지금까지는 y = f ( x ) y=f(x)y = f ( x ) 처럼 y yy 가 x xx 의 식으로 깔끔하게 풀린 함수만 미분했습니다. 그러나 x 2 + y 2 = 1 x^2+y^2=1x 2 + y 2 = 1 처럼 y yy 를 하나의 식으로 떼어 낼 수 없는 관계도 많습니다. 또 역함수의 도함수를 원래 함수의 도함수로부터 바로 얻고 싶을 때도 있습니다. 이 강의는 그럴 때 쓰는 두 도구, 음함수 미분과 역함수 미분을 익힙니다. 두 도구의 공통 아이디어는 "y yy 도 x xx 의 함수로 보고 연쇄법칙을 적용한다"입니다.
음함수 관계식을 양변 미분해 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구할 수 있습니다.
y yy 를 포함한 항을 미분할 때 연쇄법칙으로 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 가 붙는 이유를 설명할 수 있습니다.
음함수로 주어진 곡선의 접선을 구할 수 있습니다.
역함수의 도함수 공식을 유도하고 적용할 수 있습니다.
로그미분으로 복잡한 곱·몫·거듭제곱을 미분할 수 있습니다.
기호
읽는 법
뜻
\dfrac{dy}
디와이 디엑스
x xx 에 대한 y yy 의 도함수
d d x ( ⋅ ) \dfrac{d}{dx}(\cdot)d x d ( ⋅ )
디 디엑스
양변을 x xx 로 미분하는 연산
f^
에프 인버스
f ff 의 역함수
( f − 1 ) ′ ( b ) (f^{-1})'(b)( f − 1 ) ′ ( b )
에프 인버스 프라임 비
역함수의 미분계수
y ′ y'y ′
와이 프라임
d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 의 짧은 표기
x xx 와 y yy 가 하나의 식 F ( x , y ) = 0 F(x,y)=0F ( x , y ) = 0 으로 묶여 있고 y yy 를 x xx 의 식으로 풀기 어려울 때, 그래도 미분할 수 있습니다. 핵심은 이렇습니다.
y yy 를 x xx 의 함수로 보고, 식의 양변을 그대로 x xx 로 미분합니다. y yy 가 든 항을 미분할 때는 연쇄법칙에 따라 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 곱합니다.
예를 들어 y 2 y^2y 2 을 x xx 로 미분하면, 바깥은 제곱이고 안쪽은 y yy 이므로 2 y ⋅ d y d x 2y\cdot\dfrac{dy}{dx}2 y ⋅ d x d y 입니다. y yy 자체를 미분하면 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y , y 3 y^3y 3 을 미분하면 3 y 2 d y d x 3y^2\dfrac{dy}{dx}3 y 2 d x d y 입니다. 이렇게 양변을 미분한 뒤 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 에 대해 풀면 됩니다.
원 x 2 + y 2 = 1 x^2+y^2=1x 2 + y 2 = 1 을 봅시다. 양변을 x xx 로 미분하면
2 x + 2 y d y d x = 0 2x+2y\frac{dy}{dx}=0
2 x + 2 y d x d y = 0
이고, d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 에 대해 풀면
d y d x = − x y \frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
d x d y = − y x
입니다. y yy 를 굳이 ± 1 − x 2 \pm\sqrt{1-x^2}± 1 − x 2 로 풀지 않고도 기울기를 얻었습니다.
문제 1. (기초) x 2 + y 2 = 25 x^2+y^2=25x 2 + y 2 = 2 5 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. − x y -\dfrac{x}{y}− y x .
풀이. 양변을 미분하면 2 x + 2 y d y d x = 0 2x+2y\dfrac{dy}{dx}=02 x + 2 y d x d y = 0 입니다. 정리하면 d y d x = − x y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x}{y}d x d y = − y x 입니다.
문제 2. (기초) x y = 4 xy=4x y = 4 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. − y x -\dfrac{y}{x}− x y .
