문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

함수의 그래프 그리기

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Active Calculus · 3.4절 · 7번우리말 번역

q(x)=e−xx−cq(x) = \frac{e^{-x}}{x-c} 를 c>0c > 0 인 매개변수 하나를 가진 함수족이라고 하자.

(a) qq 가 x=cx = c 에서 수직 점근선을 갖는 이유를 설명하세요. (b) lim⁡x→∞q(x)\lim_{x \to \infty} q(x) 와 lim⁡x→−∞q(x)\lim_{x \to -\infty} q(x) 를 구하세요. (c) q′(x)q'(x) 를 구하고, qq 의 모든 임계수를 구하세요. (d) qq 의 일계도함수 부호표를 만들고, 각 임계수가 함수 qq 의 극솟값, 극댓값, 또는 둘 다 아닌 것 중 어느 것으로 이어지는지 판단하세요. (e) 이 함수족의 대표적인 함수 하나의 그래프를 중요한 성질을 분명히 표시하여 그리세요.

영어 원문 보기

Let q(x)=e−xx−cq(x) = \frac{e^{-x}}{x-c} be a one-parameter family of functions where c>0c > 0.

(a) Explain why qq has a vertical asymptote at x=cx = c. (b) Determine lim⁡x→∞q(x)\lim_{x \to \infty} q(x) and lim⁡x→−∞q(x)\lim_{x \to -\infty} q(x). (c) Compute q′(x)q'(x) and find all critical numbers of qq. (d) Construct a first derivative sign chart for qq and determine whether each critical number leads to a local minimum, local maximum, or neither for the function qq. (e) Sketch a typical member of this family of functions with important behaviors clearly labeled.

정답·풀이 보기

(a) x=cx=c 에서 분자의 값은 e−c≠0e^{-c} \ne 0 이고, 분모의 값은 x=cx=c 에서 00 이다. 따라서 lim⁡x→c+e−xx−c=∞\lim_{x \to c^+} \frac{e^{-x}}{x-c} = \infty 이고 lim⁡x→c−e−xx−c=−∞\lim_{x \to c^-} \frac{e^{-x}}{x-c} = -\infty 이다. 그러므로 직선 x=cx=c 는 qq 의 수직 점근선이다. (b) q(x)q(x) 를 q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x} 로 쓸 수 있으므로, x→∞x \to \infty 일 때 분모가 한없이 커짐을 알 수 있다. 따라서 lim⁡x→∞e−xx−c=0\lim_{x \to \infty} \frac{e^{-x}}{x-c} = 0 이다. 그러므로 직선 y=0y=0 은 qq 의 수평 점근선이다. x→−∞x \to -\infty 일 때 e−xe^{-x} 는 한없이 커지고 (x−c)(x-c) 는 한없이 작아진다. 따라서 x→−inftyx \to -infty 일 때 qq 는 부정형이다. 로피탈의 법칙을 적용하면 다음을 얻는다. lim⁡x→−∞e−xx−c=lim⁡x→−∞−e−x1=−∞ .\lim_{x \to -\infty} \frac{e^{-x}}{x-c} = \lim_{x \to -\infty} \frac{-e^{-x}}{1} = -\infty\,. (c) q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x} 를 이용하여 몫의 미분법과 곱의 미분법을 쓰고 식을 정리하면 다음과 같다. q′(x)=−(x−c)ex+ex(x−c)2(ex)2=−x−c+1(x−c)2ex .q'(x) = -\frac{(x-c)e^x + e^x}{(x-c)^2\left(e^x\right)^2} = -\frac{x-c+1}{(x-c)^2e^x}\,. 함수 qq 의 임계점은 정의역 안에서 q′(x)=0q'(x) = 0 이거나 q′(x)q'(x) 가 존재하지 않는 곳에 있다. q′(x)q'(x) 는 x=cx=c 에서 정의되지 않지만, cc 는 mq의 정의역에 속하지 않는다. 따라서 qq 의 임계점은 q′(x)=0q'(x)=0 일 때만 생긴다. 분수 q′(x)q'(x) 가 00 이 되는 경우는 분자가 00 일 때뿐이다. x−c+1=0x-c+1=0 이 되는 것은 x=c−1x=c-1 일 때이므로, qq 의 임계수는 x=c−1x=c-1 하나뿐이다. (d) 지수함수 exe^x 와 이차식 (x−c)2(x-c)^2 의 값은 x≠cx \neq c 일 때 양수이므로, q′(x)=−x−c+1(x−c)2exq'(x) = -\frac{x-c+1}{(x-c)^2e^x} 의 부호는 전적으로 x−(c−1)x-(c-1) 의 부호에 달려 있다. x<c−1x < c-1 일 때 q′(x)>0q'(x) > 0 이고 x>c−1x > c-1 일 때 q′(x)<0q'(x) < 0 이다. 따라서 qq 는 (−∞,c−1)(-\infty, c-1) 에서 증가하고 (c−1,c)(c-1,c) 에서 감소하므로, q(c−1)q(c-1) 은 극댓값이다. (b)에서 보인 것처럼 qq 의 값은 얼마든지 크게 만들 수 있으므로, 이 값은 극댓값이다. (e) q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x} 로 주어진 함수족의 대표적인 함수는 x=cx = c 에서 수직 점근선을 갖고, cc 의 왼쪽으로 1만큼 떨어진 x=c−1x = c-1 에서 극댓값을 갖는 임계수가 있음을 보였다. 대표적인 그래프는 아래와 같다. qq 가 (d)에서 구한 대로 증가하고 감소하는 모습에 주목하자. x = c &gt; 0 에서 수직 점근선을 갖는 함수의 그래프이다. x &gt; c 일 때 함수는 감소하고 위로 볼록하며 수평 점근선 y = 0 에 가까워진다. x &lt; c 일 때 함수는 항상

