문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

최댓값·최솟값과 최적화

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

Active Calculus · 3.5절 · 8번우리말 번역

하나 이상의 매개변수에 따라 달라지는 각 함수족에 대해, 주어진 구간에서 그 함수의 최댓값과 최솟값을 구하세요.

(a) p(x)=x3−a2xp(x) = x^3 - a^2x, [0,a][0,a] (a>0a > 0) (b) r(x)=axe−bxr(x) = axe^{-bx}, [12b,2b][\frac{1}{2b}, \frac{2}{b}] (a>0,b>1a > 0, b > 1) (c) w(x)=a(1−e−bx)w(x) = a(1-e^{-bx}), [b,3b][b, 3b] (a,b>0a, b > 0) (d) s(x)=sin⁡(kx)s(x) = \sin(kx), [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right] (k>0k > 0)

영어 원문 보기

For each family of functions that depends on one or more parameters, determine the function's absolute maximum and absolute minimum on the given interval.

(a) p(x)=x3−a2xp(x) = x^3 - a^2x, [0,a][0,a] (a>0a > 0) (b) r(x)=axe−bxr(x) = axe^{-bx}, [12b,2b][\frac{1}{2b}, \frac{2}{b}] (a>0,b>1a > 0, b > 1) (c) w(x)=a(1−e−bx)w(x) = a(1-e^{-bx}), [b,3b][b, 3b] (a,b>0a, b > 0) (d) s(x)=sin⁡(kx)s(x) = \sin(kx), [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right] (k>0k > 0)

정답·풀이 보기

(a) [0,a][0,a]에서 p(x)=x3−a2xp(x) = x^3 - a^2x가 주어졌으므로, 먼저 [0,a][0,a]에 속하는 pp의 임계수를 구한다. p′(x)=3x2−a2=3(x2−a23)p'(x) = 3x^2 - a^2 = 3\left(x^2 - \frac{a^2}{3} \right)이므로 pp는 x=±a3x = \pm \frac{a}{\sqrt{3}}에서 임계수를 가진다. 음의 임계수는 구간 밖에 있고, 양의 임계수는 0<13<10 < \frac{1}{\sqrt{3}} < 1이므로 구간 안에 있다. 양 끝점과 구간 안의 임계수에서 pp의 값을 구하면 p(0)=0p(0) = 0, p(a)=a3−a2⋅a=0p(a) = a^3 - a^2 \cdot a = 0, p(a3)=(a3)3−a2⋅(a3)=a333−a33=−2a333p\left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = \left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right)^3 - a^2 \cdot \left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = \frac{a^3}{3\sqrt{3}} - \frac{a^3}{\sqrt{3}} = -\frac{2a^3}{3\sqrt{3}}이다. 따라서 [0,a][0,a]에서 pp의 최댓값은 p(0)=p(a)=0p(0) = p(a) = 0이고 최솟값은 p(a3)=−2a333p\left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = -\frac{2a^3}{3\sqrt{3}}이다. (b) [12b,2b]\left[\frac{1}{2b}, \frac{2}{b}\right]에서 r(x)=axe−bxr(x) = axe^{-bx}가 주어졌으므로, 먼저 주어진 구간에 속하는 rr의 임계수를 구한다. 곱의 미분법에 의해 r′(x)=axe−bx(−b)+e−bxar'(x) = ax e^{-bx} (-b) + e^{-bx} a이다. 인수분해하면 r′(x)=ae−bx(−bx+1)r'(x) = ae^{-bx}(-bx + 1)이므로 rr의 임계수는 x=1bx = \frac{1}{b} 하나뿐이다. b>1b > 1이므로 12b<1b<b\frac{1}{2b} < \frac{1}{b} < b이고, 따라서 임계수는 구간 안에 있다. 양 끝점과 임계수에서 rr의 값을 구하면 다음과 같다.