풀이. 좌변에 곱의 법칙을 씁니다. d d x ( x y ) = 1 ⋅ y + x d y d x \dfrac{d}{dx}(xy)=1\cdot y+x\dfrac{dy}{dx}d x d ( x y ) = 1 ⋅ y + x d x d y 이고 우변은 0입니다. y + x d y d x = 0 y+x\dfrac{dy}{dx}=0y + x d x d y = 0 에서 d y d x = − y x \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{y}{x}d x d y = − x y 입니다.
문제 3. (표준) x 2 + x y + y 2 = 7 x^2+xy+y^2=7x 2 + x y + y 2 = 7 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. − 2 x + y x + 2 y -\dfrac{2x+y}{x+2y}− x + 2 y 2 x + y .
풀이. 양변을 미분하면 2 x + ( y + x d y d x ) + 2 y d y d x = 0 2x+\left(y+x\dfrac{dy}{dx}\right)+2y\dfrac{dy}{dx}=02 x + ( y + x d x d y ) + 2 y d x d y = 0 입니다. d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 가 든 항을 모으면 ( x + 2 y ) d y d x = − ( 2 x + y ) (x+2y)\dfrac{dy}{dx}=-(2x+y)( x + 2 y ) d x d y = − ( 2 x + y ) 이므로 d y d x = − 2 x + y x + 2 y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{2x+y}{x+2y}d x d y = − x + 2 y 2 x + y 입니다.
문제 4. (표준) y 3 = x 2 y^3=x^2y 3 = x 2 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. 2 x 3 y 2 \dfrac{2x}{3y^2}3 y 2 2 x .
풀이. 양변을 미분하면 3 y 2 d y d x = 2 x 3y^2\dfrac{dy}{dx}=2x3 y 2 d x d y = 2 x 입니다. 따라서 d y d x = 2 x 3 y 2 \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{2x}{3y^2}d x d y = 3 y 2 2 x 입니다.
음함수 미분으로 얻은 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 에 점의 좌표를 대입하면 그 점에서의 접선의 기울기가 됩니다. 점이 곡선 위에 있어야 하므로, 주어진 점의 x , y x,yx , y 를 모두 대입합니다.
예를 들어 원 x 2 + y 2 = 25 x^2+y^2=25x 2 + y 2 = 2 5 위의 점 ( 3 , 4 ) (3,4)( 3 , 4 ) 에서의 접선을 구해 봅시다. d y d x = − x y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x}{y}d x d y = − y x 에 대입하면 기울기는 − 3 4 -\dfrac{3}{4}− 4 3 입니다. 접선은
y − 4 = − 3 4 ( x − 3 ) y-4=-\frac{3}{4}(x-3)
y − 4 = − 4 3 ( x − 3 )
입니다. 정리하면 3 x + 4 y = 25 3x+4y=253 x + 4 y = 2 5 이고, 이는 원의 접선 공식과도 일치합니다.
문제 1. (표준) x 2 + y 2 = 10 x^2+y^2=10x 2 + y 2 = 1 0 위의 점 ( 1 , 3 ) (1,3)( 1 , 3 ) 에서의 접선의 기울기를 구하시오.
답. − 1 3 -\dfrac{1}{3}− 3 1 .
풀이. d y d x = − x y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x}{y}d x d y = − y x 에 ( 1 , 3 ) (1,3)( 1 , 3 ) 을 대입하면 − 1 3 -\dfrac{1}{3}− 3 1 입니다.
문제 2. (표준) 곡선 x y = 2 xy=2x y = 2 위의 점 ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 에서의 접선의 방정식을 구하시오.
답. y = − 2 x + 4 y=-2x+4y = − 2 x + 4 .
풀이. d y d x = − y x \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{y}{x}d x d y = − x y 에 ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 를 대입하면 기울기 − 2 -2− 2 입니다. 접선은 y − 2 = − 2 ( x − 1 ) y-2=-2(x-1)y − 2 = − 2 ( x − 1 ) , 즉 y = − 2 x + 4 y=-2x+4y = − 2 x + 4 입니다.
