• 검색 결과가 없습니다.

도함수의 활용 ⑵

문서에서 2020 셀파 미적분 답지 정답 (페이지 54-62)

⑴ f(x)=-x4+2x3-1로 놓으면

f '(x)=-4x3+6x2, f "(x)=-12x2+12x f "(x)=0에서 -12x(x-1)=0

∴ x=0 또는 x=1

x<0 또는 x>1일 때 f "(x)<0 0<x<1일 때 f "(x)>0

따라서 함수 f(x)의 변곡점의 좌표는 (0, -1), (1, 0)

⑵ f(x)=x2+4`cos`x로 놓으면

f '(x)=2x-4`sin`x, f "(x)=2-4`cos`x f "(x)=0에서 2(1-2`cos`x)=0, cos`x=;2!;

∴ x=;3ÒÒ; 또는 x=;3%;p (∵ 0<x<2p) 0<x<;3Ò; 또는 ;3%;p<x<2p일 때 f "(x)<0

;3Ò;<x<;3%;p일 때 f "(x)>0 따라서 함수 f(x)의 변곡점의 좌표는

{;3Ò;, ;9!;p2+2}, {;3%;p, ;;ª9°;;p2+2}

2-2

f(x)=x3-3x2-9x+2로 놓으면 f '(x)=3x2-6x-9

f "(x)=6x-6=6(x-1) f "(x)=0에서 x=1 x<1일 때 f "(x)<0 x>1일 때 f "(x)>0

따라서 변곡점의 좌표는 (1, -9 )

2-1

f(x)=ex-x라 하면 f '(x)=ex-1 f '(x)=0에서 ex=1 ∴ x=0

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내고, 그래프의 개형 을 그리면 다음과 같다.

x y 0 y

f '(x) - 0 +

f (x)1

이때 함수 y=f(x)의 그래프는 x축 과 만나지 않는다.

따라서 방정식 ex-x=0의 서로 다른 실근의 개수는 0 y=eÅ -x

O 1 y

x

3-1

⑴ f(x)=sin`x+x라 하면 f '(x)=cos`x+1

-1Écos`xÉ1이므로 f '(x)¾æ0, 즉 함수 f(x)는 실수 전체의 집합에서 증가한다.

한편 f(0)=0이고 lim

x Ú`¦ f(x)=¦, limx Ú`-¦ f(x)=-¦이므로 함수 y=f(x)의 그래프의 개형은

오른쪽 그림과 같다.

이때 함수 y=f(x)의 그래프는 x 축과 한 점에서 만나므로 방정식 sin x+x=0의 실근의 개수는 1

⑵ f(x)=ln`x-3x`(x>0)라 하면 f '(x)=;[!;-3 f '(x)=0에서 x=;3!;

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x (0) y ;3!; y

f '(x) + 0

-f(x)-1-ln`3

한편 lim

x Ú`¦(ln`x-3x)=-¦, lim

x Ú`0+(ln`x-3x)=-¦이

므로 함수 y=f(x)의 그래 프의 개형은 오른쪽 그림과 같다.

이때 함수 y=f(x)의 그래

프는 x축과 만나지 않으므로 방정식 ln`x-3x=0의 실 근의 개수는 0

y=sin x+x

O y

x

y=ln x-3x -1-ln 3

O -13 y

x

3-2

Ú dx

dt=-sin`t, dy

dt=cos`t이므로 시각 t에서 점 P의 속도는

(-sin`t, cos`t) Û 시각 t에서 점 P의 속력은

"Ã(-sin`t)2+(cos`t)2=1 Ü d2x

dt2=-cos`t, d2y

dt2=-sin`t이므로 시각 t에서 점 P의 가속도는

(-cos`t, -sin`t)

4-2

Ú ;dDtÓ;=1, ;dDtÕ;=2t이므로

시각 t에서 점 P의 속도는 (1, 2t ) Û 시각 t에서 점 P의 속력은

"Ã12+(2t)2="Ã4t2+1 Ü d2x

dt2=0, d2y

dt2=2이므로

시각 t에서 점 P의 가속도는 ( 0 , 2)

