문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

도함수의 뜻

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

CLP-1 · 2.2절 · 22번우리말 번역

다음 함수의 x=1x=1 에서의 미분계수가 존재하는지 판단하세요.

f(x)={4x2−8x+4(x≤1 일 때)(x−1)2sin⁡(1x−1)(x>1 일 때)\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} 4x^2-8x+4 & \text{(}x\le 1\text{ 일 때)}\\ (x-1)^2\sin\left(\dfrac{1}{x-1}\right) & \text{(}x> 1\text{ 일 때)}\end{cases} \end{aligned}

미분계수의 정의를 이용하여 답을 정당화해야 합니다.

영어 원문 보기

Determine whether the derivative of the following function exists at x=1x=1

f(x)={4x2−8x+4 if x≤1(x−1)2sin⁡(1x−1) if x>1\begin{aligned} f(x) &=\begin{cases} 4x^2-8x+4 & \text{ if } x\le 1\\ (x-1)^2\sin\left(\dfrac{1}{x-1}\right) & \text{ if } x> 1 \end{cases} \end{aligned}

You must justify your answer using the definition of a derivative.

정답·풀이 보기

다음 극한이 lim⁡x→1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1f(x)−0x−1=lim⁡x→1f(x)x−1\lim_{x\to 1}\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x\to 1}\frac{f(x)-0}{x-1}=\lim_{x\to 1} \frac{f(x)}{x-1} 존재하면 함수는 x=1x=1 에서 미분가능하다(점 x=0x=0 을 포함하는 첫 번째 식의 정의에 따라 f(1)=0f(1)=0 임을 이용했음에 유의한다). 좌극한과 우극한을 각각 계산하면 lim⁡x→1−f(x)x−1=lim⁡x→1−4x2−8x+4x−1=lim⁡x→1−4(x−1)2x−1=lim⁡x→1−4(x−1)=0\lim_{x\to 1^-}\frac{f(x)}{x-1}=\lim_{x\to 1^-}\frac{4x^2-8x+4}{x-1}=\lim_{x\rightarrow 1^-}\frac{4(x-1)^2}{x-1} =\lim_{x\to 1^-} 4(x-1)=0 이고 lim⁡x→1+(x−1)2sin⁡(1x−1)x−1=lim⁡x→1+(x−1)⋅sin⁡(1x−1)\lim_{x\to 1^+}\frac{(x-1)^2\sin\left(\frac{1}{x-1}\right)}{x-1}=\lim_{x\to 1^+}(x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right) 이다. 이 마지막 극한은 조임 정리에 의해 00 이다. 왜냐하면 −1≤sin⁡(1x−1)≤1-1\le \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le 1 이므로 −(x−1)≤(x−1)⋅sin⁡(1x−1)≤x−1-(x-1)\le (x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le x-1 이고, 이 부등식에서 x→1+x\to 1^+ 이면 x−1x-1 이 양의 값을 가진다는 사실을 이용했기 때문이다. 마지막으로 lim⁡x→1+−x+1=lim⁡x→1+x−1=0\lim_{x\to 1^+}-x+1=\lim_{x\to 1^+}x-1=0 이므로, 조임 정리에 의해 lim⁡x→1+(x−1)sin⁡(1x−1)=0\lim_{x\to 1^+}(x-1)\sin\left(\frac{1}{x-1}\right) =0 이기도 하다.

좌극한과 우극한이 서로 같으므로(둘 다 00 이다), f(x)f(x) 는 x=1x=1 에서 미분가능하다고 결론짓는다(그리고 x=1x=1 에서의 미분계수는 실제로 00 이다).

원본 교재 풀이(영어)

The function is differentiable at x=1x=1 if the following limit: lim⁡x→1f(x)−f(1)x−1=lim⁡x→1f(x)−0x−1=lim⁡x→1f(x)x−1\lim_{x\to 1}\frac{f(x)-f(1)}{x-1} = \lim_{x\to 1}\frac{f(x)-0}{x-1}=\lim_{x\to 1} \frac{f(x)}{x-1} exists (note that we used the fact that f(1)=0f(1)=0 as per the definition of the first branch which includes the point x=0x=0). We compute left and right limits; so lim⁡x→1−f(x)x−1=lim⁡x→1−4x2−8x+4x−1=lim⁡x→1−4(x−1)2x−1=lim⁡x→1−4(x−1)=0\lim_{x\to 1^-}\frac{f(x)}{x-1}=\lim_{x\to 1^-}\frac{4x^2-8x+4}{x-1}=\lim_{x\rightarrow 1^-}\frac{4(x-1)^2}{x-1} =\lim_{x\to 1^-} 4(x-1)=0 and lim⁡x→1+(x−1)2sin⁡(1x−1)x−1=lim⁡x→1+(x−1)⋅sin⁡(1x−1).\lim_{x\to 1^+}\frac{(x-1)^2\sin\left(\frac{1}{x-1}\right)}{x-1}=\lim_{x\to 1^+}(x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right). This last limit equals 00 by the Squeeze Theorem since −1≤sin⁡(1x−1)≤1-1\le \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le 1 and so, −(x−1)≤(x−1)⋅sin⁡(1x−1)≤x−1,-(x-1)\le (x-1)\cdot \sin\left(\frac{1}{x-1}\right)\le x-1, where in these inequalities we used the fact that x→1+x\to 1^+ yields positive values for x−1x-1. Finally, since lim⁡x→1+−x+1=lim⁡x→1+x−1=0\lim_{x\to 1^+}-x+1=\lim_{x\to 1^+}x-1=0, the Squeeze Theorem yields that also lim⁡x→1+(x−1)sin⁡(1x−1)=0\lim_{x\to 1^+}(x-1)\sin\left(\frac{1}{x-1}\right) =0, as claimed.

Since the left and right limits match (they're both equal to 00), we conclude that indeed f(x)f(x) is differentiable at x=1x=1 (and its derivative at x=1x=1 is actually equal to 00).

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.2절 · 23번우리말 번역

f′(0)=−1f'(0)=-1 이고 다음 값을 갖는 함수 f(x)f(x) 의 그래프를 그리세요.

x−1−12−14−1801814121f(x)−1−12−14−1801814121\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}\hline \mathbf{x} & -1 & -\frac{1^{ }}{2_{ }} & -\frac{1}{4} & -\frac{1}{8} & 0 & \frac{1}{8} & \frac{1}{4} & \frac{1}{2} & 1 \\ \hline \mathbf{f(x)} & -1 & -\frac{1^{ }}{2_{ }} & -\frac{1}{4} & -\frac{1}{8} & 0 & \frac{1}{8} & \frac{1}{4} & \frac{1}{2} & 1 \\ \hline \end{array}

참고: 점들이 뚜렷한 규칙을 이루는 것처럼 보이더라도, 점들만으로 함수의 모양을 항상 짐작할 수 있는 것은 아니다.

다 풀었으면 정답 확인

가능한 답은 여러 가지이며, 여기서는 그중 하나를 보인다.

그림

핵심은 주어진 몇 개의 점이 어떤 규칙을 암시하기는 하지만 그 규칙을 보장하지는 않는다는 것을 깨닫는 것이다. 알고 있는 점은 아홉 개뿐이며, 그 사이에서는 어떤 일이든 일어날 수 있다.

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