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 · 14번우리말 번역

함수 f(x)f(x) 가 (a,b)(a,b) 에서 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f′′(x)>0f''(x)>0 을 만족한다. 아래 곡선 중 y=f(x)y=f(x) 를 나타낼 수 있는 것은 어느 것인가요?

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영어 원문 보기

A function f(x)f(x) satisfies f′(x)<0f'(x)<0 and f′′(x)>0f''(x)>0 over (a,b)(a,b). Which of the following curves below might represent y=f(x)y=f(x)?

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정답·풀이 보기

f′(x)<0f'(x)<0 이므로 감소하는 함수여야 한다. 이는 (ii), (iii), (v)에만 해당한다. f′′(x)>0f''(x)>0 이므로 f′(x)f'(x) 가 증가한다. 즉 함수의 기울기가 증가해야 한다. (v)에서는 기울기가 상수이므로 f′′(x)=0f''(x)=0 이다. 따라서 (v)는 아니다. (iii)에서는 기울기가 감소한다. aa 근처에서는 곡선이 상당히 평평하지만(f′(x)f'(x) 가 0에 가깝다) bb 근처에서는 곡선이 매우 가파르게 감소하기(f′(x)f'(x) 가 절댓값이 큰 음수이다) 때문이다. 따라서 (iii)은 이계도함수가 음수이다. 반면 (ii)에서는 곡선이 가파르게 감소하며(f′(x)f'(x) 가 절댓값이 큰 음수이다) 시작하여 점점 더 평평해지므로(f′(x)f'(x) 가 0에 가까워진다) f′(x)f'(x) 는 증가한다. 다시 말해 f′′(x)>0f''(x)>0 이다. 따라서 f′(x)<0f'(x)<0 이고 f′′(x)>0f''(x)>0 인 곡선은 (ii)뿐이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since f′(x)<0f'(x)<0, we need a decreasing function. This only applies to (ii), (iii), and (v). Since f′′(x)>0f''(x)>0, that means f′(x)f'(x) is increasing, so the slope of the function must be increasing. In (v), the slope is constant, so f′′(x)=0f''(x)=0–therefore, it's not (v). In (iii), the slope is decreasing, because near aa the curve is quite flat (f′(x)f'(x) near zero) but near bb the curve is very steeply decreasing (f′(x)f'(x) is a large negative number), so (iii) has a negative second derivative. By contrast, in (ii), the line starts out as steeply decreasing (f′(x)f'(x) is a strongly negative number) and becomes flatter and flatter (f′(x)f'(x) nears 0), so f′(x)f'(x) is increasing–in other words, f′′(x)>0f''(x)>0. So, (ii) is the only curve that has f′(x)<0f'(x)<0 and f′′(x)>0f''(x)>0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.14절 · 15번우리말 번역

f(x)=2xf(x)=2^{x}이라 하자. nn이 0 이상의 정수일 때, f(n)(x)f^{(n)}(x)를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

규칙을 찾기 위해 몇 번 미분한다.

ddx{2x}=2xlog⁡2d2dx2{2x}=2xlog⁡2⋅log⁡2=2x(log⁡2)2d3dx3{2x}=2x(log⁡2)2⋅log⁡2=2x(log⁡2)3미분할 때마다 원래 함수에 log⁡2가 한 번씩 더 곱해진다. 따라서 n계 도함수는 다음과 같다:dndxn{2x}=2x(log⁡2)n\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\}&=2^x\log 2\\ \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\{2^x\}&=2^x\log2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^2\\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{x}^3}\{2^x\}&=2^x(\log2)^2 \cdot \log 2 = 2^x(\log2)^3 \\ \text{미분할 때마다 원래 함수에 $\log 2$가 한 번씩 더 곱해진다. 따라서 $n$계 도함수는 다음과 같다:} \\ \frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}{x}^n}\{2^x\}&=2^x(\log2)^n \end{aligned}

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