문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

음함수의 미분법

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

CLP-1 · 2.11절 · 15번우리말 번역

원 x2+y2=1x^2+y^2=1 과 타원 x2+3y2=1x^2+3y^2=1 의 접선이 서로 평행하게 되는 xx 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

For what values of xx do the circle x2+y2=1x^2+y^2=1 and the ellipse x2+3y2=1x^2+3y^2=1 have parallel tangent lines?

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정답·풀이 보기

접선의 기울기는 당연히 도함수로 주어지므로, 먼저 두 도형의 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 를 각각 구하자.

원의 경우, 음함수 미분을 하면2x+2ydydx=0이므로 dydx 에 대해 풀면dydx=−xy타원의 경우에도 음함수 미분을 하면:2x+6ydydx=0이므로 dydx 에 대해 풀면dydx=−x3y우리가 구하려는 것은 두 도함수가 같아지는 x 의 값이다. 그런데 두 도형에서 같은 x 에 대응하는 y 의 값은 다를 수 있으므로, y1 을 원 위에서 x 에 대응하는 y 의 값, y2 를 타원 위에서 x 에 대응하는 y 의 값이라 하자. 즉, x2+y12=1 이고 x2+3y22=1 이다. 원 위의 점 (x,y1) 에서의 기울기와 타원 위의 점 (x,y2) 에서의 기울기가 같으려면 다음이 성립해야 한다:−xy1=−x3y2x(1y1−13y2)=0따라서 x=0 또는 y1=3y2 이다. 원의 y 좌표가 타원의 y 좌표의 세 배가 되는 x 의 값이 무엇인지 생각해 보자. y1=3y2 이고, (x,y1) 이 원 위에 있고, (x,y2) 가 타원 위에 있다면, x2+y12=x2+(3y2)2=1 이고 x2+3y22=1 이다. 이 경우:x2+9y22=x2+3y229y22=3y22y2=0x=±1\begin{aligned} \\ \text{원의 경우, 음함수 미분을 하면} \\ 2x+2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{이므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 에 대해 풀면} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{y} \\ \text{타원의 경우에도 음함수 미분을 하면:} \\ 2x+6y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{이므로 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 에 대해 풀면} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{3y} \\ \text{우리가 구하려는 것은 두 도함수가 같아지는 $x$ 의 값이다. 그런데 두 도형에서 같은 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값은 다를 수 있으므로, $y_1$ 을 원 위에서 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값, $y_2$ 를 타원 위에서 $x$ 에 대응하는 $y$ 의 값이라 하자. 즉, $x^2+ y_1^2=1$ 이고 $x^2+3y_2^2=1$ 이다. 원 위의 점 $(x,y_1)$ 에서의 기울기와 타원 위의 점 $(x,y_2)$ 에서의 기울기가 같으려면 다음이 성립해야 한다:} \\ -\frac{x}{y_1}&=-\frac{x}{3y_2}\\ x\left(\frac{1}{y_1}-\frac{1}{3y_2}\right)&=0 \\ \text{따라서 $x=0$ 또는 $y_1=3y_2$ 이다. 원의 $y$ 좌표가 타원의 $y$ 좌표의 세 배가 되는 $x$ 의 값이 무엇인지 생각해 보자. $y_1=3y_2$ 이고, $(x,y_1)$ 이 원 위에 있고, $(x,y_2)$ 가 타원 위에 있다면, $x^2+y_1^2 =x^2+(3y_2)^2=1$ 이고 $x^2+3y_2^2=1$ 이다. 이 경우:} \\ x^2+9y_2^2&=x^2+3y_2^2\\ 9y_2^2&=3y_2^2\\ y_2&=0\\ x&=\pm 1 \end{aligned}

여기서는 약간 주의해야 한다. y=0y=0 일 때 두 곡선 모두 y′y' 이 정의되지 않는다. 두 곡선 모두 y=0y=0 일 때 접선이 수직이므로(따라서 실수값의 기울기가 없다!) 두 수직선은 실제로 평행하다.

따라서 x=0x=0 일 때와 x=±1x=\pm1 일 때, 두 곡선의 접선은 서로 평행하다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

The slope of the tangent line is, of course, given by the derivative, so let's start by finding dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} of both shapes.

