문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 적분

부정적분의 뜻과 계산

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

CLP-1 · 4.1절 · 20번우리말 번역

f(x)=2sin⁡−1xf(x)=2\sin^{-1}\sqrt{x}, g(x)=sin⁡−1(2x−1)g(x)=\sin^{-1}(2x-1) 이라 하자. f(x)−g(x)f(x)-g(x) 의 도함수를 구하고 답을 간단히 하세요. 이 답은 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 사이의 관계에 대해 무엇을 뜻하는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=2sin⁡−1xf(x)=2\sin^{-1}\sqrt{x} and g(x)=sin⁡−1(2x−1)g(x)=\sin^{-1}(2x-1). Find the derivative of f(x)−g(x)f(x)-g(x) and simplify your answer. What does the answer imply about the relation between f(x)f(x) and g(x)g(x)?

정답·풀이 보기

연쇄 법칙을 이용하여 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 를 미분한다. ddx{arcsin⁡(x)}=11−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\arcsin(x)\right\}=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} 임을 떠올리자.

f′(x)=21−x2⋅ddxx=21−x⋅12x=1x−x2g′(x)=11−(2x−1)2⋅ddx{2x−1}=21−4x2+4x−1=1x−x2\begin{aligned} f'(x)&=\frac{2}{\sqrt{1- \sqrt{x}^2}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{x}\\ &=\frac{2}{\sqrt{1-x}}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{x-x^2}}\\ g'(x)&=\frac{1}{\sqrt{1- (2x-1)^2}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{ 2x-1\}\\ &=\frac{2}{\sqrt{1-4x^2+4x-1}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{x-x^2}}\\ \end{aligned}

따라서 f(x)−g(x)f(x)-g(x) 의 도함수는 00 이고, 이는 f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 상수만큼만 차이가 남을 뜻한다. 다소 놀라운 결과일 수도 있다!

참고: f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 상수만큼만 차이가 난다는 것을 보이는 데 미적분은 필요하지 않다. θ=sin⁡−1x\theta=\sin^{-1}\sqrt{x} 로 놓으면 sin⁡θ=x\sin\theta=\sqrt{x} 이고 f(x)=2θf(x) = 2\theta 이다. 그러면 sin⁡[f(x)−π2]=−cos⁡f(x)=−cos⁡2θ=−[1−2sin⁡2θ]=2sin⁡2θ−1=2x−1\sin \left[f(x)-\frac{\pi}{2}\right]=-\cos f(x) =-\cos 2\theta=-[1-2\sin^2\theta] =2\sin^2\theta -1=2x-1 처음 식과 마지막 식에 아크사인을 취하여 f(x)−π2=arcsin⁡(2x−1)=g(x)f(x)-\dfrac{\pi}{2}=\arcsin(2x-1)=g(x) 라고 결론짓는 것이 목표이다. 그러나 arcsin⁡(sin⁡[f(x)−π2])=f(x)−π2\arcsin\left(\sin\left[f(x)-\dfrac{\pi}{2}\right]\right)=f(x)-\dfrac{\pi}{2} 라고 말하기 전에, −π2≤f(x)−π2≤π2-\dfrac{\pi}{2} \leq f(x)-\dfrac{\pi}{2}\leq\dfrac{\pi}{2} 임을 확인해야 한다. 즉 0≤f(x)≤π0 \leq f(x) \leq \pi 임을 보여야 한다.

0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} 이므로 (sin⁡−1\sin^{-1} 의 값은 항상 −π2-\frac{\pi}{2} 와 π2\frac{\pi}{2} 사이에 있고 x≥0\sqrt{x}\ge 0 이기 때문이다), 0≤f(x)=2θ≤π0\le f(x)=2\theta\le \pi 이다. 따라서 f(x)−π2=arcsin⁡(sin⁡[f(x)−π2])=arcsin⁡(2x+1)=g(x).f(x)-\dfrac{\pi}{2}=\arcsin\left(\sin\left[f(x)-\dfrac{\pi}{2}\right]\right)=\arcsin(2x+1)=g(x).

원본 교재 풀이(영어)

We differentiate f(x)f(x) and g(x)g(x) using the chain rule. Recall ddx{arcsin⁡(x)}=11−x2\displaystyle \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\arcsin(x)\right\}=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}.

f′(x)=21−x2⋅ddxx=21−x⋅12x=1x−x2g′(x)=11−(2x−1)2⋅ddx{2x−1}=21−4x2+4x−1=1x−x2\begin{aligned} f'(x)&=\frac{2}{\sqrt{1- \sqrt{x}^2}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \sqrt{x}\\ &=\frac{2}{\sqrt{1-x}}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{x-x^2}}\\ g'(x)&=\frac{1}{\sqrt{1- (2x-1)^2}}\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{ 2x-1\}\\ &=\frac{2}{\sqrt{1-4x^2+4x-1}}\\ &=\frac{1}{\sqrt{x-x^2}}\\ \end{aligned}

So, the derivative of f(x)−g(x)f(x)-g(x) is 00, which implies that f(x)f(x) and g(x)g(x) differ by a constant–perhaps a surprising result!

Remark: we don't need calculus to show that f(x)f(x) and g(x)g(x) only differ by a constant. Define θ=sin⁡−1x\theta=\sin^{-1}\sqrt{x}, so that sin⁡θ=x\sin\theta=\sqrt{x} and f(x)=2θf(x) = 2\theta , and then sin⁡[f(x)−π2]=−cos⁡f(x)=−cos⁡2θ=−[1−2sin⁡2θ]=2sin⁡2θ−1=2x−1\sin \left[f(x)-\frac{\pi}{2}\right]=-\cos f(x) =-\cos 2\theta=-[1-2\sin^2\theta] =2\sin^2\theta -1=2x-1 Our goal is to take the arcsine of the first and last expressions and conclude f(x)−π2=arcsin⁡(2x−1)=g(x)f(x)-\dfrac{\pi}{2}=\arcsin(2x-1)=g(x). However, before we can say arcsin⁡(sin⁡[f(x)−π2])=f(x)−π2\arcsin\left(\sin\left[f(x)-\dfrac{\pi}{2}\right]\right)=f(x)-\dfrac{\pi}{2}, we have to check that −π2≤f(x)−π2≤π2-\dfrac{\pi}{2} \leq f(x)-\dfrac{\pi}{2}\leq\dfrac{\pi}{2}. That is, we need to show that 0≤f(x)≤π0 \leq f(x) \leq \pi.

As 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} (since sin⁡−1\sin^{-1} always takes values between −π2-\frac{\pi}{2} and π2\frac{\pi}{2} and since x≥0\sqrt{x}\ge 0), we have that 0≤f(x)=2θ≤π0\le f(x)=2\theta\le \pi. So, f(x)−π2=arcsin⁡(sin⁡[f(x)−π2])=arcsin⁡(2x+1)=g(x).f(x)-\dfrac{\pi}{2}=\arcsin\left(\sin\left[f(x)-\dfrac{\pi}{2}\right]\right)=\arcsin(2x+1)=g(x).

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 1권 · 4.10절 · 59번우리말 번역

f(x)f(x) 가 v(x)v(x) 의 원시함수이면, f(x)+1f(x)+1 은 v(x)+1v(x)+1 의 원시함수이다.

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