문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

음함수의 미분법

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

Active Calculus · 2.7절 · 12번우리말 번역

방정식 2y3+y2−y5=x4−2x3+x22y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 로 주어진 곡선을 생각하세요. 이 곡선의 접선이 수평이거나 수직인 점을 모두 구하세요. 반드시 그래프 도구를 사용하여 이 음함수 곡선을 그리고, 접선이 수평인 곳과 수직인 곳을 결정하기 위해 사용한 대수적 추론의 결과를 눈으로 확인하세요.

영어 원문 보기

Consider the curve given by the equation 2y3+y2−y5=x4−2x3+x22y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2. Find all points at which the tangent line to the curve is horizontal or vertical. Be sure to use a graphing utility to plot this implicit curve and to visually check the results of algebraic reasoning that you use to determine where the tangent lines are horizontal and vertical.

정답·풀이 보기

먼저 음함수 미분으로 dydx\frac{dy}{dx} 를 구한다. 주어진 방정식의 양변을 yy 를 xx 의 함수로 보고 xx 에 대해 미분하면

6y2dydx+2ydydx−5y4dydx=4x3−6x2+2x .6y^2 \frac{dy}{dx} + 2y \frac{dy}{dx} - 5y^4 \frac{dy}{dx} = 4x^3 - 6x^2 + 2x\,. 좌변에서 dydx\frac{dy}{dx} 를 묶어 내고 dydx\frac{dy}{dx} 에 대해 나누어 풀면

dydx=4x3−6x2+2x6y2+2y−5y4=2x(2x2−3x+1)y(−5y3+6y+2) .\frac{dy}{dx} = \frac{4x^3 - 6x^2 + 2x}{6y^2 + 2y - 5y^4} = \frac{2x(2x^2 - 3x + 1)}{y(-5y^3 + 6y + 2)}\,. 접선은 dydx\frac{dy}{dx} 의 분자가 0인 곳에서 수평일 수 있고, dydx\frac{dy}{dx} 가 0인 곳에서 수직일 수 있다. 2x(2x2−3x+1)=02x(2x^2 - 3x + 1) = 0 을 풀면

2x(2x−1)(x−1)=02x(2x-1)(x-1) = 0

이므로 분자는 x=0,0.5,1x = 0, 0.5, 1 에서 0이다. 분모는 y(−5y3+6y+2)=0y(-5y^3 + 6y + 2) = 0 인 곳에서 0이다. 기술을 이용하여 −5y3+6y+2=0-5y^3 + 6y + 2 = 0 의 해를 어림하면 분모는 y=0y = 0 과 y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235 에서 0이다.

다음으로, 수평 접선 또는 수직 접선이 생길 수 있는 이 점들의 좌표를 구해야 한다. 먼저 수평 접선이 생길 수 있는 위치를 생각한다. x=0x = 0 일 때 2y3+y2−y5=x4−2x3+x2=02y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 = 0 이므로 y2(2y+1−y3)=0y^2(2y + 1 - y^3) = 0 이고, 따라서 y=0y = 0, y=−1y=-1 또는 y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618 이다. 그러면 살펴볼 점은 (0,0)(0,0), (0,−1)(0,-1), (0,−0.618)(0,-0.618), (0,1.618)(0,1.618) 의 네 개이다. 아래 그래프에서 (0,0)(0,0) 에서의 접선은 수평이 아니지만(이 점에서는 dydx\frac{dy}{dx} 의 분자와 분모가 모두 0이다) 나머지 세 점에서는 접선이 수평임을 분명히 알 수 있다.