For the circle, we differentiate implicitly2x+2ydydx=0and solve for dydxdydx=−xyFor the ellipse, we also differentiate implicitly:2x+6ydydx=0and solve for dydxdydx=−x3yWhat we want is a value of x where both derivatives are equal. However, they might have different values of y, so let’s let y1 be the y-values associated with x on the circle, and let y2 be the y-values associated with x on the ellipse. That is, x2+y12=1 and x2+3y22=1. For the slopes at (x,y1) on the circle and (x,y2) on the ellipse to be equal, we need:−xy1=−x3y2x(1y1−13y2)=0So x=0 or y1=3y2. Let’s think about which x-values will have a y-coordinate of the circle be three times as large as a y-coordinate of the ellipse. If y1=3y2, (x,y1) is on the circle, and (x,y2) is on the ellipse, then x2+y12=x2+(3y2)2=1 and x2+3y22=1. In this case:x2+9y22=x2+3y229y22=3y22y2=0x=±1\begin{aligned} \\ \text{For the circle, we differentiate implicitly} \\ 2x+2y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{and solve for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{y} \\ \text{For the ellipse, we also differentiate implicitly:} \\ 2x+6y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \\ \text{and solve for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$} \\ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=-\frac{x}{3y} \\ \text{What we want is a value of $x$ where both derivatives are equal. However, they might have different values of $y$, so let's let $y_1$ be the $y$-values associated with $x$ on the circle, and let $y_2$ be the $y$-values associated with $x$ on the ellipse. That is, $x^2+ y_1^2=1$ and $x^2+3y_2^2=1$. For the slopes at $(x,y_1)$ on the circle and $(x,y_2)$ on the ellipse to be equal, we need:} \\ -\frac{x}{y_1}&=-\frac{x}{3y_2}\\ x\left(\frac{1}{y_1}-\frac{1}{3y_2}\right)&=0 \\ \text{So $x=0$ or $y_1=3y_2$. Let's think about which $x$-values will have a $y$-coordinate of the circle be three times as large as a $y$-coordinate of the ellipse. If $y_1=3y_2$, $(x,y_1)$ is on the circle, and $(x,y_2)$ is on the ellipse, then $x^2+y_1^2 =x^2+(3y_2)^2=1$ and $x^2+3y_2^2=1$. In this case:} \\ x^2+9y_2^2&=x^2+3y_2^2\\ 9y_2^2&=3y_2^2\\ y_2&=0\\ x&=\pm 1 \end{aligned}

We need to be a tiny bit careful here: when y=0y=0, y′y' is not defined for either curve. For both curves, when y=0y=0, the tangent lines are vertical (and so have no real-valued slope!). Two vertical lines are indeed parallel.

So, for x=0x=0 and for x=±1x=\pm1, the two curves have parallel tangent lines.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.11절 · 14번우리말 번역

x2+(y+1)ey=5x^2+(y+1)e^y = 5 일 때, y=0y=0 인 점에서 y′y' 을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인
  • 먼저 y=0y=0 인 점의 xx 좌표를 구한다.

x2+(1)e0=5x2+1=5x2=4\begin{aligned} x^2+(1)e^0 &= 5 \\ x^2 +1 &=5\\ x^2&=4 \end{aligned}

따라서 x=2,−2x=2,-2 이다.

  • 이제 음함수 미분을 이용하여 y′y' 을 x,yx,y 에 관한 식으로 나타낸다.

2x+(y+1)eydydx+eydydx=0\begin{aligned} 2x+(y+1)e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^y\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0 \end{aligned}

  • 이제 y=0y=0 을 대입하면

2x+(0+1)e0dydx+e0dydx=02x+dydx+dydx=02x=−2dydxx=−dydx\begin{aligned} 2x+(0+1)e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+e^0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}&=0\\ 2x&=-2\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\\ x&=-\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \end{aligned}

  • 따라서 (x,y)=(2,0)(x,y)=(2,0) 에서 y′=−2y' = -2 이고,
  • (x,y)=(−2,0)(x,y)=(-2,0) 에서 y′=2y' = 2 이다.
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