문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

함수의 그래프 그리기

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

CLP-1 · 3.6절 · 13번우리말 번역

(a) 함수 y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x 의 그래프를 그리세요. 이때 점근선, 극댓값과 극솟값, 변곡점, 그리고 그래프가 아래로 볼록인 구간과 위로 볼록인 구간을 나타내세요. (b) 함수 f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k 를 생각하세요. 여기서 kk 는 상수이고 −∞<k<∞-\infty<k<\infty 입니다. 이 함수는 몇 개의 근을 갖는지 구하세요. (답은 kk 의 값에 따라 달라질 수 있습니다.)

영어 원문 보기

(a) Sketch the graph of y=f(x)=x5−xy=f(x)=x^5-x, indicating asymptotes, local maxima and minima, inflection points, and where the graph is concave up/concave down. (b) Consider the function f(x)=x5−x+kf(x)=x^5-x+k, where kk is a constant, −∞<k<∞-\infty<k<\infty. How many roots does the function have? (Your answer might depend on the value of kk.)

정답·풀이 보기

(a) 먼저 미분한다. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad 함수와 그 도함수로부터 다음을 알 수 있다.

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)>0f'(x)> 0 (즉, ff 는 증가)
  • x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67 에서 f′(x)=0f'(x)=0 (즉, ff 는 임계점을 가짐)
  • ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 f′(x)<0f'(x)< 0 (즉, ff 는 감소)
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

이로부터 그래프의 대략적인 모양을 처음으로 짐작할 수 있다.

그림

이 뼈대를 이계도함수의 정보를 이용해 다듬는다.

  • x>0x> 0 에서 f′′(x)>0f''(x)> 0 (즉, ff 는 아래로 볼록),
  • x=0x=0 에서 f′′(x)=0f''(x)=0 (즉, ff 는 변곡점을 가짐),
  • x<0x<0 에서 f′′(x)<0f''(x)< 0 (즉, ff 는 위로 볼록)

따라서

  • ff 는 점근선이 없다
  • ff 는 x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극대이고 x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 에서 극소이다
  • ff 는 x=0x=0 에서 변곡점을 갖는다
  • ff 는 x<0x<0 에서 위로 볼록이고 x>0x>0 에서 아래로 볼록이다

그림

(b) 함수 x5−x+kx^5-x+k 가 x=x0x=x_0 에서 근을 가질 필요충분조건은 x=x0x=x_0 에서 x5−x=−kx^5-x=-k 인 것이다. 따라서 x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 곡선 y=x5−xy=x^5-x 가 수평선 y=−ky=-k 와 만나는 횟수와 같다. x5−xx^5-x 의 극댓값(x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이고, x5−xx^5-x 의 극솟값(x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} 일 때)은 −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 이다. 따라서 위의 x5−xx^5-x 의 그래프를 보면, x5−x+kx^5-x+k 의 서로 다른 실근의 개수는 다음과 같다.

  • ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 1
  • ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 2
  • ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}} 일 때 3
원본 교재 풀이(영어)

(a) First, we differentiate. f(x)=x5−xf′(x)=5x4−1f′′(x)=20x3f(x) = x^5-x\qquad f'(x)=5x^4-1\qquad f''(x)=20x^3\qquad The function and its first derivative tells us the following:

  • lim⁡x→∞f(x)=∞\displaystyle \lim_{x \to \infty} f(x)=\infty, lim⁡x→−∞f(x)=−∞\displaystyle \lim_{x \to -\infty} f(x)=-\infty
  • f′(x)>0f'(x)> 0 (i.e. ff is increasing) for ∣x∣>154|x|> \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f′(x)=0f'(x)=0 (i.e. ff has critical points) for x=±154≈±0.67x= \pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} \approx \pm 0.67
  • f′(x)<0f'(x)< 0 (i.e. ff is decreasing) for ∣x∣<154|x| < \dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • f(±154)=∓4554≈∓0.53f\left(\pm\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}\right)=\mp\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}\approx\mp0.53

This gives us a first idea of the shape of the graph.

figure

We refine this skeleton using information from the second derivative.

