문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

이계도함수와 오목·볼록

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

CLP-1 · 2.14절 · 12번우리말 번역

곡선이 다음과 같이 음함수로 정의되어 있다고 하자. x2+x+y=sin⁡(xy)x^2+x+y=\sin(xy) 점 (0,0)(0,0) 에서 d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose a curve is defined implicitly by x2+x+y=sin⁡(xy)x^2+x+y=\sin(xy) What is d2ydx2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}{x}^2} at the point (0,0)(0,0)?

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x2+x+y=sin⁡(xy)음함수 미분을 한다. 표기를 간단히 하기 위해 dydx 를 y′ 으로 쓴다.2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)우리가 구하려는 것은 y′′ 이므로 한 번 더 음함수 미분을 한다.2+y′′=−sin⁡(xy)(y+xy′)2+cos⁡(xy)(2y′+xy′′)x=y=0 일 때 y′′ 의 값을 구하려고 한다. 이를 대입하면 다음과 같다.2+y′′=2y′따라서 x=y=0 일 때 y′ 의 값을 알아야 한다. 이는 등식 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′) 에서 구할 수 있는데, x=y=0 일 때 1+y′=0 이 된다. 그러므로 원점에서 y′=−1 이고,2+y′′=2(−1)y′′=−4\begin{aligned} x^2+x+y&=\sin(xy) \\ \text{음함수 미분을 한다. 표기를 간단히 하기 위해 $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$ 를 $y'$ 으로 쓴다.} \\ 2x+1+y'&=\cos(xy)(y+xy') \\ \text{우리가 구하려는 것은 $y''$ 이므로 한 번 더 음함수 미분을 한다.} \\ 2+y''&=-\sin(xy)(y+xy')^2+\cos(xy)(2y'+xy'') \\ \text{$x=y=0$ 일 때 $y''$ 의 값을 구하려고 한다. 이를 대입하면 다음과 같다.} \\ 2+y''&=2y' \\ \text{따라서 $x=y=0$ 일 때 $y'$ 의 값을 알아야 한다. 이는 등식 $2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy')$ 에서 구할 수 있는데, $x=y=0$ 일 때 $1+y'=0$ 이 된다. 그러므로 원점에서 $y'=-1$ 이고,} \\ 2+y''&=2(-1)\\ y''&=-4 \end{aligned}

참고: 흔히 하는 실수는 등식 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy') 에서 멈추고, x=y=0x=y=0 을 대입하여 y′=−1y'=-1 을 구한 다음, y′′=ddx{−1}=0y''=\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-1\}=0 이라고 결론 내리는 것이다. 이는 일반적으로 쓰는 표기가 약간 엄밀하지 못하기 때문에 생기는 일이다. y′=1y'=1 이라고 썼을 때 우리가 뜻한 것은 점 (0,0)(0,0) 에서 dydx=−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-1 이라는 것이다. 더 엄밀하게 쓰면 dydx∣x=0, y=0=−1\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right|_{x=0,~y=0}=-1 이다. 이것은 y′=1y'=1 이 모든 곳에서 성립한다는 말과 다르다(그런 경우라면 실제로 y′′y'' 은 모든 곳에서 0일 것이다).

원본 교재 풀이(영어)

x2+x+y=sin⁡(xy)We differentiate implicitly. For ease of notation, we write y′ for dydx.2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)We’re interested in y′′, so we implicitly differentiate again.2+y′′=−sin⁡(xy)(y+xy′)2+cos⁡(xy)(2y′+xy′′)We want to know what y′′ is when x=y=0. Plugging these in yields the following:2+y′′=2y′So, we need to know what y′ is when x=y=0. We can get this from the equation 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′), which becomes 1+y′=0 when x=y=0. So, at the origin, y′=−1, and2+y′′=2(−1)y′′=−4\begin{aligned} x^2+x+y&=\sin(xy) \\ \text{We differentiate implicitly. For ease of notation, we write $y'$ for $\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}$.} \\ 2x+1+y'&=\cos(xy)(y+xy') \\ \text{We're interested in $y''$, so we implicitly differentiate again.} \\ 2+y''&=-\sin(xy)(y+xy')^2+\cos(xy)(2y'+xy'') \\ \text{We want to know what $y''$ is when $x=y=0$. Plugging these in yields the following:} \\ 2+y''&=2y' \\ \text{So, we need to know what $y'$ is when $x=y=0$. We can get this from the equation $2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy')$, which becomes $1+y'=0$ when $x=y=0$. So, at the origin, $y'=-1$, and} \\ 2+y''&=2(-1)\\ y''&=-4 \end{aligned}

Remark: a common mistake is to stop at the equation 2x+1+y′=cos⁡(xy)(y+xy′)2x+1+y'=\cos(xy)(y+xy'), plug in x=y=0x=y=0, find y′=−1y'=-1, and decide y′′=ddx{−1}=0y''=\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{-1\}=0. This is due to a slight sloppiness in the usual notation. When we wrote y′=1y'=1, what we meant is that at the point (0,0)(0,0), dydx=−1\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=-1. More properly written: dydx∣x=0, y=0=−1\left.\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right|_{x=0,~y=0}=-1. This is not the same as saying y′=1y'=1 everywhere (in which case, indeed, y′′y'' would be 0 everywhere).

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.14절 · 8번우리말 번역

시각 tt 에서 입자의 위치가 s(t)=ett2+1s(t) = \dfrac{e^t}{t^2+1} 로 주어진다고 하자. 시각 t=1t=1 에서 입자의 가속도를 구하세요.

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문제는 s′′(1)s''(1) 을 구하는 것이다. 몫의 미분법을 사용하여 미분을 시작한다.

s′(t)=et(t2+1)−et(2t)(t2+1)2=et(t2−2t+1)(t2+1)2몫의 미분법을 다시 사용하면,s′′(t)=(t2+1)2ddt{et(t2−2t+1)}−et(t2−2t+1)ddt{(t2+1)2}(t2+1)4=(t2+1)2⋅[et(2t−2)+et(t2−2t+1)]−et(t2−2t+1)⋅2(t2+1)(2t)(t2+1)4=et(t2+1)2(t2−1)−4tet(t−1)2(t2+1)(t2+1)4s′′(1)=0\begin{aligned} s'(t)&=\frac{e^t(t^2+1)-e^t(2t)}{(t^2+1)^2}\\ &=\frac{e^t(t^2-2t+1)}{(t^2+1)^2} \\ \text{몫의 미분법을 다시 사용하면,} \\ s''(t)&=\frac{(t^2+1)^2 \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{e^t(t^2-2t+1)\}-e^t(t^2-2t+1) \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\{(t^2+1)^2\}}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{(t^2+1)^2\cdot\left[ e^t(2t-2)+e^t(t^2-2t+1)\right]- e^t(t^2-2t+1) \cdot 2(t^2+1)(2t)}{(t^2+1)^4}\\ &=\frac{e^t(t^2+1)^2(t^2-1)-4te^t(t-1)^2(t^2+1)}{(t^2+1)^4}\\ s''(1)&=0 \end{aligned}

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