4-1

본문 | 149~161 확인 문제

⑴ f(x)= 1

x2+1로 놓으면 f '(x)= -2x

(x2+1)2

f "(x) = -2(x2+1)2-2(-2x)(x2+1)_2x (x2+1)4

= -2(x2+1)+8x2 (x2+1)3

= 6x2-2 (x2+1)3

f "(x)=0에서 2(3x2-1)=0이므로 x2=;3!;

∴ x=- '3

3 또는 x='3 3 x<- '3

3 또는 x>'3

3 일 때 f "(x)>0 - '3

3 <x<'3

3 일 때 f "(x)<0 따라서 열린구간{-¦, - '3

3 }, { '3

3 , ¦}에서 아래로볼록 하고, 열린구간{- '3

3 , '3

3 }에서 위로 볼록하다.

또 x=- '3

3 , x='3

3 각각의 좌우에서 f "(x)의 부호가 바뀌 므로 변곡점의 좌표는{- '3

3 , ;4#;}, {'3 3 , ;4#;}

01-1

셀파 f "(x)=0인 x의 값을 기준으로 좌우에서 f "(x)의 부 호를 조사한다.

⑴ f '(x)=-2xe-xÛ`

f "(x)=-2e-xÛ`-2xe-xÛ`_(-2x)=2e-xÛ`(2x2`-1) f '(x)=0에서 x=0

f "(x)=0에서 2e-xÛ`>0이므로 2x2-1=0, x2=;2!;

∴ x=- '2

2 또는 x='2 2

함수 f(x)의 증가, 감소 및 오목, 볼록을 표로 나타내면 다음 과 같다.

x y - '2

2 y 0 y '2

2 y

f '(x) + + + 0 - -

-f "(x) + 0 - - - 0 +

f(x) 'e

e 변곡점

1 극대

'ee 변곡점

이때 lim

x Ú`¦e-xÛ`=0, lim

x Ú`-¦e-xÛ`=0이므로 x축이 점근선이다.

따라서 함수 f(x)=e-xÛ`의 그래 프의 개형은 오른쪽 그림과 같 다.

y=f(x)

- O 1 e

y

x 1e

122 122

02-1

셀파 ⑵ (진수)>0인 범위에서 f '(x)=0, f "(x)=0인 x 의 값을 기준으로 f '(x), f "(x)의 부호를 조사한다.

⑵ f(x)= xln`x에서 x>0, x+1이고

f '(x)=ln`x-x_;[!;

(ln`x)2 = ln`x-1 (ln`x)2

f "(x) =;[!;`(ln`x)2-(ln`x-1)_2`ln`x_;[!;

(ln`x)4

=ln`x{ln`x-2(ln`x-1)}

x(ln`x)4

= 2-ln`x x(ln`x)3

f '(x)=0에서 ln`x-1=0 ∴ x=e f "(x)=0에서 2-ln`x=0 ∴ x=e2

함수 f(x)의 증가, 감소 및 오목, 볼록을 표로 나타내면 다음 과 같다.

x (0) y (1) y e y e2 y

f '(x) - - 0 + + +

f "(x) - + + + 0

-f(x) e

극소

e2 2 변곡점

이때 lim

x Ú`0+

ln`xx =0, lim

x

Ú`1-ln`xx =-¦, lim

x Ú`1+

ln`xx

따라서 함수 f(x)= xln`x 의 그래프 의 개형은 오른쪽 그림과 같다.

y=f(x)

O 1 y

x e

e -2

함수의 그래프

함수 f(x)의 증가, 감소 및 오목, 볼록 함수 f(x)의 그래프는

➊ f '(x)>0, f "(x)>0일 때

⇨ 아래로 볼록한 꼴 ( )로 증가한다.

➋ f '(x)>0, f "(x)<0일 때

⇨ 위로 볼록한 꼴 ( )로 증가한다.

➌ f '(x)<0, f "(x)>0일 때

⇨ 아래로 볼록한 꼴 ( )로 감소한다.

