문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

극대와 극소

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

Active Calculus · 3.3절 · 12번우리말 번역

함수 g(x)g(x) 가 x≠2x \ne 2 인 모든 xx 의 값에서 연속이고, 그 1계 도함수가 g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} 라고 하자. 또한 gg 가 x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖는 것으로 알려져 있다고 가정하자.

(a) gg 의 모든 임계수를 구하세요. (b) 1계 도함수의 부호표를 정확히 표기하여 만들고, 각 임계수에서 gg 가 극댓값을 갖는지, 극솟값을 갖는지, 아니면 둘 다 갖지 않는지 판단하세요. 참고: g′(x)g'(x) 는 g(x)g(x) 의 수직 점근선에서 부호가 바뀔 수 있음에 유의하세요. (c) gg 는 최댓값을 갖나요? 최솟값을 갖나요? 그 근거를 설명하세요. (d) lim⁡x→∞g′(x)\lim_{x \to \infty} g'(x) 의 값은 얼마인가요? 이 극한값은 gg 의 장기적인 변화 양상에 대해 무엇을 말해 주나요? (e) y=g(x)y = g(x) 의 가능한 그래프를 그리세요.

영어 원문 보기

Suppose that g(x)g(x) is a function continuous for every value of x≠2x \ne 2 whose first derivative is g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2}. Further, assume that it is known that gg has a vertical asymptote at x=2x = 2.

(a) Determine all critical numbers of gg. (b) By developing a carefully labeled first derivative sign chart, decide whether gg has as a local maximum, local minimum, or neither at each critical number. Note: observe that g′(x)g'(x) can change sign at the vertical asymptote of g(x)g(x). (c) Does gg have a global maximum? global minimum? Justify your claims. (d) What is the value of lim⁡x→∞g′(x)\lim_{x \to \infty} g'(x)? What does the value of this limit tell you about the long-term behavior of gg? (e) Sketch a possible graph of y=g(x)y = g(x).

정답·풀이 보기

(a) g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} 이므로 g′(x)=0g'(x) = 0 이면 x=−4x = -4 또는 x=1x = 1 임을 알 수 있다. x=2x = 2 는 g′g' 을 정의되지 않게 하지만, gg 가 x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖는다고 하였으므로 x=2x = 2 는 gg 의 정의역에 속하지 않고, 따라서 엄밀히 말해 gg 의 임계수가 아니다. 그럼에도 수직 점근선은 g′g' 의 부호가 바뀔 수 있는 위치이므로, 1계 도함수의 부호표에는 x=2x = 2 를 표시한다. (b) 1계 도함수의 부호표는 x<−4x < -4 일 때 g′(x)>0g'(x) > 0, −4<x<1-4 < x < 1 일 때 g′(x)<0g'(x) < 0, 1<x<21 < x < 2 일 때 g′(x)<0g'(x) < 0, x>2x > 2 일 때 g′(x)>0g'(x) > 0 임을 보여 준다. 1계 도함수 판정법에 의해 gg 는 x=−4x = -4 에서 극댓값을 갖고, x=1x = 1 에서는 극댓값도 극솟값도 갖지 않는다. 이 두 값이 유일한 임계수이므로, 극값이 가능한 위치는 이 두 곳뿐이다. (참고: gg 가 x=2x = 2 에서 감소에서 증가로 바뀌지만, 이는 수직 점근선 때문이며 gg 는 그곳에서 극솟값을 갖지 않는다.) (c) gg 는 x→2−x \to 2^- 일 때 (이곳에서 gg 는 수직 점근선을 갖는다) 감소하므로 gg 는 최솟값을 갖지 않는다. x>2x > 2 에서 gg 는 항상 증가하므로 gg 가 최댓값을 갖지 않을 것으로 짐작된다. (다만 gg 가 한없이 증가하는지는 확실히 알지 못한다.) (d) 다음을 관찰하자. lim⁡x→∞g′(x)=(lim⁡x→∞(x+4)(x−1)2x−2=(lim⁡x→∞x3+2x2−7x+4x−2⋅1x1x=(lim⁡x→∞x2+2x−7+4x1−2x=(∞\begin{aligned}\lim_{x \to \infty} g'(x) =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^3 + 2x^2 - 7x + 4}{x-2} \cdot \frac{\frac{1}{x}}{\frac{1}{x}} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^2 + 2x - 7 + \frac{4}{x}}{1 - \frac{2}{x}} \\ =\mathstrut & \infty\end{aligned} x→∞x \to \infty 일 때 g′(x)→∞g'(x) \to \infty 이므로, 이는 x→∞x \to \infty 일 때 gg 가 한없이 증가함을 말해 준다. (e) 위의 모든 풀이로부터 gg 는 x=−4x = -4 에서 극댓값을 갖고, x=1x = 1 에서는 극댓값도 극솟값도 갖지 않으면서 수평인 접선을 가지며, x=2x = 2 에서 수직 점근선을 갖고, 또한 x→∞x \to \infty 일 때 gg 와 g′g' 이 모두 한없이 증가함을 알 수 있다. 따라서 gg 의 가능한 그래프는 다음과 같다. 이 그림에 대체 텍스트를 추가하세요.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since g′(x)=(x+4)(x−1)2x−2g'(x) = \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2}, we see that g′(x)=0g'(x) = 0 implies that x=−4x = -4 or x=1x = 1. While x=2x = 2 makes g′g' undefined, we are told that gg has a vertical asymptote at x=2x = 2, so x=2x = 2 is not in the domain of gg, and hence is technically not a critical number of gg. Nonetheless, we place x=2x = 2 on our first derivative sign chart since the vertical asymptote is a location at which g′g' may change sign. (b) The first derivative sign chart shows that g′(x)>0g'(x) > 0 for x<−4x < -4, g′(x)<0g'(x) < 0 for −4<x<1-4 < x < 1, g′(x)<0g'(x) < 0 for 1<x<21 < x < 2, and g′(x)>0g'(x) > 0 for x>2x > 2. By the first derivative test, gg has a local maximum at x=−4x = -4 and neither a max nor min at x=1x = 1. As these are the only two critical numbers, these are the only two locations for possible extremes. (Note: although gg changes from decreasing to increasing at x=2x = 2, this is due to a vertical asymptote, and gg does not have a minimum there.) (c) Because gg is decreasing as x→2−x \to 2^- (where gg has a vertical asymptote), gg does not have a global minimum. For x>2x > 2, gg is always increasing, which suggests that gg does not have a global maximum (though we do not know for sure that gg increases without bound). (d) We observe that lim⁡x→∞g′(x)=(lim⁡x→∞(x+4)(x−1)2x−2=(lim⁡x→∞x3+2x2−7x+4x−2⋅1x1x=(lim⁡x→∞x2+2x−7+4x1−2x=(∞\begin{aligned}\lim_{x \to \infty} g'(x) =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{(x+4)(x-1)^2}{x-2} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^3 + 2x^2 - 7x + 4}{x-2} \cdot \frac{\frac{1}{x}}{\frac{1}{x}} \\ =\mathstrut & \lim_{x \to \infty} \frac{x^2 + 2x - 7 + \frac{4}{x}}{1 - \frac{2}{x}} \\ =\mathstrut & \infty\end{aligned} Since g′(x)→∞g'(x) \to \infty as x→∞x \to \infty, this tells us that gg increases without bound as x→∞x \to \infty. (e) From all of our work above, we know that gg has a local maximum at x=−4x = -4, a horizontal tangent line with neither a max nor min at x=1x = 1, and a vertical asymptote at x=2x = 2, plus gg and g′g' both increase without bound as x→∞x \to \infty. Thus, a possible graph of gg is the following. ADD ALT TEXT TO THIS IMAGE

