세상의 많은 물음은 "얼마나 빨리 변하는가"입니다. 속도는 위치가 얼마나 빨리 변하는지이고, 접선의 기울기는 그래프가 한 점에서 얼마나 가파른지입니다. 이 두 물음은 사실 같은 것이며, 그것을 재는 도구가 미분계수입니다. 이 강의는 미분계수를 극한으로 정의하고, 그 정의에서 도함수를 뽑아내며, 다항함수를 손으로 미분하는 법을 익힙니다.
평균변화율과 순간변화율의 차이를 말로 설명할 수 있습니다.
미분계수 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 를 극한의 정의로 계산할 수 있습니다.
미분계수가 접선의 기울기임을 이해하고 접선의 방정식을 구할 수 있습니다.
도함수 f ′ ( x ) f'(x)f ′ ( x ) 의 정의를 쓰고, 정의로 간단한 함수를 미분할 수 있습니다.
거듭제곱 법칙으로 다항함수를 빠르게 미분할 수 있습니다.
미분가능하면 연속임을 알고, 연속이지만 미분불가능한 예를 들 수 있습니다.
기호
읽는 법
뜻
\dfrac{\Delta y}
델타 와이 분의 델타 엑스
두 점 사이 평균변화율(기울기)
f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a )
에프 프라임 에이
x = a x=ax = a 에서의 미분계수(순간변화율)
f ′ ( x ) f'(x)f ′ ( x )
에프 프라임 엑스
도함수(각 x xx 에서의 미분계수를 모은 함수)
\dfrac{dy}
디와이 디엑스
도함수의 라이프니츠 표기
h → 0 h\to 0h → 0
에이치가 0으로
두 점 간격을 한없이 좁힘
두 점 사이에서 함수가 평균적으로 얼마나 변했는지는 기울기로 잽니다. x xx 가 a aa 에서 a + h a+ha + h 로 갈 때 평균변화율은
Δ y Δ x = f ( a + h ) − f ( a ) h \frac{\Delta y}{\Delta x}=\frac{f(a+h)-f(a)}{h}
Δ x Δ y = h f ( a + h ) − f ( a )
입니다. 이것은 두 점 ( a , f ( a ) ) (a,f(a))( a , f ( a ) ) 와 ( a + h , f ( a + h ) ) (a+h,f(a+h))( a + h , f ( a + h ) ) 를 잇는 할선의 기울기입니다. 이제 h hh 를 한없이 0에 가깝게 하면, 할선은 한 점에서의 접선으로 다가갑니다. 그 극한값을 미분계수라 하고 이렇게 정의합니다.
f ff 의 x = a x=ax = a 에서의 미분계수는
f ′ ( a ) = h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) h f'(a)=\lim_{h\to 0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}
f ′ ( a ) = h → 0 lim h f ( a + h ) − f ( a )
이며, 이 극한이 존재할 때 f ff 는 x = a x=ax = a 에서 미분가능하다고 합니다.
직관은 이렇습니다. 평균변화율은 "구간에서의 평균 기울기"이고, 미분계수는 "한 점에서의 순간 기울기"입니다. 간격 h hh 를 좁혀 갈수록 평균이 순간에 가까워집니다.
예를 들어 f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 의 x = 3 x=3x = 3 에서의 미분계수를 정의로 구해 봅시다.
f ′ ( 3 ) = h → 0 ( 3 + h ) 2 − 3 2 h = h → 0 9 + 6 h + h 2 − 9 h = h → 0 6 h + h 2 h = h → 0 ( 6 + h ) = 6 f'(3)=\lim_{h\to 0}\frac{(3+h)^2-3^2}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{9+6h+h^2-9}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{6h+h^2}{h}=\lim_{h\to 0}(6+h)=6
f ′ ( 3 ) = h → 0 lim h ( 3 + h ) 2 − 3 2 = h → 0 lim h 9 + 6 h + h 2 − 9 = h → 0 lim h 6 h + h 2 = h → 0 lim ( 6 + h ) = 6
따라서 f ′ ( 3 ) = 6 f'(3)=6f ′ ( 3 ) = 6 입니다.
문제 1. (기초) f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 일 때 x = 1 x=1x = 1 에서 x = 3 x=3x = 3 까지의 평균변화율을 구하시오.
답. 4 44 .
풀이. 평균변화율은 f ( 3 ) − f ( 1 ) 3 − 1 = 9 − 1 2 = 8 2 = 4 \dfrac{f(3)-f(1)}{3-1}=\dfrac{9-1}{2}=\dfrac{8}{2}=43 − 1 f ( 3 ) − f ( 1 ) = 2 9 − 1 = 2 8 = 4 입니다.
문제 2. (기초) f ( x ) = 2 x + 1 f(x)=2x+1f ( x ) = 2 x + 1 일 때 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 를 정의로 구하시오.
답. 2 22 .
풀이. f ( a + h ) − f ( a ) h = [ 2 ( a + h ) + 1 ] − [ 2 a + 1 ] h = 2 h h = 2 \dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}=\dfrac{[2(a+h)+1]-[2a+1]}{h}=\dfrac{2h}{h}=2h f ( a + h ) − f ( a ) = h [ 2 ( a + h ) + 1 ] − [ 2 a + 1 ] = h 2 h = 2 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한도 2입니다. 일차함수의 미분계수는 항상 기울기입니다.