  • r(12b)=a⋅12b⋅e−1/2≈0.607a2b=0.3035abr\left( \frac{1}{2b} \right) = a \cdot \frac{1}{2b} \cdot e^{-1/2} \approx 0.607 \frac{a}{2b} = 0.3035 \frac{a}{b}
  • r(2b)=a⋅2b⋅e−2≈0.1352ab=0.270abr\left( \frac{2}{b} \right) = a \cdot \frac{2}{b} \cdot e^{-2} \approx 0.135 \frac{2a}{b} = 0.270 \frac{a}{b}
  • r(1b)=a⋅1b⋅e−1≈0.368abr\left( \frac{1}{b} \right) = a \cdot \frac{1}{b} \cdot e^{-1} \approx 0.368 \frac{a}{b} 따라서 rr의 최댓값은 r(1b)≈0.368abr\left( \frac{1}{b} \right) \approx 0.368 \frac{a}{b}이고 최솟값은 r(2b)≈0.270abr\left( \frac{2}{b} \right) \approx 0.270 \frac{a}{b}이다. (c) [b,3b][b, 3b]에서 w(x)=a(1−e−bx)w(x) = a(1-e^{-bx})에 대해, 먼저 w′(x)=a(be−bx)=abe−bxw'(x) = a(be^{-bx}) = abe^{-bx}이다. aa와 bb는 모두 양수이고 모든 xx의 값에 대해 e−bxe^{-bx}도 양수이므로, 모든 xx의 값에 대해 w′(x)>0w'(x) > 0임을 알 수 있다. ww는 항상 증가하므로(특히 [b,3b][b,3b]에서), ww는 왼쪽 끝점(g(b)=a(1−e−b2)g(b) = a(1-e^{-b^2}))에서 최솟값을, 오른쪽 끝점(g(3b)=a(1−e−3b2)g(3b) = a(1-e^{-3b^2}))에서 최댓값을 가진다. (d) 마지막으로 [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right]에서 s(x)=sin⁡(kx)s(x) = \sin(kx)에 대해, s′(x)=kcos⁡(kx)s'(x) = k\cos(kx)이고 어떤 정수 nn에 대해 kx=π2±nπkx = \frac{\pi}{2} \pm n\pi일 때 cos⁡(kx)=0\cos(kx) = 0이므로 x=π2k±nπ=π±2nπ2kx = \frac{\pi}{2k} \pm n\pi = \frac{\pi \pm 2n\pi}{2k}이다. 이 xx의 값들이 ss의 임계수이다. n=−1,0,1n = -1, 0, 1일 때 해당하는 임계수는 다음과 같다. x=−π2k,π2k,3π2kx = -\frac{\pi}{2k}, \frac{\pi}{2k}, \frac{3\pi}{2k} −π2-\frac{\pi}{2}, π2k\frac{\pi}{2k}, 3π2k\frac{3\pi}{2k}의 값을 π3\frac{\pi}{3} 및 5π6\frac{5\pi}{6}과 비교하면, π2k\frac{\pi}{2k}만 주어진 구간 [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right] 안에 있음을 알 수 있다. 따라서 x=π2kx = \frac{\pi}{2k}가 ss의 값을 구해야 하는 유일한 임계수이다. 양 끝점과 해당 임계수에서 ss의 값을 구하면 다음과 같다.
  • s(π3k)=sin⁡(k⋅π3k)=sin⁡(π3)=32s\left( \frac{\pi}{3k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{\pi}{3k} \right) = \sin\left( \frac{\pi}{3} \right) = \frac{\sqrt{3}}{2};
  • s(5π6k)=sin⁡(k⋅5π6k)=sin⁡(5π6)=12s\left( \frac{5\pi}{6k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{5\pi}{6k} \right) = \sin\left( \frac{5\pi}{6} \right) = \frac{1}{2};
  • s(π2k)=sin⁡(k⋅π2k)=sin⁡(π2)=1s\left( \frac{\pi}{2k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{\pi}{2k} \right) = \sin\left( \frac{\pi}{2} \right) = 1. 따라서 [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right]에서 ss의 최댓값은 s(π2k)=1s\left( \frac{\pi}{2k} \right) = 1이고 ss의 최솟값은 s(5π6k)=12s\left( \frac{5\pi}{6k} \right) = \frac{1}{2}이다.
원본 교재 풀이(영어)