➍ f '(x)<0, f "(x)<0일 때

⇨ 위로 볼록한 꼴 ( )로 감소한다.

LEC TURE

⑵ f(x)=x2`ln`x로 놓으면 f '(x)=2x`ln`x+x2_;[!;

f '(x)=2x`ln`x+x=x(2`ln`x+1) f "(x)=2`ln`x+1+x_;[@;=2`ln`x+3 f "(x)=0에서 2`ln`x+3=0 ∴ x=e-;2#;

진수 조건에서 x>0이므로 0<x<e-;2#;일 때 f "(x)<0 x>e-;2#;일 때 f "(x)>0

따라서 열린구간 (0, e-;2#;)에서 위로 볼록하고, 열린구간 (e-;2#;, ¦)에서 아래로 볼록하다.

또 x=e-;2#;의 좌우에서 f "(x)의 부호가 바뀌므로 변곡점의 좌표는{e-;2#;, -;2#;e-3}

⑴ f(x)=ex-e-x에서 f '(x)=ex+e-x

이때 모든 실수 x에 대하여 f '(x)>0이므로 함수 f(x)는 모 든 실수 x에서 증가한다.

따라서 닫힌구간 [-2, 2]에서 함수 f(x)는 x=2일 때 최댓값 f(2)=e2- 1

e2, x=-2일 때 최솟값 f(-2)= 1

e2-e2을 갖는다.

03-1

셀파 닫힌구간 [a, b]에서 f(x)의 극값, f(a), f(b)를 구하 여 비교한다.

변곡점을 구하는 방법

➊ y"=0으로 하는 x=a를 구한다.

x=a의 좌우에서 y"의 부호가 바뀌면 x=a일 때, 변곡 점을 갖는다.

보기 1 다음 함수의 변곡점을 구하시오.

⑴ y=x3-3x2+3x ⑵ y=(x+1)4

해설y '=3x2-6x+3, y "=6x-6 y"=0에서 x=1

x=1의 좌우에서 y "의 부호가 바뀐다.

따라서 변곡점은 (1, 1)

y '=4(x+1)3, y "=12(x+1)2 y"=0에서 x=-1

x=-1의 좌우에서 y "의 부호가 바뀌지 않는다.

따라서 변곡점은 없다.

O 1

1 y

x

-1 O 1 y

x 세미나 변곡점

y=f '(x)의 그래프에서 f '(x)의 값의 부호가 바뀌는 점이 극점 이므로 주어진 y=f '(x)의 그래프에서 극점은 x좌표가 a, b, 0, f 인 4개의 점이다.

또 y=f '(x)의 그래프에서 증가와 감소가 바뀌는 점이 변곡점이 므로 주어진 y=f '(x)의 그래프에서 변곡점은 x좌표가 c, d, e인 3개의 점이다.

따라서 y=f(x)의 그래프의 극점의 개수는 4, 변곡점의 개수는 3

| 참고 |

함수 f(x)에 대하여 극점과 변곡점을 기준으로 구간을 나누고 주어진 y=f '(x)의 그래프를 이용하여 각 구간에서 f '(x), f "(x)의 부호를 조사 한다. 이때 f(x)의 증가, 감소 및 오목, 볼록을 표로 나타내면 다음과 같다.

x y a y b y 0 y c y d y e y f y f '(x) - 0 + 0 + + + 0 + + + 0 -f "(x) + + + + + + 0 + 0

-f(x) 극소 극대 극소 변곡

변곡 변곡

극대이 표로부터 함수 y=f(x)의 그래프의

개형은 오른쪽 그림과 같다.

y=f(x)

0 x

b

a c d e f

확인 체크 01

셀파 특강 한편 (x-a);mN;;(m>0, n>0)꼴의 인수를 갖는 함수의 변곡 점을 구하는 방법은 다음과 같다.

➊ y"=0으로 하는 x=a를 구한다.

➋ y"의 분모를 0으로 하는 x=b를 구한다.

➌ x=a, b의 좌우에서 y"의 부호의 변화를 조사한다.