문제 3. (표준) f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 일 때 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 를 정의로 구하시오.
답. 2 a 2a2 a .
풀이. ( a + h ) 2 − a 2 h = 2 a h + h 2 h = 2 a + h \dfrac{(a+h)^2-a^2}{h}=\dfrac{2ah+h^2}{h}=2a+hh ( a + h ) 2 − a 2 = h 2 a h + h 2 = 2 a + h 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한은 2 a 2a2 a 입니다.
문제 4. (표준) f ( x ) = x 2 − 4 x f(x)=x^2-4xf ( x ) = x 2 − 4 x 일 때 f ′ ( 1 ) f'(1)f ′ ( 1 ) 을 정의로 구하시오.
답. − 2 -2− 2 .
풀이. f ( 1 + h ) − f ( 1 ) h = [ ( 1 + h ) 2 − 4 ( 1 + h ) ] − [ 1 − 4 ] h = [ 1 + 2 h + h 2 − 4 − 4 h ] − ( − 3 ) h = − 2 h + h 2 h = − 2 + h \dfrac{f(1+h)-f(1)}{h}=\dfrac{[(1+h)^2-4(1+h)]-[1-4]}{h}=\dfrac{[1+2h+h^2-4-4h]-(-3)}{h}=\dfrac{-2h+h^2}{h}=-2+hh f ( 1 + h ) − f ( 1 ) = h [ ( 1 + h ) 2 − 4 ( 1 + h ) ] − [ 1 − 4 ] = h [ 1 + 2 h + h 2 − 4 − 4 h ] − ( − 3 ) = h − 2 h + h 2 = − 2 + h 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한은 − 2 -2− 2 입니다.
미분계수 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 는 곡선 y = f ( x ) y=f(x)y = f ( x ) 위의 점 ( a , f ( a ) ) (a,f(a))( a , f ( a ) ) 에서 그은 접선의 기울기입니다. 따라서 접선의 방정식은 기울기와 한 점을 아는 직선의 식으로 바로 씁니다.
점 ( a , f ( a ) ) (a,f(a))( a , f ( a ) ) 에서의 접선:
y − f ( a ) = f ′ ( a ) ( x − a ) y-f(a)=f'(a)\,(x-a)
y − f ( a ) = f ′ ( a ) ( x − a )
예를 들어 f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 의 x = 3 x=3x = 3 에서의 접선을 구해 봅시다. 앞에서 f ′ ( 3 ) = 6 f'(3)=6f ′ ( 3 ) = 6 이고 f ( 3 ) = 9 f(3)=9f ( 3 ) = 9 이므로
y − 9 = 6 ( x − 3 ) ⇒ y = 6 x − 9 y-9=6(x-3)\quad\Rightarrow\quad y=6x-9
y − 9 = 6 ( x − 3 ) ⇒ y = 6 x − 9
입니다.
문제 1. (기초) f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 의 x = 2 x=2x = 2 에서의 접선의 기울기를 구하시오.
답. 4 44 .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2xf ′ ( x ) = 2 x 이므로 f ′ ( 2 ) = 4 f'(2)=4f ′ ( 2 ) = 4 입니다. 접선의 기울기는 미분계수와 같습니다.
문제 2. (표준) f ( x ) = x 2 − 2 x f(x)=x^2-2xf ( x ) = x 2 − 2 x 의 x = 3 x=3x = 3 에서의 접선의 방정식을 구하시오.
답. y = 4 x − 9 y=4x-9y = 4 x − 9 .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x − 2 f'(x)=2x-2f ′ ( x ) = 2 x − 2 이므로 f ′ ( 3 ) = 4 f'(3)=4f ′ ( 3 ) = 4 이고 f ( 3 ) = 9 − 6 = 3 f(3)=9-6=3f ( 3 ) = 9 − 6 = 3 입니다. 접선은 y − 3 = 4 ( x − 3 ) y-3=4(x-3)y − 3 = 4 ( x − 3 ) , 즉 y = 4 x − 9 y=4x-9y = 4 x − 9 입니다.
문제 3. (표준) 곡선 y = x 2 y=x^2y = x 2 위에서 접선의 기울기가 10 101 0 인 점을 구하시오.
답. ( 5 , 25 ) (5,25)( 5 , 2 5 ) .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x = 10 f'(x)=2x=10f ′ ( x ) = 2 x = 1 0 에서 x = 5 x=5x = 5 입니다. 이때 y = 5 2 = 25 y=5^2=25y = 5 2 = 2 5 이므로 접점은 ( 5 , 25 ) (5,25)( 5 , 2 5 ) 입니다.
문제 4. (심화) 곡선 y = x 2 y=x^2y = x 2 에 그은 접선이 점 ( 0 , − 1 ) (0,-1)( 0 , − 1 ) 을 지날 때, 접점의 x xx 좌표를 모두 구하시오.
답. x = 1 x=1x = 1 과 x = − 1 x=-1x = − 1 .