이제 분자가 0인 다른 xx 의 값에 대해서도 같은 방식으로 추론한다. x=1x = 1 일 때 2y3+y2−y5=14−2⋅13+12=02y^3+y^2-y^5 = 1^4 - 2\cdot 1^3 + 1^2 = 0 이고, 여기서도 y=0y = 0, y=−1y=-1 또는 y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618 이다. 그러면 접선이 수평일 수 있는 점은 (1,0)(1,0), (1,−1)(1,-1), (1,−0.618)(1,-0.618), (1,1.618)(1,1.618) 의 네 개이다. (1,0)(1,0) 에서는 수평 접선이 없지만 나머지 점에서는 그림에서 보듯이 수평 접선이 있다. x=0.5x = 0.5 일 때도 비슷하게 추론하면 2y3+y2−y5=0.54−2⋅0.53+0.52=0.6252y^3+y^2-y^5 = 0.5^4 - 2\cdot 0.5^3 + 0.5^2 = 0.625 이고, 이로부터 y≈−1.0493,0.2104,1.6139y \approx -1.0493, 0.2104, 1.6139 를 얻으므로 세 점 (0.5,−1.0493)(0.5,-1.0493), (0.5,0.2104)(0.5,0.2104), (0.5,1.6139)(0.5, 1.6139) 를 얻는다.

다시 분모가 0인 곳(y=0y = 0 과 y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235)으로 돌아가서, 접선이 수직인 점을 구한다. 아래 그림에서 y=0y = 0 또는 y≈−0.856y \approx -0.856 일 때는 수직 접선이 없음이 분명하므로, 따져 볼 값은 y≈−0.379,1.235y \approx -0.379, 1.235 두 개이다.

y≈−0.379y \approx -0.379 일 때 2(−0.379)3+(−0.379)2−(−0.379)5=x4−2x3+x22(-0.379)^3+(-0.379)^2-(-0.379)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 이므로

x4−2x3+x2=0.0426x^4 - 2x^3 + x^2 = 0.0426

이고, 이로부터 x≈−0.1756,0.2912,0.7088,1.1756x \approx -0.1756, 0.2912, 0.7088, 1.1756 을 얻는다. 그림에서 (−0.1756,−0.379)(-0.1756,-0.379), (0.2912,−0.379)(0.2912,-0.379), (0.7088,−0.379)(0.7088,-0.379), (1.1756,−0.379)(1.1756,-0.379) 에 수직 접선이 있음을 확인할 수 있다.

마지막으로 y≈1.235y \approx 1.235 일 때 2(1.235)3+(1.235)2−(1.235)5=x4−2x3+x22(1.235)^3+(1.235)^2-(1.235)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 이므로

x4−2x3+x2=2.4195x^4 - 2x^3 + x^2 = 2.4195

이고, 따라서 기술을 이용하면 x≈−0.8437,1.8437x \approx -0.8437, 1.8437 이다. 이로써 접선이 수직인 점 (−0.8437,1.235)(-0.8437, 1.235) 와 (1.8437,1.235)(1.8437, 1.235) 가 추가로 나온다.

지금까지의 모든 풀이를 다음 그림에 정리하였다.

이 이미지에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

First, we compute dydx\frac{dy}{dx} by implicit differentiation. Differentiating both sides of the given equation with respect to xx while treating yy as a function of xx, we see that

6y2dydx+2ydydx−5y4dydx=4x3−6x2+2x .6y^2 \frac{dy}{dx} + 2y \frac{dy}{dx} - 5y^4 \frac{dy}{dx} = 4x^3 - 6x^2 + 2x\,. Removing a factor of dydx\frac{dy}{dx} from the lefthand side and dividing to solve for dydx\frac{dy}{dx}, we have

dydx=4x3−6x2+2x6y2+2y−5y4=2x(2x2−3x+1)y(−5y3+6y+2) .\frac{dy}{dx} = \frac{4x^3 - 6x^2 + 2x}{6y^2 + 2y - 5y^4} = \frac{2x(2x^2 - 3x + 1)}{y(-5y^3 + 6y + 2)}\,. The tangent line is potentially horizontal where the numerator of dydx\frac{dy}{dx} is zero and potentially vertical where dydx\frac{dy}{dx} is zero. Solving 2x(2x2−3x+1)=02x(2x^2 - 3x + 1) = 0, we see that

2x(2x−1)(x−1)=02x(2x-1)(x-1) = 0

so the numerator is zero at x=0,0.5,1x = 0, 0.5, 1. The denominator is zero where y(−5y3+6y+2)=0y(-5y^3 + 6y + 2) = 0. Using technology to estimate where −5y3+6y+2=0-5y^3 + 6y + 2 = 0, we see the denominator is zero at y=0y = 0 and y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235.

