문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 미분법

삼각함수의 미분

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

CLP-1 · 2.8절 · 14번우리말 번역

다음 함수

f(x)={cos⁡(x)x≤0ax+bx>0f(x) = \left\{ \begin{array}{cc} \cos(x) & x\le 0\\ ax + b & x> 0\end{array} \right. 가 모든 점에서 미분가능하도록 하는 상수 aa와 bb의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the values of the constants aa and bb for which f(x)={cos⁡(x)x≤0ax+bx>0f(x) = \left\{ \begin{array}{cc} \cos(x) & x\le 0\\ ax + b & x> 0\end{array} \right. is differentiable everywhere.

정답·풀이 보기

ff 가 x=0x=0 에서 미분가능하려면 x=0x=0 에서 연속이기도 해야 한다. 따라서 lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0+f(x)=f(0)또는lim⁡x→0−cos⁡(x)=lim⁡x→0+(ax+b)=1\lim_{x\to 0^-}f(x) = \lim_{x\to 0^+}f(x) =f(0)\qquad\text{또는}\qquad \lim_{x\to 0^-}\cos(x) = \lim_{x\to 0^+}(ax+b) =1 이고, 즉 b=1b=1 이다. ff 가 x=0x=0 에서 미분가능하려면 극한 lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h\lim_{h\to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} 가 존재해야 한다. 이는 두 한쪽 극한

lim⁡h→0−f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0−cos⁡(h)−cos⁡(0)h그리고lim⁡h→0+f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0+(ah+b)−cos⁡(0)h=ab=1이므로가 존재하고 서로 같을 때, 그리고 그때에 한해 성립한다. cos⁡(x) 는 x=0 에서 미분가능하므로lim⁡h→0−cos⁡(h)−cos⁡(0)h=ddxcos⁡(x)∣x=0=−sin⁡(x)∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h\to 0^-}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} &=\lim_{h\to 0^-}\frac{\cos(h)-\cos(0)}{h} \\ \text{그리고} \\ \lim_{h\to 0^+}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} &=\lim_{h\to 0^+}\frac{(ah+b)-\cos(0)}{h} =a\qquad\text{$b=1$이므로} \\ \text{가 존재하고 서로 같을 때, 그리고 그때에 한해 성립한다. $\cos(x)$ 는 $x=0$ 에서 미분가능하므로} \\ \lim_{h\to 0^-}\frac{\cos(h)-\cos(0)}{h} &= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\cos(x)\bigg|_{x=0} = -\sin(x)\Big|_{x=0}=0 \end{aligned}

따라서 a=0a=0, b=1b=1 이어야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

In order for ff to be differentiable at x=0x=0, it must also be continuous at x=0x=0. This forces lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0+f(x)=f(0)orlim⁡x→0−cos⁡(x)=lim⁡x→0+(ax+b)=1\lim_{x\to 0^-}f(x) = \lim_{x\to 0^+}f(x) =f(0)\qquad\text{or}\qquad \lim_{x\to 0^-}\cos(x) = \lim_{x\to 0^+}(ax+b) =1 or b=1b=1. In order for ff to be differentiable at x=0x=0, we need the limit lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h\lim_{h\to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} to exist. This is the case if and only if the two one–sided limits

lim⁡h→0−f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0−cos⁡(h)−cos⁡(0)handlim⁡h→0+f(0+h)−f(0)h=lim⁡h→0+(ah+b)−cos⁡(0)h=asince b=1exist and are equal. Because cos⁡(x) is differentiable at x=0 we havelim⁡h→0−cos⁡(h)−cos⁡(0)h=ddxcos⁡(x)∣x=0=−sin⁡(x)∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h\to 0^-}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} &=\lim_{h\to 0^-}\frac{\cos(h)-\cos(0)}{h} \\ \text{and} \\ \lim_{h\to 0^+}\frac{f(0+h)-f(0)}{h} &=\lim_{h\to 0^+}\frac{(ah+b)-\cos(0)}{h} =a\qquad\text{since $b=1$} \\ \text{exist and are equal. Because $\cos(x)$ is differentiable at $x=0$ we have} \\ \lim_{h\to 0^-}\frac{\cos(h)-\cos(0)}{h} &= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\cos(x)\bigg|_{x=0} = -\sin(x)\Big|_{x=0}=0 \end{aligned}

So, we need a=0a=0 and b=1b=1.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.8절 · 17번우리말 번역

lim⁡x→π/3(cos⁡(x)−1/2x−π/3)\displaystyle \lim_{x\to \pi/3}\left( \dfrac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3}\right) 의 값을 구하세요.

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이 극한은 함수 f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 의 x=π/3x=\pi/3 에서의 미분계수를 나타낸다. 이는 f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 일 때 a=π/3a=\pi/3 에서의 미분계수의 정의를 이용하면 알 수 있다:

ddx{f(x)}∣a=lim⁡x→af(x)−f(a)x−addx{cos⁡x}∣π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−cos⁡(π/3)x−π/3=lim⁡x→π/3cos⁡(x)−1/2x−π/3\begin{aligned} \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{f(x)\}\right|_{a} &= \lim_{x \to a}\frac{f(x)-f(a)}{x-a}\\ \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{\cos x\}\right|_{\pi/3} &= \lim_{x\to\pi/3}\frac{\cos(x)-\cos(\pi/3)}{x-\pi/3}\\ &=\lim_{x\to\pi/3} \frac{\cos(x)-1/2}{x-\pi/3} \end{aligned}

f(x)f(x) 의 도함수가 −sin⁡x-\sin x 이므로, x=π/3x=\pi/3 에서의 값은 정확히 −sin⁡(π/3)=−3/2-\sin(\pi/3)=-\sqrt{3}/2 이다.

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# 삼각함수의 미분계산보통자동 분류

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