풀이. 접점을 ( t , t 2 ) (t,t^2)( t , t 2 ) 라 하면 접선의 기울기는 f ′ ( t ) = 2 t f'(t)=2tf ′ ( t ) = 2 t 이고 접선은 y − t 2 = 2 t ( x − t ) y-t^2=2t(x-t)y − t 2 = 2 t ( x − t ) 입니다. 이 직선이 ( 0 , − 1 ) (0,-1)( 0 , − 1 ) 을 지나므로 − 1 − t 2 = 2 t ( 0 − t ) = − 2 t 2 -1-t^2=2t(0-t)=-2t^2− 1 − t 2 = 2 t ( 0 − t ) = − 2 t 2 입니다. 정리하면 − 1 − t 2 = − 2 t 2 -1-t^2=-2t^2− 1 − t 2 = − 2 t 2 , 즉 t 2 = 1 t^2=1t 2 = 1 이므로 t = ± 1 t=\pm1t = ± 1 입니다.
a aa 를 하나 고정하지 않고 변수 x xx 로 두면, 각 점의 미분계수를 값으로 갖는 새 함수가 생깁니다. 이것이 도함수입니다.
f ff 의 도함수는
f ′ ( x ) = h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h f'(x)=\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}
f ′ ( x ) = h → 0 lim h f ( x + h ) − f ( x )
이며, d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 또는 d d x f ( x ) \dfrac{d}{dx}f(x)d x d f ( x ) 로도 씁니다.
도함수를 구한 뒤 특정 점을 대입하면 그 점의 미분계수가 됩니다. 즉 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 는 도함수 f ′ ( x ) f'(x)f ′ ( x ) 에 x = a x=ax = a 를 넣은 값입니다.
예를 들어 f ( x ) = x 3 f(x)=x^3f ( x ) = x 3 의 도함수를 정의로 구해 봅시다. ( x + h ) 3 = x 3 + 3 x 2 h + 3 x h 2 + h 3 (x+h)^3=x^3+3x^2h+3xh^2+h^3( x + h ) 3 = x 3 + 3 x 2 h + 3 x h 2 + h 3 이므로
f ′ ( x ) = h → 0 ( x 3 + 3 x 2 h + 3 x h 2 + h 3 ) − x 3 h = h → 0 ( 3 x 2 + 3 x h + h 2 ) = 3 x 2 f'(x)=\lim_{h\to 0}\frac{(x^3+3x^2h+3xh^2+h^3)-x^3}{h}=\lim_{h\to 0}(3x^2+3xh+h^2)=3x^2
f ′ ( x ) = h → 0 lim h ( x 3 + 3 x 2 h + 3 x h 2 + h 3 ) − x 3 = h → 0 lim ( 3 x 2 + 3 x h + h 2 ) = 3 x 2
입니다.
문제 1. (기초) f ( x ) = 5 f(x)=5f ( x ) = 5 (상수함수)의 도함수를 구하시오.
답. 0 00 .
풀이. f ( x + h ) − f ( x ) h = 5 − 5 h = 0 \dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}=\dfrac{5-5}{h}=0h f ( x + h ) − f ( x ) = h 5 − 5 = 0 이므로 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0f ′ ( x ) = 0 입니다. 변하지 않는 값의 변화율은 0입니다.
문제 2. (표준) f ( x ) = x 2 + x f(x)=x^2+xf ( x ) = x 2 + x 의 도함수를 정의로 구하시오.
답. 2 x + 1 2x+12 x + 1 .
풀이. [ ( x + h ) 2 + ( x + h ) ] − [ x 2 + x ] h = 2 x h + h 2 + h h = 2 x + h + 1 \dfrac{[(x+h)^2+(x+h)]-[x^2+x]}{h}=\dfrac{2xh+h^2+h}{h}=2x+h+1h [ ( x + h ) 2 + ( x + h ) ] − [ x 2 + x ] = h 2 x h + h 2 + h = 2 x + h + 1 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한은 2 x + 1 2x+12 x + 1 입니다.
문제 3. (표준) f ( x ) = 1 x f(x)=\dfrac{1}{x}f ( x ) = x 1 의 도함수를 정의로 구하시오.
답. − 1 x 2 -\dfrac{1}{x^2}− x 2 1 .
풀이. 1 x + h − 1 x h = 1 h ⋅ x − ( x + h ) x ( x + h ) = 1 h ⋅ − h x ( x + h ) = − 1 x ( x + h ) \dfrac{\frac{1}{x+h}-\frac{1}{x}}{h}=\dfrac{1}{h}\cdot\dfrac{x-(x+h)}{x(x+h)}=\dfrac{1}{h}\cdot\dfrac{-h}{x(x+h)}=\dfrac{-1}{x(x+h)}h x + h 1 − x 1 = h 1 ⋅ x ( x + h ) x − ( x + h ) = h 1 ⋅ x ( x + h ) − h = x ( x + h ) − 1 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한은 − 1 x 2 -\dfrac{1}{x^2}− x 2 1 입니다.
문제 4. (심화) f ( x ) = x f(x)=\sqrt{x}f ( x ) = x 의 도함수를 정의로 구하시오.
