AP Calculus 연습 문제: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

극한

직접 대입: 먼저 x = a를 대입해 보고, 0/0이 나오면 식을 간단히 하세요
인수분해 후 약분: xⁿ − aⁿ = (x − a)(xⁿ⁻¹ + a·xⁿ⁻² + … + aⁿ⁻¹)
켤레식: (√x − √a)(√x + √a) = x − a
무한대에서의 극한: x의 최고차항으로 나누세요. 차수가 같으면 최고차항 계수의 비가 됩니다
특수 극한: lim_x→∞ (1 + a/x)^bx = e^ab
로피탈 정리: lim f/g = lim f′/g′ (0/0 or ∞/∞)

도함수

거듭제곱 미분법: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
곱의 법칙: (uv)′ = u′v + uv′
몫의 미분법: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
연쇄 법칙: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
주요 도함수: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

방법

구조를 파악하세요: 합, 곱, 몫, 또는 합성.
x의 각 거듭제곱에 거듭제곱 법칙을 적용하세요.
필요한 곳에 곱의 법칙, 몫의 법칙, 연쇄 법칙을 쓰세요.
간단히 하고, 문제에서 요구하면 해당 점에서 값을 구하세요.

최적화

방법: Q(x)를 한 변수로 나타내고 Q′(x) = 0을 풀어 Q″ 또는 끝점을 확인하세요
최댓값: Q′(x) = 0, Q″(x) < 0
최솟값: Q′(x) = 0, Q″(x) > 0
닫힌 원기둥: V = πr²h, A = 2πr² + 2πrh
이익: P = R − C, R = p·q, maximum where MR = MC

적분

거듭제곱 미분법: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
정적분: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
주요 적분: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
곡선 사이의 넓이: ∫_a^b (f − g) dx

방법

가능하면 피적분 함수를 간단한 항들의 합으로 다시 쓰세요.
거듭제곱 법칙 ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)과 e^x, 1/x, sin, cos의 기본 적분을 적용하세요.
함수와 그 도함수가 함께 보이면 치환을 쓰세요.
정적분은 F(b) − F(a)를 계산하세요.

미분방정식

지수적 성장/감소: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
반감기: k = ln 2 / t_½
뉴턴의 냉각 법칙: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
적분 인자: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
혼합 탱크: dm/dt = r·c − (r/V)·m

수열과 급수

등차수열: aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
등비수열: aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
무한 등비급수: S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-급수: Σ1/kᵖ converges only for p > 1
비율 판정법: L = lim |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
수렴 반지름: R = lim |c_k/c_k+1|
테일러 다항식: Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
매클로린 급수: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
라그랑주 오차 한계: |Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

방법

종류를 파악하세요: 등차(일정한 차), 등비(일정한 비), 표준 급수, 멱급수, 테일러 다항식.
합에는 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), 또는 |r| < 1일 때 S = a₁/(1 − r)을 쓰세요. a₁은 합의 첫째 항입니다.
수렴은 먼저 n번째 항 판정법을 쓰고, 그다음 Σ1/kᵖ이나 등비급수와 비교하며, 팩토리얼과 k제곱에는 비율 판정법이나 근 판정법을 쓰세요.
테일러 다항식은 f(a), f′(a), f″(a), …를 나열하고, k계 도함수를 k!로 나누며, 오차는 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!로 한정하세요.

2연습 문제

1.극한보통

극한 L = lim_x→∞ (4x² − 6x − 9)/(4x² + 6x + 7)을(를) 구하세요.

f(x) = (4x² − 6x − 9)/(4x² + 6x + 7)x → ∞

L =

2.극한어려움

극한 L = lim_x→0 (e^0.5x − 1 − 0.5x)/x²을(를) 구하세요.

f(x) = (e^0.5x − 1 − 0.5x)/x²x → 0

L =

3.도함수보통

f(x) = (2x + 1)³이라 합시다. f′(−1)를 구하세요.

f(x) = (2x + 1)³x = −1

f′(−1) =

4.도함수어려움

f(x) = x³ + 6x² + 9x − 3이라 합시다. 극솟점의 x좌표 x를 구하세요.

f(x) = x³ + 6x² + 9x − 3

x =

5.최적화보통

넓이 200 m²인 직사각형 부지의 네 변에 모두 울타리를 칩니다. 도로를 따라가는 길이 x인 변은 미터당 €20, 나머지 세 변은 미터당 €10입니다. 최소 총비용 C을(를) 구하세요.