원본 교재 풀이(영어)

(a) The value of the numerator at x=cx=c is e−c≠0e^{-c} \ne 0, while the value of the denominator is 00 at x=cx=c. Thus, lim⁡x→c+e−xx−c=∞\lim_{x \to c^+} \frac{e^{-x}}{x-c} = \infty and lim⁡x→c−e−xx−c=−∞\lim_{x \to c^-} \frac{e^{-x}}{x-c} = -\infty. This makes the line x=cx=c a vertical asymptote for qq. (b) We can write q(x)q(x) as q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x} and thus see the denominator increases without bound as x→∞x \to \infty. Therefore, lim⁡x→∞e−xx−c=0\lim_{x \to \infty} \frac{e^{-x}}{x-c} = 0. This makes the line y=0y=0 a horizontal asymptote for qq. As x→−∞x \to -\infty, e−xe^{-x} increases without bound, while (x−c)(x-c) decreases without bound. Thus, qq has an indeterminate form as x→−inftyx \to -infty. Applying L'Hopital's Rule gives us lim⁡x→−∞e−xx−c=lim⁡x→−∞−e−x1=−∞ .\lim_{x \to -\infty} \frac{e^{-x}}{x-c} = \lim_{x \to -\infty} \frac{-e^{-x}}{1} = -\infty\,. (c) Using q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x}, the quotient and product rules along with algebraic simplification show that q′(x)=−(x−c)ex+ex(x−c)2(ex)2=−x−c+1(x−c)2ex .q'(x) = -\frac{(x-c)e^x + e^x}{(x-c)^2\left(e^x\right)^2} = -\frac{x-c+1}{(x-c)^2e^x}\,. The function qq has critical points in its domain where q′(x)=0q'(x) = 0 or q′(x)q'(x) doesn't exist. Note that q′(x)q'(x) is undefined at x=cx=c, but cc is not in the domain of mq. Thus, the only critical points of qq occur when q′(x)=0q'(x)=0. The only way the fraction q′(x)q'(x) can be 00 is if the numerator is 00. Since x−c+1=0x-c+1=0 when x=c−1x=c-1, the only critical number for qq is x=c−1x=c-1. (d) The values of the exponential function exe^x and the quadratic (x−c)2(x-c)^2 are positive for x≠cx \neq c, so the sign of q′(x)=−x−c+1(x−c)2exq'(x) = -\frac{x-c+1}{(x-c)^2e^x} depends entirely on the sign of x−(c−1)x-(c-1). When x<c−1x < c-1 we see that q′(x)>0q'(x) > 0 and when x>c−1x > c-1 we have q′(x)<0q'(x) < 0. Thus, qq is increasing on (−∞,c−1)(-\infty, c-1) and is decreasing on (c−1,c)(c-1,c), so it follows that q(c−1)q(c-1) is a relative maximum value. This value is a local maximum, since the value of qq can be made as large as we like as shown in part (b). (e) We've shown that a typical member of the family of functions given by q(x)=1(x−c)exq(x) = \frac{1}{(x-c)e^x} has a vertical asymptote at x=cx = c and a critical number at which a local maximum occurs one unit to the left of cc at x=c−1x = c-1. A typical such graph is shown below. Note how qq is increasing and decreasing according to our earlier work in (d). The graph of a function with a vertical asymptote at x = c gt 0. For x gt c, the function is decreasing and concave down and approaches a horizontal asymptote of y = 0. For x lt c, the function is alw

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