답. 1 2 x \dfrac{1}{2\sqrt{x}}2 x 1 .
풀이. x + h − x h \dfrac{\sqrt{x+h}-\sqrt{x}}{h}h x + h − x 에 켤레 x + h + x \sqrt{x+h}+\sqrt{x}x + h + x 를 곱하면 분자가 ( x + h ) − x = h (x+h)-x=h( x + h ) − x = h 가 되어 h h ( x + h + x ) = 1 x + h + x \dfrac{h}{h(\sqrt{x+h}+\sqrt{x})}=\dfrac{1}{\sqrt{x+h}+\sqrt{x}}h ( x + h + x ) h = x + h + x 1 입니다. h → 0 h\to0h → 0 극한은 1 2 x \dfrac{1}{2\sqrt{x}}2 x 1 입니다.
정의로 매번 극한을 잡는 것은 번거롭습니다. 다항함수는 다음 규칙으로 즉시 미분합니다.
거듭제곱 법칙. d d x x n = n x n − 1 \dfrac{d}{dx}x^n=n\,x^{n-1}d x d x n = n x n − 1 (모든 실수 n nn )
선형성. d d x [ a f ( x ) + b g ( x ) ] = a f ′ ( x ) + b g ′ ( x ) \dfrac{d}{dx}[a\,f(x)+b\,g(x)]=a\,f'(x)+b\,g'(x)d x d [ a f ( x ) + b g ( x ) ] = a f ′ ( x ) + b g ′ ( x )
거듭제곱 법칙은 앞에서 정의로 확인한 x 2 → 2 x x^2\to2xx 2 → 2 x , x 3 → 3 x 2 x^3\to3x^2x 3 → 3 x 2 과 일치합니다. 상수는 미분하면 사라지고(d d x c = 0 \frac{d}{dx}c=0d x d c = 0 ), 상수배는 그대로 앞으로 나옵니다.
예를 들어
d d x ( 4 x 3 − 2 x 2 + 7 x − 5 ) = 4 ⋅ 3 x 2 − 2 ⋅ 2 x + 7 ⋅ 1 − 0 = 12 x 2 − 4 x + 7 \frac{d}{dx}\bigl(4x^3-2x^2+7x-5\bigr)=4\cdot3x^2-2\cdot2x+7\cdot1-0=12x^2-4x+7
d x d ( 4 x 3 − 2 x 2 + 7 x − 5 ) = 4 ⋅ 3 x 2 − 2 ⋅ 2 x + 7 ⋅ 1 − 0 = 1 2 x 2 − 4 x + 7
입니다. 지수가 음수나 분수여도 규칙은 같습니다. 1 x = x − 1 \dfrac{1}{x}=x^{-1}x 1 = x − 1 이므로 d d x x − 1 = − 1 ⋅ x − 2 = − 1 x 2 \dfrac{d}{dx}x^{-1}=-1\cdot x^{-2}=-\dfrac{1}{x^2}d x d x − 1 = − 1 ⋅ x − 2 = − x 2 1 이고, x = x 1 / 2 \sqrt{x}=x^{1/2}x = x 1 / 2 이므로 d d x x 1 / 2 = 1 2 x − 1 / 2 = 1 2 x \dfrac{d}{dx}x^{1/2}=\dfrac{1}{2}x^{-1/2}=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}d x d x 1 / 2 = 2 1 x − 1 / 2 = 2 x 1 입니다. 두 결과 모두 2.3의 정의 계산과 정확히 맞습니다.
문제 1. (기초) f ( x ) = x 4 f(x)=x^4f ( x ) = x 4 의 도함수를 구하시오.
답. 4 x 3 4x^34 x 3 .
풀이. 거듭제곱 법칙으로 d d x x 4 = 4 x 4 − 1 = 4 x 3 \dfrac{d}{dx}x^4=4x^{4-1}=4x^3d x d x 4 = 4 x 4 − 1 = 4 x 3 입니다.
문제 2. (기초) f ( x ) = 3 x 2 − 5 x + 2 f(x)=3x^2-5x+2f ( x ) = 3 x 2 − 5 x + 2 의 도함수를 구하시오.
답. 6 x − 5 6x-56 x − 5 .
풀이. 항별로 미분하면 3 ⋅ 2 x − 5 ⋅ 1 + 0 = 6 x − 5 3\cdot2x-5\cdot1+0=6x-53 ⋅ 2 x − 5 ⋅ 1 + 0 = 6 x − 5 입니다.
문제 3. (표준) f ( x ) = 2 x 3 f(x)=\dfrac{2}{x^3}f ( x ) = x 3 2 의 도함수를 구하시오.
답. − 6 x 4 -\dfrac{6}{x^4}− x 4 6 .
풀이. 2 x 3 = 2 x − 3 \dfrac{2}{x^3}=2x^{-3}x 3 2 = 2 x − 3 입니다. d d x 2 x − 3 = 2 ⋅ ( − 3 ) x − 4 = − 6 x − 4 = − 6 x 4 \dfrac{d}{dx}2x^{-3}=2\cdot(-3)x^{-4}=-6x^{-4}=-\dfrac{6}{x^4}d x d 2 x − 3 = 2 ⋅ ( − 3 ) x − 4 = − 6 x − 4 = − x 4 6 입니다.