보기 2 다음 함수의 변곡점을 구하시오.

⑴ y=(x+1);3!; ⑵ y=x;3@;

해설 ⑴ y '=;3!;(x+1)-;3@;, y "=- 2 9`3"Ã(x+1)5 y "의 분모를 0으로 하는 값은

x=-1이고, x=-1의 좌우에서 y "의 부호가 바뀐다.

따라서 변곡점은 (-1, 0) ⑵ y '=;3@;x-;3!;, y "=- 2

9`3"x4 y "의 분모를 0으로 하는 값은 x=0

이고, x=0의 좌우에서 y"의 부호 는 바뀌지 않는다.

따라서 변곡점은 없다.

참고 y=x;mN;{m>0, n>0, m은 홀수, n은 짝수, ;mN;;<1}

의 그래프는 x=0에서 첨점(尖點)을 갖는다.

예를 들어 y=x;3@;, x;5@;, x;5$;, x;7@;, x;7$;, x;7^;, y등은 x=0에서 첨점 을 갖는다.

-1 O 1 y

x y=(x+1)£Ú

O y

y=x

x

£Û

점 P의 좌표를 (t, ke-t)(t>0), 직사각형 OQPR의 넓이를 S(t)라 하면

S(t)=t_ke-t=kte-t

S'(t)=ke-t-kte-t=k(1-t)e-t S'(t)=0에서 t=1

열린구간 (0, ¦)에서 함수 S(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 오른쪽과 같다.

따라서 함수 S(t)는 t=1일

때 극대이면서 최대이므로 S(t)의 최댓값이 ;eK;이다.

;eK;=2에서 k=2e

t (0) y 1 y

S '(t) + 0

-S(t);eK; ↘

04-2

셀파 점 P의 좌표를 (t, ke-t)으로 놓고 직사각형의 넓이를 t의 함수로 나타낸다.

⑴ f(x)=ln`x-;[!; (x>0)이라 하면 f '(x)=;[!;+ 1x2= x+1

x2

x>0일 때 f '(x)>0이므로 함수 f(x)는 x>0에서 증가한다.

한편 lim

x Ú`0+{ln`x-;[!;}=-¦, limx Ú`¦{ln`x-;[!;}=¦이므로 함수 y=f(x)의 그래프의 개형은

오른쪽 그림과 같다.

이때 함수 y=f(x)의 그래프는 x 축과 한 점에서 만나므로 방정식 ln`x-;[!;=0의 서로 다른 실근의 개수는 1

| 참고 |

ln`x의 진수 조건에 따라 x>0이다.

⑵ f(x)=4xex+1이라 하면 f '(x)=4ex+4xex=4ex(x+1) f '(x)=0에서 x=-1

한편 lim

x Ú`-¦(4xex+1)=1, lim

x Ú`¦(4xex+1)=¦

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x y -1 y

f '(x) - 0 +

f(x)1-;e$;

y=ln

x--O

x1 y

x

05-1

셀파 방정식 f(x)=0에서 함수 y=f(x)의 그래프를 그린다.

곡선 y='x 위의 점 Q의 좌표를 (t, 't )로 놓으면 PQÓ2=(t-0)2+('t-3)2=t2+t-6't+9 f(t)=t2+t-6't+9라 하면

f '(t)=2t+1- 3

"t f '(t)=0에서 2t+1= 3

"t

4t2+4t+1=;t(;, 4t3+4t2+t-9=0 (t-1)(4t2+8t+9)=0

이때 4t2+8t+9=4(t+1)2+5>0이므로 t=1

t>0에서 함수 f(t)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

t (0) y 1 y

f '(t) - 0 +

f(t)5

따라서 함수 f(t)는 t=1에서 최솟값 5를 갖는다.

즉, PQÓ2의 최솟값이 5이므로 PQÓ의 최솟값은 '5

y=f(t)

O 1 5 9 y

t

04-1

셀파 곡선 y='x 위에 있는 점 Q의 좌표를 (t, 't )로 놓는다.