(a) Given p(x)=x3−a2xp(x) = x^3 - a^2x on [0,a][0,a], we first find the critical number(s) of pp that lie in [0,a][0,a]. Since p′(x)=3x2−a2=3(x2−a23)p'(x) = 3x^2 - a^2 = 3\left(x^2 - \frac{a^2}{3} \right), we know pp has critical numbers at x=±a3x = \pm \frac{a}{\sqrt{3}}. The negative critical number lies outside the interval, while the positive one lies within the interval since 0<13<10 < \frac{1}{\sqrt{3}} < 1. Evaluating pp at the endpoints and the critical number within the interval, we find that p(0)=0p(0) = 0, p(a)=a3−a2⋅a=0p(a) = a^3 - a^2 \cdot a = 0, and p(a3)=(a3)3−a2⋅(a3)=a333−a33=−2a333p\left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = \left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right)^3 - a^2 \cdot \left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = \frac{a^3}{3\sqrt{3}} - \frac{a^3}{\sqrt{3}} = -\frac{2a^3}{3\sqrt{3}}. Hence, the absolute maximum of pp on [0,a][0,a] is p(0)=p(a)=0p(0) = p(a) = 0 and the absolute minimum is p(a3)=−2a333p\left( \frac{a}{\sqrt{3}} \right) = -\frac{2a^3}{3\sqrt{3}}. (b) Given r(x)=axe−bxr(x) = axe^{-bx} on [12b,2b]\left[\frac{1}{2b}, \frac{2}{b}\right], we first find the critical numbers of rr that lie in the given interval. Note that by the product rule, r′(x)=axe−bx(−b)+e−bxar'(x) = ax e^{-bx} (-b) + e^{-bx} a. Factoring, r′(x)=ae−bx(−bx+1)r'(x) = ae^{-bx}(-bx + 1), and thus the only critical number of rr occurs where x=1bx = \frac{1}{b}. Note that 12b<1b<b\frac{1}{2b} < \frac{1}{b} < b since b>1b > 1, and thus the critical number lies within the interval. Evaluating rr at the endpoints and the critical number, we find

  • r(12b)=a⋅12b⋅e−1/2≈0.607a2b=0.3035abr\left( \frac{1}{2b} \right) = a \cdot \frac{1}{2b} \cdot e^{-1/2} \approx 0.607 \frac{a}{2b} = 0.3035 \frac{a}{b}
  • r(2b)=a⋅2b⋅e−2≈0.1352ab=0.270abr\left( \frac{2}{b} \right) = a \cdot \frac{2}{b} \cdot e^{-2} \approx 0.135 \frac{2a}{b} = 0.270 \frac{a}{b}
  • r(1b)=a⋅1b⋅e−1≈0.368abr\left( \frac{1}{b} \right) = a \cdot \frac{1}{b} \cdot e^{-1} \approx 0.368 \frac{a}{b} The absolute max of rr is therefore r(1b)≈0.368abr\left( \frac{1}{b} \right) \approx 0.368 \frac{a}{b} and the absolute min is r(2b)≈0.270abr\left( \frac{2}{b} \right) \approx 0.270 \frac{a}{b}. (c) For w(x)=a(1−e−bx)w(x) = a(1-e^{-bx}) on [b,3b][b, 3b], we first note that w′(x)=a(be−bx)=abe−bxw'(x) = a(be^{-bx}) = abe^{-bx}. Since aa and bb are both positive and so is e−bxe^{-bx} for every value of xx, we see that w′(x)>0w'(x) > 0 for every value of xx. Because ww is always increasing (specifically on [b,3b][b,3b]), ww has its absolute minimum at the left endpoint (g(b)=a(1−e−b2)g(b) = a(1-e^{-b^2})) and its absolute maximum at the right endpoint (g(3b)=a(1−e−3b2)g(3b) = a(1-e^{-3b^2})). (d) Finally, for s(x)=sin⁡(kx)s(x) = \sin(kx) on [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right], we know s′(x)=kcos⁡(kx)s'(x) = k\cos(kx), and cos⁡(kx)=0\cos(kx) = 0 when kx=π2±nπkx = \frac{\pi}{2} \pm n\pi for some integer nn, so x=π2k±nπ=π±2nπ2kx = \frac{\pi}{2k} \pm n\pi = \frac{\pi \pm 2n\pi}{2k}. These xx-values are the critical numbers of ss. Note that when n=−1,0,1n = -1, 0, 1, the corresponding critical numbers are x=−π2k,π2k,3π2kx = -\frac{\pi}{2k}, \frac{\pi}{2k}, \frac{3\pi}{2k} Comparing the values of −π2-\frac{\pi}{2}, π2k\frac{\pi}{2k}, and 3π2k\frac{3\pi}{2k} to π3\frac{\pi}{3} and 5π6\frac{5\pi}{6}, we see that only π2k\frac{\pi}{2k} lies in the given interval [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right], and thus x=π2kx = \frac{\pi}{2k} is the only critical number at which we need to evaluate ss. Evaluating ss at the endpoints and relevant critical number, we find:
  • s(π3k)=sin⁡(k⋅π3k)=sin⁡(π3)=32s\left( \frac{\pi}{3k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{\pi}{3k} \right) = \sin\left( \frac{\pi}{3} \right) = \frac{\sqrt{3}}{2};
  • s(5π6k)=sin⁡(k⋅5π6k)=sin⁡(5π6)=12s\left( \frac{5\pi}{6k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{5\pi}{6k} \right) = \sin\left( \frac{5\pi}{6} \right) = \frac{1}{2}; and
  • s(π2k)=sin⁡(k⋅π2k)=sin⁡(π2)=1s\left( \frac{\pi}{2k} \right) = \sin\left( k \cdot \frac{\pi}{2k} \right) = \sin\left( \frac{\pi}{2} \right) = 1. Hence the absolute max of ss on [π3k,5π6k]\left[\frac{\pi}{3k}, \frac{5\pi}{6k}\right] is s(π2k)=1s\left( \frac{\pi}{2k} \right) = 1 and the absolute min of ss is s(5π6k)=12s\left( \frac{5\pi}{6k} \right) = \frac{1}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 3.5절 · 10번우리말 번역