문제 3. (심화) 곡선 x 2 − x y + y 2 = 3 x^2-xy+y^2=3x 2 − x y + y 2 = 3 위의 점 ( 1 , − 1 ) (1,-1)( 1 , − 1 ) 에서의 접선의 기울기를 구하시오.
답. 1 11 .
풀이. 양변을 미분하면 2 x − ( y + x d y d x ) + 2 y d y d x = 0 2x-\left(y+x\dfrac{dy}{dx}\right)+2y\dfrac{dy}{dx}=02 x − ( y + x d x d y ) + 2 y d x d y = 0 입니다. 정리하면 ( 2 y − x ) d y d x = y − 2 x (2y-x)\dfrac{dy}{dx}=y-2x( 2 y − x ) d x d y = y − 2 x 이므로 d y d x = y − 2 x 2 y − x \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{y-2x}{2y-x}d x d y = 2 y − x y − 2 x 입니다. ( 1 , − 1 ) (1,-1)( 1 , − 1 ) 을 대입하면 − 1 − 2 − 2 − 1 = − 3 − 3 = 1 \dfrac{-1-2}{-2-1}=\dfrac{-3}{-3}=1− 2 − 1 − 1 − 2 = − 3 − 3 = 1 입니다.
문제 4. (심화) 곡선 x 3 + y 3 = 9 x^3+y^3=9x 3 + y 3 = 9 위의 점 ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 에서의 접선의 기울기를 구하시오.
답. − 1 4 -\dfrac{1}{4}− 4 1 .
풀이. 양변을 미분하면 3 x 2 + 3 y 2 d y d x = 0 3x^2+3y^2\dfrac{dy}{dx}=03 x 2 + 3 y 2 d x d y = 0 이므로 d y d x = − x 2 y 2 \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x^2}{y^2}d x d y = − y 2 x 2 입니다. ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 를 대입하면 − 1 4 -\dfrac{1}{4}− 4 1 입니다.
f ff 의 역함수 f − 1 f^{-1}f − 1 의 도함수는 원래 함수의 도함수로부터 바로 얻을 수 있습니다. 핵심 관계는 f ( f − 1 ( x ) ) = x f(f^{-1}(x))=xf ( f − 1 ( x ) ) = x 입니다. 양변을 x xx 로 미분하고 연쇄법칙을 쓰면
f ′ ( f − 1 ( x ) ) ⋅ ( f − 1 ) ′ ( x ) = 1 f'\bigl(f^{-1}(x)\bigr)\cdot(f^{-1})'(x)=1
f ′ ( f − 1 ( x ) ) ⋅ ( f − 1 ) ′ ( x ) = 1
이므로 다음이 나옵니다.
( f − 1 ) ′ ( x ) = 1 f ′ ( f − 1 ( x ) ) (f^{-1})'(x)=\frac{1}{f'\bigl(f^{-1}(x)\bigr)}
( f − 1 ) ′ ( x ) = f ′ ( f − 1 ( x ) ) 1
점으로 쓰면, f ( a ) = b f(a)=bf ( a ) = b 일 때 ( f − 1 ) ′ ( b ) = 1 f ′ ( a ) (f^{-1})'(b)=\dfrac{1}{f'(a)}( f − 1 ) ′ ( b ) = f ′ ( a ) 1 입니다.
직관은 이렇습니다. 역함수의 그래프는 원래 그래프를 y = x y=xy = x 에 대칭시킨 것이라, 한 점에서의 기울기가 서로 역수가 됩니다. 주의할 점은 대입하는 위치입니다. ( f − 1 ) ′ ( b ) (f^{-1})'(b)( f − 1 ) ′ ( b ) 를 구하려면 f ′ f'f ′ 을 b bb 가 아니라 대응점 a = f − 1 ( b ) a=f^{-1}(b)a = f − 1 ( b ) 에서 계산해야 합니다.