Next, we need to find the coordinates of these points where potential horizontal or vertical tangent lines occur. First, we consider the potential horizontal tangent line locations. When x=0x = 0, 2y3+y2−y5=x4−2x3+x2=02y^3+y^2-y^5 = x^4 - 2x^3 + x^2 = 0, and thus we know y2(2y+1−y3)=0y^2(2y + 1 - y^3) = 0, from which it follows that y=0y = 0, y=−1y=-1 or y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618. This leads to four points to consider: (0,0)(0,0), (0,−1)(0,-1), (0,−0.618)(0,-0.618), and (0,1.618)(0,1.618). It is apparent from the graph shown below that the tangent line at (0,0)(0,0) is not horizontal (here both the numerator and denominator of dydx\frac{dy}{dx} are zero), but at each of the other three points, the tangent line is horizontal.

We now reason similarly for the other xx-values where the numerator is zero. At x=1x = 1, 2y3+y2−y5=14−2⋅13+12=02y^3+y^2-y^5 = 1^4 - 2\cdot 1^3 + 1^2 = 0, and here again y=0y = 0, y=−1y=-1 or y≈−0.618,1.618y \approx -0.618, 1.618. This leads to four potential points where the tangent line is horizontal: (1,0)(1,0), (1,−1)(1,-1), (1,−0.618)(1,-0.618), and (1,1.618)(1,1.618). At (1,0)(1,0), there's not a horizontal tangent line, but at each of the others there is, as seen in the figure. Similar reasoning when x=0.5x = 0.5 shows that 2y3+y2−y5=0.54−2⋅0.53+0.52=0.6252y^3+y^2-y^5 = 0.5^4 - 2\cdot 0.5^3 + 0.5^2 = 0.625, from which we find that y≈−1.0493,0.2104,1.6139y \approx -1.0493, 0.2104, 1.6139, and thus the three points (0.5,−1.0493)(0.5,-1.0493), (0.5,0.2104)(0.5,0.2104), (0.5,1.6139)(0.5, 1.6139).

Returning to where the denominator is zero (y=0y = 0 and y≈−0.856,−0.379,1.235y \approx -0.856, -0.379, 1.235), we now determine points where the tangent line is vertical. Is is apparent from the figure below that there are no vertical tangent lines when y=0y = 0 or y≈−0.856y \approx -0.856, so there are two values to pursue: y≈−0.379,1.235y \approx -0.379, 1.235.

When y≈−0.379y \approx -0.379, it follows that 2(−0.379)3+(−0.379)2−(−0.379)5=x4−2x3+x22(-0.379)^3+(-0.379)^2-(-0.379)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2, so

x4−2x3+x2=0.0426x^4 - 2x^3 + x^2 = 0.0426

from which we find that x≈−0.1756,0.2912,0.7088,1.1756x \approx -0.1756, 0.2912, 0.7088, 1.1756. The figure confirms that there are vertical tangent lines at (−0.1756,−0.379)(-0.1756,-0.379), (0.2912,−0.379)(0.2912,-0.379), (0.7088,−0.379)(0.7088,-0.379), and (1.1756,−0.379)(1.1756,-0.379)

Lastly, when y≈1.235y \approx 1.235, it follows 2(1.235)3+(1.235)2−(1.235)5=x4−2x3+x22(1.235)^3+(1.235)^2-(1.235)^5 = x^4 - 2x^3 + x^2, so

x4−2x3+x2=2.4195x^4 - 2x^3 + x^2 = 2.4195

and thus via technology, x≈−0.8437,1.8437x \approx -0.8437, 1.8437. This leads to two additional points at which the tangent line is vertical: (−0.8437,1.235)(-0.8437, 1.235) and (1.8437,1.235)(1.8437, 1.235).

All of our above work is summarized in the following figure.

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한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 3.8절 · 30번우리말 번역

다음 문제에서 음함수의 미분을 이용하여 y′{y}^{'} 을 구하세요. 그 답이 앞에서 구한 공식과 일치하는지 판단하세요.

x=cos⁡yx=\cos y

다 풀었으면 정답 확인

y′=−11−x2{y}^{'}=-\frac{1}{\sqrt{1-{x}^{2}}}

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