s(t)=3sin⁡(2(t−π6))+5s(t) = 3\sin(2(t-\frac{\pi}{6})) + 5 라 하자. 양 끝점의 함숫값을 확인하고 ss 의 관련된 모든 임계수를 찾아 그 값을 계산하여, 주어진 구간에서 ss 의 최댓값과 최솟값을 정확하게 구하세요.

(a) [π6,7π6][\frac{\pi}{6}, \frac{7\pi}{6}] (b) [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] (c) [0,2π][0, 2\pi] (d) [π3,5π6][\frac{\pi}{3}, \frac{5\pi}{6}]

다 풀었으면 정답 확인

(a) s(t)=3sin⁡(2(t−π6))+5s(t) = 3\sin(2(t-\frac{\pi}{6})) + 5 에서 s′(t)=3cos⁡(2(t−π6))⋅2=6cos⁡(2(t−π6))s'(t) = 3\cos(2(t-\frac{\pi}{6})) \cdot 2 = 6\cos(2(t-\frac{\pi}{6})) 이다. 따라서 s′(t)=0s'(t) = 0 일 필요충분조건은 cos⁡(2(t−π6))=0\cos(2(t-\frac{\pi}{6})) = 0 이고, 그러므로 어떤 정수 kk 에 대해 2(t−π6)=π2±kπ2(t-\frac{\pi}{6}) = \frac{\pi}{2} \pm k\pi 이다. 이 방정식을 tt 에 대해 풀면 t−π6=π4±kπ2t-\frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{4} \pm \frac{k\pi}{2} 이므로 t=π6+π4±kπ2=5π12±kπ2 .t = \frac{\pi}{6} + \frac{\pi}{4} \pm \frac{k\pi}{2} = \frac{5\pi}{12} \pm \frac{k\pi}{2}\,. 이제 주어진 구간 [π6,7π6][\frac{\pi}{6}, \frac{7\pi}{6}] 을 생각하자. 이 구간은 [2π12,14π12][\frac{2\pi}{12}, \frac{14\pi}{12}] 로 볼 수 있다. t=5π12t = \frac{5\pi}{12} 는 이 구간에 속하고, t=5π12+π2=11π12t = \frac{5\pi}{12} + \frac{\pi}{2} = \frac{11\pi}{12} 도 속한다. 따라서 구간 안에 ss 의 값을 계산해야 할 임계수가 두 개 있고, 양 끝점에서도 값을 계산한다. 계산하면 다음과 같다.