예를 들어 f ( x ) = x 3 + x + 1 f(x)=x^3+x+1f ( x ) = x 3 + x + 1 의 역함수에 대해 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) (f^{-1})'(1)( f − 1 ) ′ ( 1 ) 을 구해 봅시다. f ( a ) = 1 f(a)=1f ( a ) = 1 인 a aa 를 찾으면 a 3 + a + 1 = 1 a^3+a+1=1a 3 + a + 1 = 1 에서 a = 0 a=0a = 0 입니다. f ′ ( x ) = 3 x 2 + 1 f'(x)=3x^2+1f ′ ( x ) = 3 x 2 + 1 이라 f ′ ( 0 ) = 1 f'(0)=1f ′ ( 0 ) = 1 이므로 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 1 1 = 1 (f^{-1})'(1)=\dfrac{1}{1}=1( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 1 1 = 1 입니다.
문제 1. (기초) f ( x ) = 2 x + 3 f(x)=2x+3f ( x ) = 2 x + 3 의 역함수의 도함수 ( f − 1 ) ′ ( x ) (f^{-1})'(x)( f − 1 ) ′ ( x ) 를 구하시오.
답. 1 2 \dfrac{1}{2}2 1 .
풀이. f ′ ( x ) = 2 f'(x)=2f ′ ( x ) = 2 로 상수이므로 ( f − 1 ) ′ ( x ) = 1 2 (f^{-1})'(x)=\dfrac{1}{2}( f − 1 ) ′ ( x ) = 2 1 입니다. 실제로 f − 1 ( x ) = x − 3 2 f^{-1}(x)=\dfrac{x-3}{2}f − 1 ( x ) = 2 x − 3 의 미분도 1 2 \dfrac{1}{2}2 1 로 일치합니다.
문제 2. (표준) f ( x ) = x 3 f(x)=x^3f ( x ) = x 3 일 때 ( f − 1 ) ′ ( 8 ) (f^{-1})'(8)( f − 1 ) ′ ( 8 ) 을 구하시오.
답. 1 12 \dfrac{1}{12}1 2 1 .
풀이. f ( a ) = 8 f(a)=8f ( a ) = 8 인 a aa 는 a 3 = 8 a^3=8a 3 = 8 에서 a = 2 a=2a = 2 입니다. f ′ ( x ) = 3 x 2 f'(x)=3x^2f ′ ( x ) = 3 x 2 이라 f ′ ( 2 ) = 12 f'(2)=12f ′ ( 2 ) = 1 2 이므로 ( f − 1 ) ′ ( 8 ) = 1 12 (f^{-1})'(8)=\dfrac{1}{12}( f − 1 ) ′ ( 8 ) = 1 2 1 입니다.
문제 3. (표준) f ( x ) = x 2 + 1 f(x)=x^2+1f ( x ) = x 2 + 1 (x ≥ 0 x\ge0x ≥ 0 )일 때 ( f − 1 ) ′ ( 5 ) (f^{-1})'(5)( f − 1 ) ′ ( 5 ) 를 구하시오.
답. 1 4 \dfrac{1}{4}4 1 .
풀이. f ( a ) = 5 f(a)=5f ( a ) = 5 인 a ≥ 0 a\ge0a ≥ 0 는 a 2 + 1 = 5 a^2+1=5a 2 + 1 = 5 에서 a = 2 a=2a = 2 입니다. f ′ ( x ) = 2 x f'(x)=2xf ′ ( x ) = 2 x 이라 f ′ ( 2 ) = 4 f'(2)=4f ′ ( 2 ) = 4 이므로 ( f − 1 ) ′ ( 5 ) = 1 4 (f^{-1})'(5)=\dfrac{1}{4}( f − 1 ) ′ ( 5 ) = 4 1 입니다.