  • f′′(x)>0f''(x)> 0 (i.e. ff is concave up) for x>0x> 0,
  • f′′(x)=0f''(x)=0 (i.e. ff has an inflection point) for x=0x=0, and
  • f′′(x)<0f''(x)< 0 (i.e. ff is concave down) for x<0x<0

Thus

  • ff has no asymptotes
  • ff has a local maximum at x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}} and a local minimum at x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}
  • ff has an inflection point at x=0x=0
  • ff is concave down for x<0x<0 and concave up for x>0x>0

figure

(b) The function x5−x+kx^5-x+k has a root at x=x0x=x_0 if and only if x5−x=−kx^5-x=-k at x=x0x=x_0. So the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is the number of times the curve y=x5−xy=x^5-x crosses the horizontal line y=−ky=-k. The local maximum of x5−xx^5-x (when x=−154x=-\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is 4554\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}, and the local minimum of x5−xx^5-x (when x=154x=\dfrac{1}{\sqrt[4]{5}}) is −4554-\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}. So, looking at the graph of x5−xx^5-x above, we see that the number of distinct real roots of x5−x+kx^5-x+k is

  • 1 when ∣k∣>4554|k|>\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 2 when ∣k∣=4554|k|=\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}
  • 3 when ∣k∣<4554|k|<\dfrac{4}{5\sqrt[4]{5}}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.6절 · 10번우리말 번역

f(x)=tan⁡(3x)+sin⁡(4x)f(x)=\tan\left(3 x\right)+\sin\left(4 x\right) f(x)f(x) 의 주기를 구하세요.

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g(x)=tan⁡(3x)g(x)=\tan(3x) 와 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 를 따로 생각해 보자. 탄젠트의 주기는 π\pi 임을 떠올리자.

tan⁡X=tan⁡(X+π)tan⁡X 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 3x 로 바꾸면:tan⁡(3x)=tan⁡(3x+π)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해tan⁡(3x)=tan⁡(3(x+π3))tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해g(x)=g(x+π3)tan⁡3x 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해따라서 g(x)=tan⁡(3x) 의 주기는 π3 이다.마찬가지로 사인의 주기는 2π 이다.sin⁡(X)=sin⁡(X+2π)sin⁡(X) 의 정의역에 속하는 모든 X 에 대해X 를 4x 로 바꾸면:sin⁡(4x)=sin⁡(4x+2π)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해sin⁡(4x)=sin⁡(4(x+π2))sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해h(x)=h(x+π2)sin⁡(4x) 의 정의역에 속하는 모든 x 에 대해\begin{aligned} \tan X &= \tan(X+\pi)&&\text{$\tan X$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $3x$ 로 바꾸면:} \\ \tan(3x)&=\tan(3x+\pi)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \tan(3x)&=\tan\left(3\left(x+\frac{\pi}{3}\right)\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ g(x)&=g\left(x+\frac{\pi}{3}\right)&&\text{$\tan 3x$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \\ \text{따라서 $g(x)=\tan(3x)$ 의 주기는 $\dfrac{\pi}{3}$ 이다.} \\ \\ \text{마찬가지로 사인의 주기는 $2\pi$ 이다.} \\ \sin(X)&=\sin(X+2\pi)&&\text{$\sin(X)$ 의 정의역에 속하는 모든 $X$ 에 대해} \\ \text{$X$ 를 $4x$ 로 바꾸면:} \\ \sin(4x)&=\sin(4x+2\pi)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ \sin(4x)&=\sin\left(4\left(x+\frac{\pi}{2}\right)\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해}\\ h(x)&=h\left(x+\frac{\pi}{2}\right)&&\text{$\sin(4x)$ 의 정의역에 속하는 모든 $x$ 에 대해} \end{aligned}

따라서 h(x)=sin⁡(4x)h(x)=\sin(4x) 의 주기는 π2\dfrac{\pi}{2} 이다.

종합하면, f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x) 는 g(x)g(x) 와 h(x)h(x) 가 모두 반복될 때 반복된다. π3\dfrac{\pi}{3} 와 π2\dfrac{\pi}{2} 의 공통인 정수 배수 중 가장 작은 것은 π\pi 이다. g(x)g(x) 는 π3\dfrac{\pi}{3} 만큼마다 반복되고 h(x)h(x) 는 π2\dfrac{\pi}{2} 만큼마다 반복되므로, 둘은 π\pi 만큼 이동해야 비로소 함께 반복된다. 따라서 f(x)f(x) 의 주기는 π\pi 이다.

이 문제로 이어서 풀기
# 함수의 그래프 그리기그래프·표 해석도전자동 분류

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