - a^x}{h} \\ &= \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h}\end{aligned}\,, where the last equality follows by removing the common factor of axa^x from each term in the numerator. (b) Since axa^x does not depend at all on hh, we may treat axa^x as constant in the noted limit. Thus, f′(x)=lim⁡h→0ax(ah−1)h=ax⋅lim⁡h→0ah−1h .f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{a^{x}(a^{h}-1)}{h} = a^{x} \cdot \lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}\,. Note that this tells us that the derivative of axa^x is some constant multiple of axa^x (and that the constant's values must be lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h}.) (c) Using h=±0.0001h = \pm 0.0001, it appears that when a=2a = 2, L≈0.6931L \approx 0.6931, while when a=3a = 3, L≈1.0986L \approx 1.0986. (d) By experimenting, we see first that a≈2.7a \approx 2.7 (for which L≈0.993L \approx 0.993, so aa needs to be slightly bigger than 2.72.7). Continuing to try values of aa that result in LL being closer and closer to 11, we find a≈2.71828a \approx 2.71828 (for which L≈1.000L \approx 1.000) (e) We note that ln⁡(2)≈0.6931\ln(2) \approx 0.6931 and ln⁡(3)≈1.0986\ln(3) \approx 1.0986. Since these values correspond to the values of lim⁡h→0ah−1h\lim_{h \to 0} \frac{a^{h}-1}{h} when a=2a = 2 and a=3a = 3, we conjecture that ddx[2x]=2x⋅ln⁡(2)\frac{d}{dx}[2^x] = 2^x \cdot \ln(2) and ddx[3x]=3x⋅ln⁡(3)\frac{d}{dx}[3^x] = 3^x \cdot \ln(3) (f) Our work suggests that ddx[ax]=ax⋅ln⁡(a)\frac{d}{dx}[a^x] = a^x \cdot \ln(a), and when a=e≈2.71828a = e \approx 2.71828, it follows that ddx[ex]=ex⋅ln⁡(e)=ex\frac{d}{dx}[e^x] = e^x \cdot \ln(e) = e^x Thus, exe^x is a very special function: its derivative is itself!

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.6절 · 12번우리말 번역

(2x3+1x+2)\left(\dfrac{2x^3+1}{x+2}\right) 의 도함수를 구하세요.

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몫의 미분법을 이용한다:

6x2⋅(x+2)−(2x3+1)⋅1(x+2)2=4x3+12x2−1(x+2)2\begin{aligned} \frac{6x^2\cdot (x+2)-(2x^3+1)\cdot 1}{(x+2)^2}=\frac{4x^3+12x^2-1}{(x+2)^2} \end{aligned}

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# 다항함수의 미분법증명·논술자동 분류
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