문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

삼각함수의 미분

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

Active Calculus · 2.4절 · 9번우리말 번역

f(x)=sin⁡(x)cot⁡(x)f(x) = \sin(x) \cot(x) 라고 하자.

(a) 곱의 미분법을 이용하여 f′(x)f'(x) 를 구하세요. (b) 참 또는 거짓: 모든 실수 xx 에 대해 f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x) 이다. (c) (a)에서 구한 함수가 사인함수와 부호가 반대인 함수에 거의 가깝지만 완전히 같지는 않은 이유를 설명하세요. (힌트: (a)의 모든 삼각함수를 사인과 코사인으로 바꾸어 간단히 하세요. ff 의 정의역과 f′f' 의 정의역을 신중하게 생각하세요.)

영어 원문 보기

Let f(x)=sin⁡(x)cot⁡(x)f(x) = \sin(x) \cot(x).

(a) Use the product rule to find f′(x)f'(x). (b) True or false: for all real numbers xx, f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x). (c) Explain why the function that you found in (a) is almost the opposite of the sine function, but not quite. (Hint: convert all of the trigonometric functions in (a) to sines and cosines, and work to simplify. Think carefully about the domain of ff and the domain of f′f'.)

정답·풀이 보기

(a) f(x)=sin⁡(x)cot⁡(x)f(x) = \sin(x) \cot(x) 이므로 곱의 미분법에 의해 f′(x)=sin⁡(x)⋅(−csc⁡2(x))+cot⁡(x)⋅cos⁡(x)f'(x) = \sin(x) \cdot (-\csc^2(x)) + \cot(x) \cdot \cos(x) 이다. (b) 거짓이다. cot⁡(x)=cos⁡(x)sin⁡(x)\cot(x) = \frac{\cos(x)}{\sin(x)} 이므로 f(x)=sin⁡(x)⋅cos⁡(x)sin⁡(x)f(x) = \sin(x) \cdot \frac{\cos(x)}{\sin(x)} 로 쓸 수 있다. 여기서 분자와 분모의 sin⁡(x)\sin(x) 를 “약분”하고 싶어지기 쉽다. 그러나 분모에 sin⁡(x)\sin(x) 가 있으므로 ff 는 모든 정수 kk 에 대해 x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi 에서 정의되지 않는다. 다시 말해 ff 의 정의역은 π2\frac{\pi}{2} 의 홀수 배수를 제외한 모든 실수이다. 따라서 π2\frac{\pi}{2} 의 홀수 배수를 제외한 모든 실수에 대해서는 f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x) 라고 할 수 있다. 하지만 xx 의 모든 값에 대해 f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x) 인 것은 아니다. (c) (a)의 결과에서 csc⁡(x)\csc(x) 와 cot⁡(x)\cot(x) 를 사인함수와 코사인함수를 포함한 식으로 바꾸면 다음과 같다. f′(x)=sin⁡(x)⋅(−csc⁡2(x))+cot⁡(x)⋅cos⁡(x)=sin⁡(x)⋅(−1sin⁡2(x))+cos⁡(x)sin⁡(x)⋅cos⁡(x)\begin{aligned}f'(x) &= \sin(x) \cdot (-\csc^2(x)) + \cot(x) \cdot \cos(x) \\ &= \sin(x) \cdot \left(-\frac{1}{\sin^2(x)}\right) + \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \cdot \cos(x)\end{aligned} 어떤 정수 kk 값에 대해 x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi 이면 다음이 성립한다. f′(x)=−1sin⁡(x)+cos⁡2(x)sin⁡(x)=cos⁡2(x)−1sin⁡(x) .f'(x) = -\frac{1}{\sin(x)} + \frac{\cos^2(x)}{\sin(x)} = \frac{\cos^2(x)-1}{\sin(x)}\,. 삼각함수의 기본 항등식에 의해 cos⁡2(x)+sin⁡2(x)=1\cos^2(x) + \sin^2(x) = 1 이므로 cos⁡2(x)−1=−sin⁡2(x)\cos^2(x)-1 = -\sin^2(x) 이다. 따라서 어떤 정수 kk 값에 대해 x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi 이면 f′(x)=−sin⁡2(x)sin⁡(x)=−sin⁡(x)f'(x) = \frac{-\sin^2(x)}{\sin(x)} = -\sin(x) 이다. 