문제 4. (표준) f ( x ) = x x f(x)=x\sqrt{x}f ( x ) = x x 의 도함수를 구하시오.
답. 3 2 x \dfrac{3}{2}\sqrt{x}2 3 x .
풀이. x x = x ⋅ x 1 / 2 = x 3 / 2 x\sqrt{x}=x\cdot x^{1/2}=x^{3/2}x x = x ⋅ x 1 / 2 = x 3 / 2 입니다. d d x x 3 / 2 = 3 2 x 1 / 2 = 3 2 x \dfrac{d}{dx}x^{3/2}=\dfrac{3}{2}x^{1/2}=\dfrac{3}{2}\sqrt{x}d x d x 3 / 2 = 2 3 x 1 / 2 = 2 3 x 입니다.
문제 5. (표준) f ( x ) = x 2 − 3 x + 1 x f(x)=\dfrac{x^2-3x+1}{x}f ( x ) = x x 2 − 3 x + 1 의 도함수를 구하시오.
답. 1 − 1 x 2 1-\dfrac{1}{x^2}1 − x 2 1 .
풀이. 먼저 항별로 나눕니다. x 2 − 3 x + 1 x = x − 3 + x − 1 \dfrac{x^2-3x+1}{x}=x-3+x^{-1}x x 2 − 3 x + 1 = x − 3 + x − 1 입니다. 미분하면 1 − 0 + ( − 1 ) x − 2 = 1 − 1 x 2 1-0+(-1)x^{-2}=1-\dfrac{1}{x^2}1 − 0 + ( − 1 ) x − 2 = 1 − x 2 1 입니다.
문제 6. (심화) f ( x ) = x 3 − 3 x f(x)=x^3-3xf ( x ) = x 3 − 3 x 의 접선이 수평이 되는 점의 x xx 좌표를 모두 구하시오.
답. x = 1 x=1x = 1 과 x = − 1 x=-1x = − 1 .
풀이. 접선이 수평이면 기울기 f ′ ( x ) = 0 f'(x)=0f ′ ( x ) = 0 입니다. f ′ ( x ) = 3 x 2 − 3 = 3 ( x 2 − 1 ) = 0 f'(x)=3x^2-3=3(x^2-1)=0f ′ ( x ) = 3 x 2 − 3 = 3 ( x 2 − 1 ) = 0 에서 x 2 = 1 x^2=1x 2 = 1 , 즉 x = ± 1 x=\pm1x = ± 1 입니다.
미분가능성은 연속성보다 강한 조건입니다.
f ff 가 x = a x=ax = a 에서 미분가능하면 f ff 는 x = a x=ax = a 에서 연속입니다. 그러나 그 역은 성립하지 않습니다.
이유는 이렇습니다. 미분가능하면 f ( a + h ) − f ( a ) h \dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}h f ( a + h ) − f ( a ) 가 유한한 극한 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 를 가집니다. 여기에 h hh 를 곱한 f ( a + h ) − f ( a ) f(a+h)-f(a)f ( a + h ) − f ( a ) 는 f ′ ( a ) ⋅ 0 = 0 f'(a)\cdot 0=0f ′ ( a ) ⋅ 0 = 0 으로 가므로 h → 0 f ( a + h ) = f ( a ) \lim_{h\to0}f(a+h)=f(a)lim h → 0 f ( a + h ) = f ( a ) , 곧 연속입니다.
역이 성립하지 않는 대표 예는 f ( x ) = ∣ x ∣ f(x)=|x|f ( x ) = ∣ x ∣ 입니다. 이 함수는 x = 0 x=0x = 0 에서 연속이지만, 좌미분계수와 우미분계수가 다릅니다. x > 0 x>0x > 0 쪽 기울기는 + 1 +1+ 1 , x < 0 x<0x < 0 쪽 기울기는 − 1 -1− 1 이므로 뾰족점에서 미분계수가 정의되지 않습니다.
문제 1. (기초) 미분가능하지만 연속이 아닐 수 있는가?
답. 없습니다.
풀이. 미분가능이면 반드시 연속입니다. 따라서 "미분가능한데 불연속"인 함수는 존재하지 않습니다.
문제 2. (표준) f ( x ) = ∣ x − 2 ∣ f(x)=|x-2|f ( x ) = ∣ x − 2 ∣ 가 x = 2 x=2x = 2 에서 미분불가능함을 설명하시오.
답. 좌·우 미분계수가 − 1 -1− 1 과 + 1 +1+ 1 로 다르기 때문입니다.
풀이. x > 2 x>2x > 2 이면 f ( x ) = x − 2 f(x)=x-2f ( x ) = x − 2 라 기울기 + 1 +1+ 1 , x < 2 x<2x < 2 이면 f ( x ) = − ( x − 2 ) f(x)=-(x-2)f ( x ) = − ( x − 2 ) 라 기울기 − 1 -1− 1 입니다. 두 값이 다르므로 x = 2 x=2x = 2 에서 미분계수가 존재하지 않습니다. 다만 f ( 2 ) = 0 f(2)=0f ( 2 ) = 0 이고 좌·우극한도 0이라 연속은 합니다.