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 3.3절 · 13번우리말 번역

함수 pp 의 이계도함수가 p′′(x)=(x+1)(x−2)e−xp''(x) = (x+1)(x-2)e^{-x} 이라고 하자.

(a) pp 의 이계도함수 부호표를 만들고, pp 의 모든 변곡점을 구하세요. (b) x=5−12x = \frac{\sqrt{5}-1}{2} 가 pp 의 임계점임을 추가로 안다고 하자. x=5−12x = \frac{\sqrt{5}-1}{2} 에서 pp 는 극솟값, 극댓값, 또는 둘 다 아닌 값 중 어느 것을 가지는지 판단하세요. 그 이유는 무엇인지 설명하세요. (c) 점 (2,12e2)(2, \frac{12}{e^2}) 이 y=p(x)y = p(x) 의 그래프 위에 있고 p′(2)=−5e2p'(2) = -\frac{5}{e^2} 일 때, x=2x = 2 인 점에서 y=p(x)y = p(x) 의 접선의 방정식을 구하세요. 이 값에서 접선은 곡선의 위쪽에 있는지, 아래쪽에 있는지, 아니면 어느 쪽도 아닌지 판단하세요. 그 이유는 무엇인지 설명하세요.

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(a) p′′(x)=0p''(x)=0 이 되는 것은 x=−1x=-1 과 x=2x=2 일 때이다. pp 의 이계도함수 부호표를 보면 −1<x<2-1 < x < 2 일 때 p′′(x)p''(x) 는 음수이고, xx 의 그 밖의 모든 값에서는 양수이다. p′′p'' 의 부호가 x=−1x = -1 과 x=2x = 2 에서 바뀌므로 pp 는 x=−1x = -1 과 x=2x = 2 에서 변곡점을 가진다. 특히 pp 는 −1<x<2-1 < x < 2 에서 위로 볼록이고, xx 의 그 밖의 모든 값에서는 아래로 볼록이다. (b) p′′(5−12)p''\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2} \right) 를 계산하면 p′′(5−12)≈−1.205p''\left(\frac{\sqrt{5}-1}{2} \right) \approx -1.205 이므로, pp 는 x=5−12x = \frac{\sqrt{5}-1}{2} 에서 위로 볼록이다. 이 점에서 pp 의 접선이 수평이므로, 이계도함수 판정법에 의해 pp 는 x=5−12x = \frac{\sqrt{5}-1}{2} 에서 극댓값을 가진다. (c) p(2)=12e2p(2) = \frac{12}{e^2} 이고 p′(2)=−5e2p'(2) = -\frac{5}{e^2} 이므로, x=2x = 2 에서 pp 의 접선의 방정식은 y=−5e2(x−2)+12e2y = -\frac{5}{e^2}(x-2) + \frac{12}{e^2} 이다. x=2x = 2 에서 접선이 y=p(x)y=p(x) 의 그래프의 위쪽에 있는지 아래쪽에 있는지 판단하기 위해 pp 의 오목·볼록을 살펴본다. p′′(2)=0p''(2) = 0 이고 pp 는 x=2x = 2 의 왼쪽에서 위로 볼록, 오른쪽에서 아래로 볼록임을 상기하자. 따라서 접선은 x=2x = 2 에서 y=p(x)y = p(x) 의 그래프 아래쪽에만 있거나 위쪽에만 있지 않으며, x=2x = 2 의 오른쪽에서는 y=p(x)y = p(x) 의 아래쪽에, x=2x = 2 의 왼쪽에서는 y=p(x)y = p(x) 의 위쪽에 있다.

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

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