⑵ f(x)=x+'2`cos`x에서 f '(x)=1-'2`sin`x f '(x)=0에서 sin`x= '2

2 ∴ x=;4Ò; 또는 x=;4#;p 닫힌구간 [0, p]에서 함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내

면 다음과 같다.

x 0 y ;4Ò; y ;4#;p y p

f '(x) + 0 - 0 +

f(x) '2;4Ò;+1 극댓값

;4#;p-1 극솟값

p-'2

따라서 함수 f(x)는 x=;4Ò;일 때 최댓값;4Ò;+1, x=;4#;p일 때 최솟값;4#;p-1을 갖는다.

| 참고 |

'2=1.414, p=3.14라 하면 f(0)='2=1.414 f {;4Ò;}=;4Ò;+1=1.785 f {;4#;p}=;4#;p-1=1.355 f(p)=p-'2=1.726

⑴ ln`x-ex+3=0에서 ln`x=ex-3

y=f(x) -1 O

-1 1

1 y

x

이때 함수 y=f(x)의 그래프는 x축과 한 점에서 만나므로 방 정식 2x

x2+1=0의 서로 다른 실근의 개수는 1

⑷ f(x)=3x-x`ln`x (x>0)라 하면 f '(x)=3-(ln`x+1)=2-ln`x f '(x)=0에서 ln`x=2 ∴ x=e2 한편 lim

x Ú`¦(3x-x`ln`x)=lim

x Ú`¦x(3-ln`x)=-¦

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x (0) y e2 y

f '(x) + 0

-f(x)e2

이때 함수 y=f(x)의 그래프는 오 른쪽 그림과 같이 x축과 한 점에서 만나므로 방정식 3x=x`ln`x의 서

로 다른 실근의 개수는 1 O

y

y=f(x) x

⑴ ex=kx에서 ex =k (x+0)x

f(x)= ex 이라 하면 f '(x)=x ex(x-1) x2 f '(x)=0에서 ex(x-1)=0 ∴ x=1 한편 lim

x Ú`¦f(x)=¦, lim

x Ú`-¦f(x)=0,

lim

x Ú`0+ f(x)=¦, lim

x Ú 0-f(x)=-¦

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x y (0) y 1 y

f '(x) - - 0 +

f(x) ↘ ↘ e

따라서 함수 y=f(x)의 그래프 의 개형은 오른쪽 그림과 같으 므로 방정식 ex=kx의 서로 다 른 실근의 개수는

k>e일 때 2, k=e일 때 1, 0Ék<e일 때 0, k<0일 때 1

y=k y=

O 1 y

x e

3555x

02

⑵ f(x)=x+ 4x2 (x+0)라 하면 f '(x)=1- 8x3 f '(x)=0에서 x3=8 ∴ x=2

한편 lim

x Ú`¦ f(x)=¦, limx Ú`-¦ f(x)=-¦, lim

x Ú`0+ f(x)=¦, limx Ú`0- f(x)=¦

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x y (0) y 2 y

f '(x) + - 0 +

f(x) ↗ ↘ 3

따라서 함수 y=f(x)의 그래프 의 개형은 오른쪽 그림과 같으 므로 방정식 x+ 4x2=k의 서로 다른 실근의 개수는

k>3일 때 3, k=3일 때 2, k<3일 때 1

⑶ f(x)=ex-x라 하면 f '(x)=ex-1 f '(x)=0에서 ex=1 ∴ x=0 한편 lim

x Ú`¦ f(x)=¦, limx Ú`-¦ f(x)=¦

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x y 0 y

f '(x) - 0 +

f(x)1

따라서 함수 y=f(x)의 그래프 의 개형은 오른쪽 그림과 같으 므로 방정식 ex=x+k의 서로 다른 실근의 개수는

k>1일 때 2, k=1일 때 1, k<1일 때 0

y=k y=x+

O 2 3

4 y

x

y=k y=eÅ -x

O 1 y

x

f(x)=ln`x-x (x>0)라 하면 f '(x)= 1x -1

f(x)=2`sin`x+cos2`x라 하면

f '(x) =2`cos`x-2`cos`x`sin`x=2`cos`x(1-sin`x) f '(x)=0에서 cos`x=0 또는 sin`x=1

f(x)=ex-ax라 하면 f '(x)=ex-a f '(x)=0에서 ex=a ∴ x=ln`a

함수 f(x)의 증가와 감소를 표로 나타내면 다음과 같다.

