문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

지수함수와 로그함수의 미분

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

CLP-1 · 2.7절 · 14번우리말 번역

다음 함수가 미분가능하도록 상수 aa, bb 를 구하세요: f(x)={ax2+bx≤1exx>1f(x) =\left\{\begin{array}{ll} ax^2 + b & x \le 1\\ e^x & x > 1\end{array}\right.

영어 원문 보기

Find constants aa, bb so that the following function is differentiable: f(x)={ax2+bx≤1exx>1f(x) =\left\{\begin{array}{ll} ax^2 + b & x \le 1\\ e^x & x > 1\end{array}\right.

정답·풀이 보기

범위를 따로 정하지 않고 함수가 미분가능하다고 말할 때는 그 함수가 정의역 전체에서 미분가능하다는 뜻이다. 함수 f(x)f(x) 는 aa, bb 의 값에 관계없이 x≠1x \neq 1 에서 미분가능하다. 따라서 x=1x=1 에서도 미분가능하게 만드는 상수가 무엇인지만 찾으면 된다.

미분가능하려면 함수는 연속이어야 한다. 연속의 정의에 따르면 ff 가 x=1x=1 에서 연속이려면 lim⁡x→1f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x \to 1}f(x)=f(1) 이어야 한다. ff 의 정의로부터 f(1)=a+b=lim⁡x→1−f(x)f(1)=a+b=\displaystyle \lim_{x \to 1^-}f(x) 이므로 lim⁡x→1+f(x)=a+b\displaystyle \lim_{x\to 1^+}f(x)=a+b 이어야 한다. lim⁡x→1+f(x)=e1=e\displaystyle \lim_{x \to 1^+}f(x)=e^1=e 이므로 구체적으로 다음이 필요하다. e=a+b.e=a+b.

이제 x=1x=1 에서 ff 의 미분가능성을 생각하자. 다음 극한이 존재해야 한다:

lim⁡h→0f(1+h)−f(1)h특히 좌극한과 우극한이 모두 존재하고 서로 같아야 한다:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+f(1+h)−f(1)hh<0 이면 1+h<1 이므로 f(1+h)=a(1+h)2+b 이다. h>0 이면 1+h>1 이므로 f(1+h)=e1+h 이다. 이를 염두에 두고 좌극한과 우극한을 계산하기 시작한다:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0−[a(1+h)2+b]−[a+b]h=lim⁡h→0−ah2+2ahh=2alim⁡h→0+f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+e1+h−(a+b)h연속이 되도록 a+b 를 e 와 같다고 놓으면:=lim⁡h→0+e1+h−e1h=ddx{ex}∣x=1=e1=e\begin{aligned} \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h}& \\ \text{특히 좌극한과 우극한이 모두 존재하고 서로 같아야 한다:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ \text{$h<0$ 이면 $1+h<1$ 이므로 $f(1+h)=a(1+h)^2+b$ 이다. $h>0$ 이면 $1+h>1$ 이므로 $f(1+h)=e^{1+h}$ 이다. 이를 염두에 두고 좌극한과 우극한을 계산하기 시작한다:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^-}\frac{[a(1+h)^2+b]-[a+b]}{h}\\ &=\lim_{h \to 0^-}\frac{ah^2+2ah}{h}=2a\\ \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-(a+b)}{h} \\ \text{연속이 되도록 $a+b$ 를 $e$ 와 같다고 놓으면:} \\ &= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-e^1}{h}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^x\}\right|_{x=1}=e^1=e \end{aligned}

따라서 다음도 필요하다. 2a=e2a= e

그러므로 ff 가 미분가능하도록 하는 aa, bb 의 값은 a=b=e2a=b=\dfrac{e}{2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

When we say a function is differentiable without specifying a range, we mean that it is differentiable over its domain. The function f(x)f(x) is differentiable when x≠1x \neq 1 for any values of aa and bb; it is up to us to figure out which constants make it differentiable when x=1x=1.

In order to be differentiable, a function must be continuous. The definition of continuity tells us that, for ff to be continuous at x=1x=1, we need lim⁡x→1f(x)=f(1)\displaystyle \lim_{x \to 1}f(x)=f(1). From the definition of ff, we see f(1)=a+b=lim⁡x→1−f(x)f(1)=a+b=\displaystyle \lim_{x \to 1^-}f(x), so we need lim⁡x→1+f(x)=a+b\displaystyle \lim_{x\to 1^+}f(x)=a+b. Since lim⁡x→1+f(x)=e1=e\displaystyle \lim_{x \to 1^+}f(x)=e^1=e, we specifically need e=a+b.e=a+b.

Now, let's consider differentiability of ff at x=1x=1. We need the following limit to exist:

lim⁡h→0f(1+h)−f(1)hIn particular, we need the one-sided limits to exist and be equal:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+f(1+h)−f(1)hIf h<0, then 1+h<1, so f(1+h)=a(1+h)2+b. If h>0, then 1+h>1, so f(1+h)=e1+h. With this in mind, we begin to evaluate the one-sided limits:lim⁡h→0−f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0−[a(1+h)2+b]−[a+b]h=lim⁡h→0−ah2+2ahh=2alim⁡h→0+f(1+h)−f(1)h=lim⁡h→0+e1+h−(a+b)hSince we take a+b to be equal to e (to ensure continuity):=lim⁡h→0+e1+h−e1h=ddx{ex}∣x=1=e1=e\begin{aligned} \lim_{h \to 0} \frac{f(1+h)-f(1)}{h}& \\ \text{In particular, we need the one-sided limits to exist and be equal:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h} \\ \text{If $h<0$, then $1+h<1$, so $f(1+h)=a(1+h)^2+b$. If $h>0$, then $1+h>1$, so $f(1+h)=e^{1+h}$. With this in mind, we begin to evaluate the one-sided limits:} \\ \lim_{h \to 0^-}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^-}\frac{[a(1+h)^2+b]-[a+b]}{h}\\ &=\lim_{h \to 0^-}\frac{ah^2+2ah}{h}=2a\\ \lim_{h \to 0^+}\frac{f(1+h)-f(1)}{h}&= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-(a+b)}{h} \\ \text{Since we take $a+b$ to be equal to $e$ (to ensure continuity):} \\ &= \lim_{h \to 0^+}\frac{e^{1+h}-e^1}{h}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^x\}\right|_{x=1}=e^1=e \end{aligned}

So, we also need 2a=e2a= e

Therefore, the values of aa and bb that make ff differentiable are a=b=e2a=b=\dfrac{e}{2}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.7절 · 9번우리말 번역

e−xe^{-x} 을 미분하세요.

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e−x=1exUsing the rule for differentiating the reciprocal:ddx{e−x}=−ex(ex)2=−1ex=−e−x\begin{aligned}e^{-x}&=\frac{1}{e^x} \\ \text{Using the rule for differentiating the reciprocal:} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{e^{-x}\}&=\frac{-e^x}{(e^x)^2}=\frac{-1}{e^x}=-e^{-x} \end{aligned}

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