A = 200 m²€20/m€10/m

C = €

6.최적화어려움

한 극장이 공연마다 표를 820장씩 장당 €12에 판매합니다. 시장 조사에 따르면 표 가격을 €1 올릴 때마다 판매량이 20장 줄고, €1 내릴 때마다 20장 늘어납니다. 수입을 최대로 하는 표 가격 p을(를) 구하세요.

820 × €1220 / €1

p = €

7.적분보통

I = ∫₀¹ x·cos x dx (x는 라디안)을 계산하시오.

∫₀¹ x·cos x dx

I =

8.적분어려움

직선 y = 6x와 포물선 y = 2x² 사이의 영역을 x축 둘레로 회전시킵니다. 이 입체의 부피 V을(를) 구하시오.

y = 6xy = 2x²

V =

9.미분방정식보통

83 °C의 커피 한 잔을 21 °C인 방에 둡니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. k = 0.06 min⁻¹일 때 21분 후의 온도 T을(를) 구하세요.

T₀ = 83 °CT_a = 21 °Ck = 0.06 min⁻¹t = 21 min

T = °C

10.미분방정식어려움

시스템이 t ≥ 0에서 y″ + 4y′ + 20y = 40을 따르며 정지 상태에서 출발합니다: y(0) = 0, y′(0) = 0. 계단 응답의 최댓값 y_max을(를) 구하시오.

y″ + 4y′ + 20y = 40y(0) = 0y′(0) = 0

y_max =

11.수열과 급수보통

Σ_k=1^∞ (k!)²·2ᵏ/(2k)!에 비율 판정법을 적용하시오. L = lim |a_k+1/a_k|를 구하시오.

a_k = (k!)²·2ᵏ/(2k)!

L =

12.수열과 급수어려움

f(x) = sin x을(를) x = 1.5에서 n차 매클로린 다항식으로 근사한다. 라그랑주 한계 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!과 M = 1를 써서 오차가 0.0001 미만임을 보장하는 최소 차수 n을(를) 구하시오.

f(x) = sin xx = 1.5M = 1ε = 0.0001

n =

3용액

1.극한

답: L = 1

극한: 먼저 직접 대입해 보세요. 0/0이 나오면 먼저 식을 간단히 하세요: 인수분해해서 공통인수를 약분하거나, 켤레식을 곱합니다. x → ∞일 때는 분자와 분모를 x의 최고차항으로 나눕니다. 로피탈 정리: f/g가 0/0 또는 ∞/∞ 꼴이면 lim f/g = lim f′/g′이며, 분자와 분모를 (몫의 미분법이 아니라) 각각 따로 미분합니다.

최고차항으로 나누기

(4 + (−6)/x + (−9)/x²)/(4 + 6/x + 7/x²)

x → ∞

L = 4/4 = 1

답

L = 1

차수가 같으면 극한은 최고차항 계수의 비입니다.

2.극한

답: L = 0.125

첫 번째 적용

(0.5·e^0.5x − 0.5)/(2x) → 0/0

두 번째 적용

0.25·e^0.5x/2

x = 0 대입

L = 0.25·1/2 = 0.125

답

L = 0.125

3.도함수

답: f′(−1) = 6

미분: 도함수 f′(x)는 x에서 그래프의 기울기입니다. 거듭제곱 법칙: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. 곱의 법칙: (uv)′ = u′v + uv′. 연쇄 법칙: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). f′(x) = 0인 곳에서 그래프의 접선은 수평이며, 극대·극소·안장점 중 하나입니다.

연쇄 법칙

f′(x) = 3·(2x + 1)²·2

대입하기

f′(−1) = 3·(−1)²·2 = 6

답

f′(−1) = 6

4.도함수

답: x = −1

도함수

f′(x) = 3x² + 12x + 9 = 3·(x² + 4x + 3)

f′(x) = 0 풀기

x = −3 또는 x = −1

어느 쪽이 무엇인지

f″(x) = 6x + 12: 극대에서는 음수, 극소에서는 양수.

f″(−3) = −6, f″(−1) = 6

x = −1

답

x = −1

5.최적화

답: C = 692.8 €

최적화: 최적화할 양을 한 변수의 함수로 나타내고, 제약 조건으로 다른 변수를 없앱니다. 도함수를 0으로 놓고 푸세요. 임계점이 최대인지 최소인지(2계 도함수 또는 1계 도함수의 부호 변화) 확인하고, 허용 범위 안에 있는지 확인하세요. 변의 길이가 0인 것 같은 끝점은 답이 아닙니다.

x의 함수로 나타낸 비용

C(x) = 30x + 4000/x

도함수를 0으로 놓기

C″(x) = 8000/x³ > 0이므로 이것은 최솟값입니다.

