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 · 13번우리말 번역

아래 문장 중 참인 것과 거짓인 것을 각각 구분하세요.

(a) d4dx4sin⁡x=sin⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \sin x = \sin x (b) d4dx4cos⁡x=cos⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \cos x = \cos x (c) d4dx4tan⁡x=tan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x = \tan x

영어 원문 보기

Which statements below are true, and which false?

(a) d4dx4sin⁡x=sin⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \sin x = \sin x (b) d4dx4cos⁡x=cos⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \cos x = \cos x (c) d4dx4tan⁡x=tan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x = \tan x

정답·풀이 보기

(a)와 (b)에 대해 다음을 살펴보자.

ddxsin⁡x=cos⁡xddxcos⁡x=−sin⁡xddx{−sin⁡x}=−cos⁡xddx{−cos⁡x}=sin⁡xddxsin⁡x=cos⁡xsin⁡x 의 4계도함수는 sin⁡x 이고, cos⁡x 의 4계도함수는 cos⁡x 이므로 (a)와 (b)는 참이다.ddxtan⁡x=sec⁡2xddxsec⁡2x=2sec⁡x(sec⁡xtan⁡x)=2sec⁡2xtan⁡xddx{2sec⁡2xtan⁡x}=(4sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡x+2sec⁡2xsec⁡2x=4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4xddx{4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4x}=(8sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡2x+4sec⁡2x(2tan⁡x⋅sec⁡2x)+8sec⁡3x⋅sec⁡xtan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \cos x &= -\sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\sin x\} &= -\cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\cos x\} &= \sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x \\ \text{$\sin x$ 의 4계도함수는 $\sin x$ 이고, $\cos x$ 의 4계도함수는 $\cos x$ 이므로 (a)와 (b)는 참이다.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\tan x &=\sec^2 x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sec^2 x &=2\sec x (\sec x \tan x)=2\sec^2x\tan x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sec^2x\tan x\}&=(4\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan x+2\sec^2x\sec^2x\\ &=4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\}&=(8\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan^2x+4\sec^2x(2\tan x \cdot\sec^2x)\\&\quad+8\sec^3x\cdot\sec x \tan x\\ &=8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x \end{aligned}

따라서 d4dx4tan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x =8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x 이다. 이것은 분명히 tan⁡x\tan x 와 같지 않아 보이지만, 삼각함수의 항등식이 때로는 착각을 일으킬 수 있음을 기억해야 한다. 예를 들어 tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2x+1=\sec^2x 등이 있다. 따라서 두 함수가 같지 않음을 확실히 하려면, 한쪽의 값이 다른 쪽의 값과 달라지는 xx 의 값을 찾아야 한다. x=π4x=\frac{\pi}{4} 일 때: 8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80≠1=tan⁡x.8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x = 8\left({\sqrt{2}}\right)^2(1)^3+16\left({\sqrt{2}}\right)^4(1)=80\neq 1=\tan x. 그러므로 (c)는 거짓이다.

원본 교재 풀이(영어)

For (a) and (b), notice the following:

ddxsin⁡x=cos⁡xddxcos⁡x=−sin⁡xddx{−sin⁡x}=−cos⁡xddx{−cos⁡x}=sin⁡xddxsin⁡x=cos⁡xThe fourth derivative is sin⁡x is sin⁡x, and the fourth derivative of cos⁡x is cos⁡x, so (a) and (b) are true.ddxtan⁡x=sec⁡2xddxsec⁡2x=2sec⁡x(sec⁡xtan⁡x)=2sec⁡2xtan⁡xddx{2sec⁡2xtan⁡x}=(4sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡x+2sec⁡2xsec⁡2x=4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4xddx{4sec⁡2xtan⁡2x+2sec⁡4x}=(8sec⁡x⋅sec⁡xtan⁡x)tan⁡2x+4sec⁡2x(2tan⁡x⋅sec⁡2x)+8sec⁡3x⋅sec⁡xtan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \cos x &= -\sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\sin x\} &= -\cos x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \{-\cos x\} &= \sin x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sin x &= \cos x \\ \text{The fourth derivative is $\sin x$ is $\sin x$, and the fourth derivative of $\cos x$ is $\cos x$, so (a) and (b) are true.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\tan x &=\sec^2 x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sec^2 x &=2\sec x (\sec x \tan x)=2\sec^2x\tan x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2\sec^2x\tan x\}&=(4\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan x+2\sec^2x\sec^2x\\ &=4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{4\sec^2x\tan^2x+2\sec^4x\}&=(8\sec x \cdot \sec x \tan x)\tan^2x+4\sec^2x(2\tan x \cdot\sec^2x)\\&\quad+8\sec^3x\cdot\sec x \tan x\\ &=8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x \end{aligned}

So, d4dx4tan⁡x=8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x\displaystyle \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{x}^4} \tan x =8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x. It certainly seems like this is not the same as tan⁡x\tan x, but remember that sometimes trig identities can fool you: tan⁡2x+1=sec⁡2x\tan^2x+1=\sec^2x, and so on. So, to be absolutely sure that these are not equal, we need to find a value of xx so that the output of one is not the same as the output of the other. When x=π4x=\frac{\pi}{4}: 8sec⁡2xtan⁡3x+16sec⁡4xtan⁡x=8(2)2(1)3+16(2)4(1)=80≠1=tan⁡x.8\sec^2x\tan^3x+16\sec^4x\tan x = 8\left({\sqrt{2}}\right)^2(1)^3+16\left({\sqrt{2}}\right)^4(1)=80\neq 1=\tan x. So, (c) is false.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.14절 · 10번우리말 번역

시각 tt 초에서 입자의 높이가 h(t)=−cos⁡th(t)=-\cos t 로 주어진다. t=1t=1 에서 입자는 빨라지고 있는지 느려지고 있는지 판단하세요.

다 풀었으면 정답 확인

입자의 속도는 h′(t)=sin⁡th'(t)=\sin t 로 주어진다. 0<1<π0<1<\pi 이므로 h′(1)>0h'(1)>0 이다. 즉, 입자는 올라가고 있다(양의 방향, 여기서는 “위쪽"으로 움직이고 있다). 입자의 가속도는 h′′(t)=cos⁡th''(t)=\cos t 이다. 0<1<π20<1<\frac{\pi}{2} 이므로 h′′(t)>0h''(t)>0 이고, 따라서 h′(t)h'(t) 는 증가한다. 즉, 입자는 위쪽으로 움직이고 있고, 그 속도가 점점 커지고 있다. 따라서 입자는 빨라지고 있다.

이 문제로 이어서 풀기
# 이계도함수와 오목·볼록계산보통자동 분류

「이계도함수와 오목·볼록」 문제 목록으로