  • s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8;
  • s(11π12)=2s(\frac{11\pi}{12}) = 2;
  • s(π6)=5s(\frac{\pi}{6}) = 5; 그리고
  • s(7π6)=5s(\frac{7\pi}{6}) = 5. 따라서 [π6,7π6][\frac{\pi}{6}, \frac{7\pi}{6}] 에서 ss 의 최댓값은 s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8 이고, 최솟값은 s(11π12)=2s(\frac{11\pi}{12}) = 2 이다. (b) (a)의 풀이에서 ss 의 임계수는 t=5π12±kπ2t = \frac{5\pi}{12} \pm \frac{k\pi}{2} 임을 알 수 있다. 구간 [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] 에서는 t=5π12t = \frac{5\pi}{12} 만 구간에 속한다. 따라서 ss 의 값을 계산할 점은 세 개이다. 계산하면:
  • s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8;
  • s(0)=3sin⁡(2(0−π6))+5=3sin⁡(−π3)+5=5−332≈2.402s(0) = 3\sin(2(0-\frac{\pi}{6})) + 5 = 3\sin(-\frac{\pi}{3}) + 5 = 5 - \frac{3\sqrt{3}}{2} \approx 2.402; 그리고
  • s(π2)=3sin⁡(2(π2−π6))+5=3sin⁡(2π3)+5=5+332≈7.598s(\frac{\pi}{2}) = 3\sin(2(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{6})) + 5 = 3\sin(\frac{2\pi}{3}) + 5 = 5 + \frac{3\sqrt{3}}{2} \approx 7.598. 따라서 [0,π2][0, \frac{\pi}{2}] 에서 ss 의 최댓값은 s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8 이고, 최솟값은 s(0)=5−332≈2.402s(0) = 5 - \frac{3\sqrt{3}}{2} \approx 2.402 이다. (c) t=0t = 0 부터 t=2πt = 2\pi 까지의 구간에서 ss 는 거의 두 주기를 완전히 지나므로 최댓값과 최솟값을 모두 갖는다. 최댓값은 (a)에서 구한 대로 88 이고, 최솟값은 22 이다. 예를 들어 s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8 이고, 최솟값은 s(11π12)=2s(\frac{11\pi}{12}) = 2 이다. 주어진 구간에서 함수가 이 값들을 갖는 다른 점들도 있다. (d) 구간 [π3,5π6]=[4π12,10π12][\frac{\pi}{3}, \frac{5\pi}{6}] = [\frac{4\pi}{12}, \frac{10\pi}{12}] 에서는 임계수 t=5π12t = \frac{5\pi}{12} 만 구간에 속한다. 따라서 ss 의 값을 계산할 점은 세 개이다. 계산하면:
  • s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8;
  • s(π3)=3sin⁡(2(π3−π6))+5=3sin⁡(π3)+5=332+5≈7.598s(\frac{\pi}{3}) = 3\sin(2(\frac{\pi}{3}-\frac{\pi}{6})) + 5 = 3\sin(\frac{\pi}{3}) + 5 = \frac{3\sqrt{3}}{2} + 5 \approx 7.598; 그리고
  • s(5π6)=3sin⁡(2(5π6−π6))+5=3sin⁡(4π3)+5=5−332≈2.402s(\frac{5\pi}{6}) = 3\sin(2(\frac{5\pi}{6}-\frac{\pi}{6})) + 5 = 3\sin(\frac{4\pi}{3}) + 5 = 5 - \frac{3\sqrt{3}}{2} \approx 2.402. 따라서 [π3,5π6][\frac{\pi}{3}, \frac{5\pi}{6}] 에서 ss 의 최댓값은 s(5π12)=8s(\frac{5\pi}{12}) = 8 이고, 최솟값은 s(5π6)≈2.402s(\frac{5\pi}{6}) \approx 2.402 이다.
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