이 등식은 어떤 정수 kk 값에 대해 x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi 일 때만 성립한다. 그 이유는 그 xx 값들이 원래 함수 ff 의 정의역에 속하지 않기 때문이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since f(x)=sin⁡(x)cot⁡(x)f(x) = \sin(x) \cot(x), by the product rule we know that f′(x)=sin⁡(x)⋅(−csc⁡2(x))+cot⁡(x)⋅cos⁡(x)f'(x) = \sin(x) \cdot (-\csc^2(x)) + \cot(x) \cdot \cos(x). (b) False. Since cot⁡(x)=cos⁡(x)sin⁡(x)\cot(x) = \frac{\cos(x)}{\sin(x)}, we can write f(x)=sin⁡(x)⋅cos⁡(x)sin⁡(x)f(x) = \sin(x) \cdot \frac{\cos(x)}{\sin(x)}. From here, it is tempting to “cancel” the sin⁡(x)\sin(x) term in the numerator and denominator. However, note that because of the sin⁡(x)\sin(x) in the denominator, ff is not defined for x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi for any integer kk. In other words, the domain of ff is all real numbers except odd multiples of π2\frac{\pi}{2}. Thus, we can say that f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x) for all real numbers except odd multiples of π2\frac{\pi}{2}. But it is not the case that f(x)=cos⁡(x)f(x) = \cos(x) for every value of xx. (c) Taking our result from (a) and converting csc⁡(x)\csc(x) and cot⁡(x)\cot(x) to expressions involving the sine and cosine functions, we have f′(x)=sin⁡(x)⋅(−csc⁡2(x))+cot⁡(x)⋅cos⁡(x)=sin⁡(x)⋅(−1sin⁡2(x))+cos⁡(x)sin⁡(x)⋅cos⁡(x)\begin{aligned}f'(x) &= \sin(x) \cdot (-\csc^2(x)) + \cot(x) \cdot \cos(x) \\ &= \sin(x) \cdot \left(-\frac{1}{\sin^2(x)}\right) + \frac{\cos(x)}{\sin(x)} \cdot \cos(x)\end{aligned} Provided that x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi for some integer value of kk, it follows that f′(x)=−1sin⁡(x)+cos⁡2(x)sin⁡(x)=cos⁡2(x)−1sin⁡(x) .f'(x) = -\frac{1}{\sin(x)} + \frac{\cos^2(x)}{\sin(x)} = \frac{\cos^2(x)-1}{\sin(x)}\,. By the Fundamental Trigonometric Identity, recall that cos⁡2(x)+sin⁡2(x)=1\cos^2(x) + \sin^2(x) = 1, and thus cos⁡2(x)−1=−sin⁡2(x)\cos^2(x)-1 = -\sin^2(x). Hence, for x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi for some integer value of kk, we have f′(x)=−sin⁡2(x)sin⁡(x)=−sin⁡(x)f'(x) = \frac{-\sin^2(x)}{\sin(x)} = -\sin(x). Again, this equality holds only for x≠π2+kπx \ne \frac{\pi}{2} + k\pi for some integer value of kk because those values of xx are not in the domain of the original function ff.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 2.4절 · 8번우리말 번역

수직으로 움직이는 물체의 시각 tt 에서의 높이(단위: 피트, 시간 단위: 초)가 함수 h(t)=3+2cos⁡(t)1.2th(t) = 3 + \frac{2\cos(t)}{1.2^t} 로 주어져 있습니다.

