문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

삼각함수의 미분

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

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 문제Active Calculus · 2.2절 · 5번우리말 번역

f(x)=3cos⁡(x)−2sin⁡(x)+6f(x) = 3\cos(x) - 2\sin(x) + 6 이라 하자.

(a) a=π4a = \frac{\pi}{4} 인 점에서 y=f(x)y = f(x) 의 접선의 기울기를 정확히 구하세요. (b) a=πa = \pi 인 점에서 y=f(x)y = f(x) 의 접선을 이용한 근사식을 구하세요. (c) a=π2a = \frac{\pi}{2} 인 점에서 ff 는 증가합니까, 감소합니까, 아니면 어느 쪽도 아닙니까? (d) a=3π2a = \frac{3\pi}{2} 인 점에서 y=f(x)y = f(x) 의 접선은 곡선의 위쪽에 있습니까, 아래쪽에 있습니까, 아니면 어느 쪽도 아닙니까? 함수나 접선의 그래프를 그리지 않고도 이 문제에 답하려면 어떻게 해야 하는지 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) a=π4a = \frac{\pi}{4} 에서 ff 의 그래프에 접하는 직선의 기울기는 f′(π4)f'\left(\frac{\pi}{4}\right) 이다. f′(π4)f'\left(\frac{\pi}{4}\right) 를 구하기 위해 먼저 f′(x)f'(x) 를 구하면 f′(x)=−3sin⁡(x)−2cos⁡(x)f'(x) = -3\sin(x) - 2\cos(x) 이다. 따라서 f′(π4)=−3sin⁡(π4)−2cos⁡(π4)−3(22)−3(22)=−5(22) .\begin{aligned}f'\left(\frac{\pi}{4}\right) &= -3\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) - 2\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) \\ & -3\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) - 3\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = -5\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\end{aligned}\,. (b) a=πa = \pi 에서 ff 의 일차근사식 L(x)L(x) 는 (x)=f(π)+f′(π)(x−π)(x) = f(\pi) + f'(\pi)(x-\pi)L 이다. (a)에서 f′(x)f'(x) 를 구했으므로 f′(π)=−3sin⁡(π)−2cos⁡(π)=2f'(\pi) = -3\sin(\pi) - 2\cos(\pi) = 2 이다. 또한 f(π)=3cos⁡(π)−2sin⁡(π)+6=3f(\pi) = 3\cos(\pi) - 2\sin(\pi) + 6 = 3 이다. 따라서 L(x)=3+2(x−π)L(x) = 3+2(x-\pi) 이다. (c) 미분가능한 함수 ff 가 x=ax=a 에서 증가하는 것은 f′(a)>0f'(a) > 0 일 때, 그리고 그 경우에 한하고, 감소하는 것은 f′(a)<0f'(a) < 0 일 때, 그리고 그 경우에 한한다. 그런데 f′(π2)=−3sin⁡(π2)−2cos⁡(π2)=−3f'\left(\frac{\pi}{2}\right) = -3\sin\left(\frac{\pi}{2}\right) - 2\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = -3 이므로 ff 는 a=π2a = \frac{\pi}{2} 에서 감소한다. (d) 함수 ff 로 정의된 곡선이 x=ax=a 에서 아래로 볼록이면 x=ax=a 에서 ff 의 접선은 곡선의 아래쪽에 있고, ff 의 그래프가 x=ax=a 에서 위로 볼록이면 x=ax=a 에서 ff 의 접선은 곡선의 위쪽에 있다. 곡선의 오목·볼록은 이계도함수로 결정되며 f′′(x)=−3cos⁡(x)+2sin⁡(x)f''(x) = -3\cos(x)+2\sin(x) 이다. f′′(3π2)=−3cos⁡(3π2)+2sin⁡(3π2)=−2f''\left(\frac{3\pi}{2}\right) = -3\cos\left(\frac{3\pi}{2}\right) + 2\sin\left(\frac{3\pi}{2}\right) = -2 이므로 ff 의 그래프는 a=3π2a = \frac{3\pi}{2} 에서 위로 볼록이고, 이 점에서 ff 의 접선은 곡선의 위쪽에 있다.

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# 삼각함수의 미분증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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