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 · 27번우리말 번역

f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. 라 하자. f′(0)f'(0) 을 구하거나, 존재하지 않음을 보이세요.

영어 원문 보기

Let f(x)={sin⁡xx,x≠01,x=0f(x)=\left\{\begin{array}{ccc} \frac{\sin x}{x}&,&x \neq 0\\ 1&,&x=0 \end{array}\right. Find f′(0)f'(0), or show that it does not exist.

정답·풀이 보기

먼저, 이 함수는 연속이다. 왜냐하면 lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) 이기 때문이다. 이것은 확인해 두면 유용하다. 만약 함수가 x=0x=0 에서 불연속이라면 그 점에서 미분가능하지 않다는 것을 바로 알 수 있기 때문이다.

이제 미분계수를 구하자. 극한을 이용한 정의를 사용할 수 있다.

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h 극한이 존재하면=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ 극한이 존재하면}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

hh 가 0에 가까워지면 분자와 분모가 모두 0에 가까워진다. 따라서 이 극한의 값을 구하려면 더 많은 작업이 필요하다. 이용할 수 있는 핵심 아이디어는 교재에서 사인 함수의 도함수를 구할 때 보인 결과이다. hh 가 0에 가까울 때 cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1 이다. 이를 이용해 극한을 위아래로 묶고, 조임 정리를 적용한다.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1따라서, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{따라서, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

이고 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) 은 00 과 cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 사이에 있다. cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h} 의 극한은 미분계수의 정의와 닮았음에 주목하면 구할 수 있다.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

따라서 조임 정리에 의해 f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that our function is continuous, because lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0sin⁡xx=1=f(0)\lim_{x \to 0} f(x)=\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x}=1=f(0) This is a handy thing to check: if the function were discontinuous at x=0x=0, then we would automatically know that it was not differentiable there.

Now, on to the derivative. We can use the limit definition:

f′(0)=lim⁡h→0f(0+h)−f(0)h if it exists=lim⁡h→0f(h)−1h=lim⁡h→0sin⁡hh−1h\begin{aligned} f'(0)&=\lim_{h \to 0}\frac{f(0+h)-f(0)}{h}\qquad\text{ if it exists}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{f(h)-1}{h}\\ &=\lim_{h \to 0} \frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h} \end{aligned}

As hh approaches 0, both the numerator and the denominator approach 0. So, to evaluate the limit, we need to do more work. The key insight we can use is a result that was shown in the text while evaluating the derivative of sine. When hh is close to 0, cos⁡h≤sin⁡hh≤1\cos h \leq \frac{\sin h}{h} \leq 1. We use this to bound our limit, and then apply the squeeze theorem.

cos⁡h≤sin⁡hh≤1So, cos⁡h−1≤sin⁡hh−1≤1−1=0\begin{aligned} &\cos h&&\leq&&\frac{\sin h}{h}&&\leq&&1\\ \text{So, }\qquad&\cos h-1&&\leq&&\frac{\sin h}{h}-1&&\leq&& 1-1=0 \end{aligned}

and 1h(sin⁡hh−1)\frac{1}{h}\left(\frac{\sin h}{h}-1\right) is between 00 and cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}. We can evaluate the limit of cos⁡h−1h\frac{\cos h-1}{h}, by noticing its similarity to the definition of the derivative.

lim⁡h→0cos⁡h−1h=lim⁡h→0cos⁡(0+h)−cos⁡(0)h=ddx{cos⁡x}∣x=0=0\begin{aligned} \lim_{h \to 0}\frac{\cos h-1}{h}&=\lim_{h \to 0}\frac{\cos(0+h)-\cos(0)}{h}\\ &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left.\left\{\cos x \right\}\right|_{x=0}=0 \end{aligned}

So, by the Squeeze Theorem, f′(0)=lim⁡h→0sin⁡hh−1h=0f'(0) =\displaystyle \lim_{h \to 0}\frac{\frac{\sin h}{h}-1}{h}=0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 2.8절 · 4번우리말 번역

함수 f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(x)=\sin x + \cos x 가 수평인 접선을 갖는 xx 의 값은 무엇인가요?

다 풀었으면 정답 확인

f′(x)=cos⁡x−sin⁡xf'(x)=\cos x - \sin x 이므로 f′(x)=0f'(x)=0 인 것은 sin⁡x=cos⁡x\sin x = \cos x 일 때와 정확히 같다. 이는 π/4\pi/4 에서 성립하며, 5π/45\pi/4 에서도 성립한다. 단위원을 살펴보면, 어떤 정수 nn 에 대해 x=π4+πnx = \frac{\pi}{4}+\pi n 일 때마다 sin⁡x=cos⁡x\sin x = \cos x 임이 분명하다.

그림

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