(a) t=2t =2 일 때 물체의 순간 속도는 얼마인지 구하세요. (b) 순간 t=2t = 2 에서 물체의 가속도는 얼마인지 구하세요. (c) 순간 t=2t = 2 에서 물체의 움직임을 일상적인 말로 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) t=2t=2 에서 물체의 순간 속도는 h′(2)h'(2) 이다. h(t)=3+2cos⁡(t)1.2th(t) = 3 + \frac{2\cos(t)}{1.2^t} 이므로 몫의 미분법에 의해 다음을 얻는다. h′(t)=1.2t⋅(−2sin⁡(t))−2cos⁡(t)⋅1.2tln⁡(1.2)(1.2t)2=1.2t(−2sin⁡(t)−2cos⁡(t)ln⁡(1.2))(1.2t)2=−2sin⁡(t)−2cos⁡(t)ln⁡(1.2)1.2t .\begin{aligned}h'(t) &= \frac{1.2^t \cdot (-2\sin(t)) - 2\cos(t) \cdot 1.2^t \ln(1.2)}{(1.2^t)^2} \\ &= \frac{1.2^t (-2\sin(t) - 2\cos(t) \ln(1.2))}{(1.2^t)^2} \\ &= \frac{-2\sin(t) - 2\cos(t) \ln(1.2)}{1.2^t}\end{aligned}\,. 따라서 h′(2)=−2sin⁡(2)−2cos⁡(2)ln⁡(1.2)1.22≈−1.1575h'(2) = \frac{-2\sin(2) - 2\cos(2) \ln(1.2)}{1.2^2} \approx -1.1575 초당 피트가 t=2t=2 에서 물체의 순간(수직) 속도이다. (b) t=2t=2 에서 물체의 가속도를 구하려면 h′′(2)h''(2) 를 계산한다. 먼저 몫의 미분법에 의해 h′′(t)=1.2t(−2cos⁡(t)+2sin⁡(t)ln⁡(1.2))−(−2sin⁡(t)−2cos⁡(t)ln⁡(1.2))1.2tln⁡(1.2)(1.2t)2=−2cos⁡(t)+2sin⁡(t)ln⁡(1.2))+2sin⁡(t)ln⁡(1.2)+2cos⁡(t)ln⁡2(1.2)1.2t=cos⁡(t)(−2+2ln⁡2(1.2))+4ln⁡(1.2)sin⁡(t))1.2t .\begin{aligned}h''(t) &= \frac{1.2^t(-2\cos(t) + 2\sin(t) \ln(1.2)) - (-2\sin(t) - 2\cos(t) \ln(1.2))1.2^t \ln(1.2)}{(1.2^t)^2} \\ &= \frac{-2\cos(t) + 2\sin(t) \ln(1.2)) + 2\sin(t)\ln(1.2) + 2\cos(t) \ln^2(1.2)}{1.2^t} \\ &= \frac{\cos(t)(-2 + 2\ln^2(1.2)) + 4\ln(1.2)\sin(t))}{1.2^t}\end{aligned}\,. 그러므로 t=2t = 2 에서의 가속도는 h′′(2)=cos⁡(2)(−2+2ln⁡2(1.2))+4ln⁡(1.2)sin⁡(2))1.22≈1.0193h''(2) = \frac{\cos(2)(-2 + 2\ln^2(1.2)) + 4\ln(1.2)\sin(2))}{1.2^2} \approx 1.0193 초당 피트 매 초이다. (c) t=2t=2 에서 물체는 떨어지고 있으며 속력이 줄어들고 있다. 속도가 음수이므로 물체가 떨어지고 있음을 알 수 있고, (음수인) 속도가 증가하고 있으므로(h′′(2)h''(2) 가 양수이기 때문) 속도가 0에 가까워져 덜 음수가 되므로 속력이 줄어들고 있음을 알 수 있다.

이 문제로 이어서 풀기
# 삼각함수의 미분개념 확인자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「삼각함수의 미분」 문제 목록으로