x = √(4000/30) = 11.55 m

y = 200/11.55 = 17.32 m

최소 비용

C = 30·11.55 + 4000/11.55 = €692.8

답

C = €692.8

6.최적화

답: p = 26.5 €

가격의 함수로서의 매출

n(p) = 1060 − 20p

R(p) = 1060p − 20p²

도함수를 0으로 놓기

R″(p) = −40 < 0이므로 이것은 최댓값입니다.

p = 1060/40 = €26.5

최대 수입

n = 1060 − 20·26.5 = 530

R = 26.5·530 = €14045

답

p = €26.5

7.적분

답: I = 0.3818

부분적분: ∫u·dv = u·v − ∫v·du이며, 곱의 미분법에서 나옵니다. u는 미분하면 더 간단해지는 인수(x의 거듭제곱 또는 ln x)로, dv는 적분할 수 있는 인수(eˣ, sin x, cos x, 또는 u = ln x일 때의 x)로 고르세요. 정적분에서는 u·v를 양 끝에서 계산합니다: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. x² 인수는 두 번 적용해야 합니다.

u와 dv 고르기

u = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

원시함수

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

극한

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0.3818

답

I = 0.3818

8.적분

답: V = 407.2

회전체의 부피: y = f(x)의 아래, x = a에서 x = b까지의 영역을 x축 둘레로 회전시키면 x에서의 단면이 반지름 f(x)인 원판인 입체가 만들어집니다. 원판들을 더하면 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx입니다. 영역이 바깥 곡선 R(x)와 안쪽 곡선 r(x) 사이에 있으면 각 조각은 와셔(고리)이며, V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx입니다. 반지름을 빼기 전에 먼저 제곱하세요.

교점

6x = 2x² → x = 0, x = 3

와셔법

V = π∫₀³ ((6x)² − (2x²)²) dx

적분하기

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129.6 = 407.2

답

V = 407.2

9.미분방정식

답: T = 38.59 °C

1계 미분방정식: dy/dt = k·y의 해는 y = y₀·e^kt입니다(k > 0이면 성장, k < 0이면 감소). 반감기가 T이면 k = ln 2/T입니다. 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)의 해는 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt입니다. 선형 방정식 y′ + p(x)·y = q(x)는 적분 인자 μ = e^{∫p dx}로 풉니다: (μy)′ = μq이므로 μy = ∫μq dx + C.

냉각 법칙의 해

T(t) = 21 + 62·e^−0.06t

t 대입

T(21) = 21 + 62·0.2837 = 38.59 °C

답

T = 38.59 °C

10.미분방정식

답: y_max = 2.416

2계 선형 방정식: y″ + b·y′ + c·y = 0에서 y = e^rt를 시도하면 특성방정식 r² + b·r + c = 0을 얻습니다. 서로 다른 두 실근 r₁ ≠ r₂이면 y = A·e^r₁t + B·e^r₂t(과감쇠), 중근 r이면 y = (A + Bt)·e^rt(임계감쇠), 복소근 −α ± jω이면 y = e^−αt(A cos ωt + B sin ωt)(부족감쇠, 진동)입니다. 초기값 y(0)과 y′(0)이 A와 B를 정합니다. y″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0으로 쓰면 ω_n은 고유 진동수, ζ는 감쇠비이며, ζ < 1이면 진동합니다. 입력이 일정한 y″ + by′ + cy = c·K의 해는 정상값 K에 자유 응답을 더한 것입니다.

정상값과 근

y_ss = 2, r = −2 ± 4j

초기값으로부터 구한 상수

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2

y′(0) = −2A + 4B = 0 → B = −1

최고점

t = π/4 = 0.7854

y_max = 2·(1 + e^−2·π/4) = 2.416

답

y_max = 2.416

11.수열과 급수

답: L = 0.5

연속한 항의 비

|a_k+1/a_k| = 2·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 2/4

결론

L = 0.5 < 1

답

L = 0.5

L < 1이므로 급수는 수렴합니다.

12.수열과 급수

답: n = 9

테일러 다항식: x = a 근처에서 매끄러운 함수는 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!으로 근사되며, a = 0이면 매클로린 다항식입니다. 표준 급수: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. 라그랑주 오차 한계: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!이며, M은 a와 x 사이에서 |f⁽ⁿ⁺¹⁾|의 최댓값입니다.

n이 커질 때의 한계

n = 8: 0.0001059 ≥ 0.0001

n = 9: 1.589 × 10⁻⁵ < 0.0001

최소 차수

n = 9

답

n = 9

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