문제 3. (심화) f ( x ) = { x 2 ( x ≤ 1 ) a x + b ( x > 1 ) f(x)=\begin{cases}x^2 & (x\le 1)\\ ax+b & (x>1)\end{cases}f ( x ) = { x 2 a x + b ( x ≤ 1 ) ( x > 1 ) 가 x = 1 x=1x = 1 에서 미분가능하도록 a , b a,ba , b 를 정하시오.
답. a = 2 a=2a = 2 , b = − 1 b=-1b = − 1 .
풀이. 먼저 연속이어야 하므로 좌·우 함숫값이 같아야 합니다. 좌쪽 1 2 = 1 1^2=11 2 = 1 , 우쪽 a + b a+ba + b 이므로 a + b = 1 a+b=1a + b = 1 입니다. 다음으로 미분계수가 같아야 합니다. 왼쪽 도함수는 2 x 2x2 x 라 x = 1 x=1x = 1 에서 2 22 , 오른쪽 도함수는 a aa 이므로 a = 2 a=2a = 2 입니다. 그러면 b = 1 − a = − 1 b=1-a=-1b = 1 − a = − 1 입니다.
평균변화율 = f ( b ) − f ( a ) b − a =\dfrac{f(b)-f(a)}{b-a}= b − a f ( b ) − f ( a ) (할선 기울기), 순간변화율 = f ′ ( a ) =f'(a)= f ′ ( a ) (접선 기울기).
미분계수 정의: f ′ ( a ) = h → 0 f ( a + h ) − f ( a ) h f'(a)=\lim_{h\to0}\dfrac{f(a+h)-f(a)}{h}f ′ ( a ) = lim h → 0 h f ( a + h ) − f ( a ) .
도함수 정의: f ′ ( x ) = h → 0 f ( x + h ) − f ( x ) h f'(x)=\lim_{h\to0}\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}f ′ ( x ) = lim h → 0 h f ( x + h ) − f ( x ) .
거듭제곱: d d x x n = n x n − 1 \dfrac{d}{dx}x^n=nx^{n-1}d x d x n = n x n − 1 (음수·분수 지수도 동일).
선형성: 상수배는 앞으로, 합은 항별로, 상수는 0.
접선: y − f ( a ) = f ′ ( a ) ( x − a ) y-f(a)=f'(a)(x-a)y − f ( a ) = f ′ ( a ) ( x − a ) . 수평접선 ⇔ f ′ ( a ) = 0 \Leftrightarrow f'(a)=0⇔ f ′ ( a ) = 0 .
미분가능 ⇒ \Rightarrow⇒ 연속. 역은 거짓(∣ x ∣ |x|∣ x ∣ 의 뾰족점).
문제 1. (기초) f ( x ) = 3 x 2 f(x)=3x^2f ( x ) = 3 x 2 의 x = 1 x=1x = 1 에서 x = 4 x=4x = 4 까지 평균변화율을 구하시오.
답. 15 151 5 .
풀이. f ( 4 ) − f ( 1 ) 4 − 1 = 48 − 3 3 = 45 3 = 15 \dfrac{f(4)-f(1)}{4-1}=\dfrac{48-3}{3}=\dfrac{45}{3}=154 − 1 f ( 4 ) − f ( 1 ) = 3 4 8 − 3 = 3 4 5 = 1 5 입니다.
문제 2. (기초) f ( x ) = x 5 − 2 x + 1 f(x)=x^5-2x+1f ( x ) = x 5 − 2 x + 1 의 도함수를 구하시오.
답. 5 x 4 − 2 5x^4-25 x 4 − 2 .
풀이. 항별로 미분하면 5 x 4 − 2 + 0 = 5 x 4 − 2 5x^4-2+0=5x^4-25 x 4 − 2 + 0 = 5 x 4 − 2 입니다.
문제 3. (기초) f ( x ) = 1 x 2 f(x)=\dfrac{1}{x^2}f ( x ) = x 2 1 의 도함수를 구하시오.
답. − 2 x 3 -\dfrac{2}{x^3}− x 3 2 .
풀이. 1 x 2 = x − 2 \dfrac{1}{x^2}=x^{-2}x 2 1 = x − 2 이므로 d d x x − 2 = − 2 x − 3 = − 2 x 3 \dfrac{d}{dx}x^{-2}=-2x^{-3}=-\dfrac{2}{x^3}d x d x − 2 = − 2 x − 3 = − x 3 2 입니다.
문제 4. (표준) f ( x ) = 4 x f(x)=4\sqrt{x}f ( x ) = 4 x 의 x = 4 x=4x = 4 에서의 미분계수를 구하시오.
답. 1 11 .
풀이. 4 x = 4 x 1 / 2 4\sqrt{x}=4x^{1/2}4 x = 4 x 1 / 2 이므로 f ′ ( x ) = 4 ⋅ 1 2 x − 1 / 2 = 2 x f'(x)=4\cdot\dfrac{1}{2}x^{-1/2}=\dfrac{2}{\sqrt{x}}f ′ ( x ) = 4 ⋅ 2 1 x − 1 / 2 = x 2 입니다. x = 4 x=4x = 4 를 넣으면 2 2 = 1 \dfrac{2}{2}=12 2 = 1 입니다.