x y ln`a y (10)

f '(x) - 0 +

f(x)a-a`ln`a

함수 y=f(x)의 그래프의 개형은 오른 쪽 그림과 같으므로 x<10에서 함수 f(x)는 x=ln`a일 때, 극소이면서 최소 이다.

이때 f(x)¾0이려면 f(ln`a)¾0에서 a-a`ln`a¾0

a¾a`ln`a, ln`aÉ1 (∵ a>0)

∴ 0<aÉe

y=f(x)

a-a ln a

O ln a 10 y

x

07-2

셀파 주어진 x의 값의 범위에서 최솟값을 구한다.

부등식 f(x)>g(x)가 성립하는 경우

닫힌구간 [a, b]에서 부등식 f(x)>g(x)가 항상 성립할 때

➊ 닫힌구간 [a, b]에서 y=f(x)의 그래프가 y=g(x)의 그 래프보다 항상 위쪽에 있다.

h(x)=f(x)-g(x)로 놓으면 닫힌구간 [a, b]에서 부등식 h(x)>0이 항상 성립한다.

즉, 닫힌구간 [a, b]에서 {h(x)의 최솟값}>0이다.

LEC TURE

점 P의 시각 t에서의 속도를 v, 가속도를 a라 하면 v= dx

dt=2t- 1 t+1 a= dvdt=2+ 1

(t+1)2

따라서 점 P의 t=2에서의 속도와 가속도는 속도 : ;Á3Á;, 가속도 : ;Á9»;

08-1

셀파 x=f(t)일 때, v=f '(t), a=f "(t) f(x)=e-x+x-1이라 하면 f '(x)=-e-x+1 0<x<1일 때, ;e!;<e-x<1이므로 f '(x)>0 즉, 함수 f(x)는 0<x<1에서 증가한다.

그런데 f(0)=e0+0-1=0이므로

0<x<1일 때 f(x)>0, 즉 e-x+x-1>0이다.

따라서 0<x<1일 때, 부등식 e-x>1-x가 성립한다.

확인 체크 03

셀파 특강

⑴ dx

dt=-2`sin`2t, dy

dt=2`cos`2t

이므로 속도는 (-2`sin`2t, 2`cos`2t)이고, 그 크기는

"Ã(-2`sin`2t)2+(2`cos`2t)2="Ã4(sin2`2t+cos2`2t)=2 ∴ 속도 : (-2`sin`2t, 2`cos`2t), 속도의 크기 : 2

⑵ d2x

dt2=-4`cos`2t, d2y

dt2=-4`sin`2t

이므로 가속도는 (-4`cos`2t, -4`sin`2t)이고, 그 크기는

"Ã(-4`cos`2t)2+(-4`sin`2t)2="Ã16(cos2`2t+sin2`2t)=4 ∴ 가속도 : (-4`cos`2t, -4`sin`2t), 가속도의 크기 : 4

09-1

셀파 속도 ⇨ {dxdt , dydt }, 가속도 {ddt2x2, ddt2y2}

함수 f(x)=ax2+sin`x가 서로 다른 임의의 실수 x1, x2에 대하여 f {x1+x2

2 }>f(x1)+f(x2)

2 이므로 곡선 y=f(x)는 위로 볼록 하다.

즉, 임의의 실수 x에 대하여 f "(x)<0이어야 한다.

f '(x)=2ax+cos`x, f "(x)=2a-sin`x이므로 2a-sin`x<0에서 2a<sin`x

이때 -1Ésin`xÉ1이므로 2a<-1 ∴ a<-;2!;

문서에서 2020 셀파 미적분 답지 정답 (페이지 54-62)

관련 문서