문제 5. (표준) f ( x ) = x 2 + 2 x f(x)=x^2+2xf ( x ) = x 2 + 2 x 의 x = 1 x=1x = 1 에서의 접선의 방정식을 구하시오.
답. y = 4 x − 1 y=4x-1y = 4 x − 1 .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x + 2 f'(x)=2x+2f ′ ( x ) = 2 x + 2 라 f ′ ( 1 ) = 4 f'(1)=4f ′ ( 1 ) = 4 이고 f ( 1 ) = 1 + 2 = 3 f(1)=1+2=3f ( 1 ) = 1 + 2 = 3 입니다. 접선은 y − 3 = 4 ( x − 1 ) y-3=4(x-1)y − 3 = 4 ( x − 1 ) , 즉 y = 4 x − 1 y=4x-1y = 4 x − 1 입니다.
문제 6. (표준) 곡선 y = x 3 − 3 x 2 y=x^3-3x^2y = x 3 − 3 x 2 위에서 접선이 수평인 점을 모두 구하시오.
답. ( 0 , 0 ) (0,0)( 0 , 0 ) 과 ( 2 , − 4 ) (2,-4)( 2 , − 4 ) .
풀이. f ′ ( x ) = 3 x 2 − 6 x = 3 x ( x − 2 ) = 0 f'(x)=3x^2-6x=3x(x-2)=0f ′ ( x ) = 3 x 2 − 6 x = 3 x ( x − 2 ) = 0 에서 x = 0 x=0x = 0 또는 x = 2 x=2x = 2 입니다. f ( 0 ) = 0 f(0)=0f ( 0 ) = 0 , f ( 2 ) = 8 − 12 = − 4 f(2)=8-12=-4f ( 2 ) = 8 − 1 2 = − 4 이므로 두 점은 ( 0 , 0 ) (0,0)( 0 , 0 ) , ( 2 , − 4 ) (2,-4)( 2 , − 4 ) 입니다.
문제 7. (표준) f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 일 때 h → 0 f ( 2 + h ) − f ( 2 ) h \lim_{h\to0}\dfrac{f(2+h)-f(2)}{h}lim h → 0 h f ( 2 + h ) − f ( 2 ) 의 값을 구하시오.
답. 4 44 .
풀이. 이 극한은 정의상 f ′ ( 2 ) f'(2)f ′ ( 2 ) 입니다. f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2xf ′ ( x ) = 2 x 이므로 f ′ ( 2 ) = 4 f'(2)=4f ′ ( 2 ) = 4 입니다.
문제 8. (표준) f ( x ) = x 3 f(x)=x^3f ( x ) = x 3 일 때 x → 2 f ( x ) − f ( 2 ) x − 2 \lim_{x\to2}\dfrac{f(x)-f(2)}{x-2}lim x → 2 x − 2 f ( x ) − f ( 2 ) 의 값을 구하시오.
답. 12 121 2 .
풀이. 이 극한은 미분계수 정의의 다른 형태로 f ′ ( 2 ) f'(2)f ′ ( 2 ) 와 같습니다. f ′ ( x ) = 3 x 2 f'(x)=3x^2f ′ ( x ) = 3 x 2 이므로 f ′ ( 2 ) = 12 f'(2)=12f ′ ( 2 ) = 1 2 입니다.
문제 9. (심화) f ( x ) = x 2 − 6 x + 5 f(x)=x^2-6x+5f ( x ) = x 2 − 6 x + 5 의 그래프에 그은 접선 중 기울기가 − 2 -2− 2 인 접선의 방정식을 구하시오.
답. y = − 2 x + 1 y=-2x+1y = − 2 x + 1 .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x − 6 = − 2 f'(x)=2x-6=-2f ′ ( x ) = 2 x − 6 = − 2 에서 x = 2 x=2x = 2 입니다. f ( 2 ) = 4 − 12 + 5 = − 3 f(2)=4-12+5=-3f ( 2 ) = 4 − 1 2 + 5 = − 3 이므로 접선은 y − ( − 3 ) = − 2 ( x − 2 ) y-(-3)=-2(x-2)y − ( − 3 ) = − 2 ( x − 2 ) , 즉 y = − 2 x + 1 y=-2x+1y = − 2 x + 1 입니다.
문제 10. (심화) 곡선 y = x 2 y=x^2y = x 2 위의 점 ( 1 , 1 ) (1,1)( 1 , 1 ) 에서의 접선과 x xx 축이 만나는 점을 구하시오.
답. ( 1 2 , 0 ) \left(\dfrac{1}{2},0\right)( 2 1 , 0 ) .
풀이. f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2xf ′ ( x ) = 2 x 라 f ′ ( 1 ) = 2 f'(1)=2f ′ ( 1 ) = 2 이므로 접선은 y − 1 = 2 ( x − 1 ) y-1=2(x-1)y − 1 = 2 ( x − 1 ) , 즉 y = 2 x − 1 y=2x-1y = 2 x − 1 입니다. y = 0 y=0y = 0 을 넣으면 0 = 2 x − 1 0=2x-10 = 2 x − 1 , x = 1 2 x=\dfrac{1}{2}x = 2 1 이므로 교점은 ( 1 2 , 0 ) \left(\dfrac{1}{2},0\right)( 2 1 , 0 ) 입니다.
문제 11. (심화) f ( x ) = x 3 − x f(x)=x^3-xf ( x ) = x 3 − x 의 두 점 x = − 1 x=-1x = − 1 , x = 2 x=2x = 2 에서의 접선의 기울기의 합을 구하시오.
답. 13 131 3 .
풀이. f ′ ( x ) = 3 x 2 − 1 f'(x)=3x^2-1f ′ ( x ) = 3 x 2 − 1 입니다. f ′ ( − 1 ) = 3 − 1 = 2 f'(-1)=3-1=2f ′ ( − 1 ) = 3 − 1 = 2 , f ′ ( 2 ) = 12 − 1 = 11 f'(2)=12-1=11f ′ ( 2 ) = 1 2 − 1 = 1 1 이므로 합은 2 + 11 = 13 2+11=132 + 1 1 = 1 3 입니다.
문제 12. (심화) f ( x ) = { a x 2 + b x ( x ≤ 2 ) 3 x − 2 ( x > 2 ) f(x)=\begin{cases}ax^2+bx & (x\le 2)\\ 3x-2 & (x>2)\end{cases}f ( x ) = { a x 2 + b x 3 x − 2 ( x ≤ 2 ) ( x > 2 ) 가 x = 2 x=2x = 2 에서 미분가능하도록 a , b a,ba , b 를 정하시오. (단, x = 2 x=2x = 2 에서 연속)
답. a = 1 2 a=\dfrac{1}{2}a = 2 1 , b = 1 b=1b = 1 .
풀이. 연속 조건은 좌·우 함숫값이 같아야 하므로 4 a + 2 b = 3 ⋅ 2 − 2 = 4 4a+2b=3\cdot2-2=44 a + 2 b = 3 ⋅ 2 − 2 = 4 입니다. 미분 조건은 좌쪽 도함수 2 a x + b 2ax+b2 a x + b 의 x = 2 x=2x = 2 값 4 a + b 4a+b4 a + b 가 우쪽 도함수 3 33 과 같아야 하므로 4 a + b = 3 4a+b=34 a + b = 3 입니다. 두 식을 빼면 b = 1 b=1b = 1 이고, 4 a + 2 = 4 4a+2=44 a + 2 = 4 에서 a = 1 2 a=\dfrac{1}{2}a = 2 1 입니다.
문제 13. (심화) f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 의 그래프에서 x = a x=ax = a 와 x = a + 2 x=a+2x = a + 2 의 두 점을 잇는 할선의 기울기가, x = 3 x=3x = 3 에서의 접선 기울기와 같아지도록 a aa 를 정하시오.
답. a = 2 a=2a = 2 .
풀이. 할선 기울기는 ( a + 2 ) 2 − a 2 2 = 4 a + 4 2 = 2 a + 2 \dfrac{(a+2)^2-a^2}{2}=\dfrac{4a+4}{2}=2a+22 ( a + 2 ) 2 − a 2 = 2 4 a + 4 = 2 a + 2 입니다. x = 3 x=3x = 3 의 접선 기울기는 f ′ ( 3 ) = 6 f'(3)=6f ′ ( 3 ) = 6 입니다. 2 a + 2 = 6 2a+2=62 a + 2 = 6 에서 a = 2 a=2a = 2 입니다.
평균변화율과 순간변화율의 차이를 할선과 접선으로 설명할 수 있는가?
f ( x ) = x 2 − x f(x)=x^2-xf ( x ) = x 2 − x 의 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 를 정의로 구할 수 있는가? (정답: 2 a − 1 2a-12 a − 1 )
거듭제곱 법칙으로 d d x ( x 4 − 1 x ) \dfrac{d}{dx}\left(x^4-\dfrac{1}{x}\right)d x d ( x 4 − x 1 ) 을 구할 수 있는가? (정답: 4 x 3 + 1 x 2 4x^3+\dfrac{1}{x^2}4 x 3 + x 2 1 )
f ( x ) = x 2 f(x)=x^2f ( x ) = x 2 의 x = 2 x=2x = 2 에서의 접선의 방정식을 쓸 수 있는가? (정답: y = 4 x − 4 y=4x-4y = 4 x − 4 )
x \sqrt{x}x 의 도함수가 1 2 x \dfrac{1}{2\sqrt{x}}2 x 1 임을 정의로 확인할 수 있는가?
"미분가능하면 연속"의 이유를 말할 수 있는가?
연속이지만 미분불가능한 함수의 예를 들 수 있는가? (예: ∣ x ∣ |x|∣ x ∣ )
곡선 y = x 3 − 3 x y=x^3-3xy = x 3 − 3 x 에서 수평접선을 갖는 점을 찾을 수 있는가? (정답: x = ± 1 x=\pm1x = ± 1 )