문제 4. (심화) f ( x ) = x + e x f(x)=x+e^xf ( x ) = x + e x 일 때 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) (f^{-1})'(1)( f − 1 ) ′ ( 1 ) 을 구하시오.
답. 1 2 \dfrac{1}{2}2 1 .
풀이. f ( a ) = 1 f(a)=1f ( a ) = 1 인 a aa 는 a + e a = 1 a+e^a=1a + e a = 1 을 만족합니다. a = 0 a=0a = 0 을 넣으면 0 + 1 = 1 0+1=10 + 1 = 1 로 맞으므로 a = 0 a=0a = 0 입니다. f ′ ( x ) = 1 + e x f'(x)=1+e^xf ′ ( x ) = 1 + e x 이라 f ′ ( 0 ) = 1 + 1 = 2 f'(0)=1+1=2f ′ ( 0 ) = 1 + 1 = 2 이므로 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 1 2 (f^{-1})'(1)=\dfrac{1}{2}( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 2 1 입니다.
곱·몫·거듭제곱이 복잡하게 얽힌 함수는 양변에 자연로그를 취한 뒤 미분하면 훨씬 간단해집니다. 로그가 곱을 합으로, 몫을 차로, 거듭제곱을 곱으로 바꾸기 때문입니다. 이것을 로그미분이라 합니다.
절차: (1) 양변에 ln \lnln 을 취한다. (2) 로그 성질로 곱·몫·거듭제곱을 분해한다. (3) 양변을 x xx 로 미분한다(좌변은 y ′ y \dfrac{y'}{y}y y ′ ). (4) y ′ = y × ( ⋯ ) y'=y\times(\cdots)y ′ = y × ( ⋯ ) 로 정리한다.
예를 들어 y = x 2 x + 1 ( x − 1 ) 3 y=\dfrac{x^2\sqrt{x+1}}{(x-1)^3}y = ( x − 1 ) 3 x 2 x + 1 을 봅시다. 양변에 로그를 취하면
ln y = 2 ln x + 1 2 ln ( x + 1 ) − 3 ln ( x − 1 ) \ln y=2\ln x+\frac{1}{2}\ln(x+1)-3\ln(x-1)
ln y = 2 ln x + 2 1 ln ( x + 1 ) − 3 ln ( x − 1 )
미분하면
y ′ y = 2 x + 1 2 ( x + 1 ) − 3 x − 1 \frac{y'}{y}=\frac{2}{x}+\frac{1}{2(x+1)}-\frac{3}{x-1}
y y ′ = x 2 + 2 ( x + 1 ) 1 − x − 1 3
이므로 y ′ = y [ 2 x + 1 2 ( x + 1 ) − 3 x − 1 ] y'=y\left[\dfrac{2}{x}+\dfrac{1}{2(x+1)}-\dfrac{3}{x-1}\right]y ′ = y [ x 2 + 2 ( x + 1 ) 1 − x − 1 3 ] 입니다. 곱·몫의 법칙을 여러 번 쓰는 것보다 훨씬 깔끔합니다.
문제 1. (표준) y = x 2 ( x + 1 ) 3 y=x^2(x+1)^3y = x 2 ( x + 1 ) 3 을 로그미분으로 미분하시오.
답. x ( x + 1 ) 2 ( 5 x + 2 ) x(x+1)^2(5x+2)x ( x + 1 ) 2 ( 5 x + 2 ) .
풀이. ln y = 2 ln x + 3 ln ( x + 1 ) \ln y=2\ln x+3\ln(x+1)ln y = 2 ln x + 3 ln ( x + 1 ) 입니다. 미분하면 y ′ y = 2 x + 3 x + 1 \dfrac{y'}{y}=\dfrac{2}{x}+\dfrac{3}{x+1}y y ′ = x 2 + x + 1 3 입니다. 따라서 y ′ = x 2 ( x + 1 ) 3 [ 2 x + 3 x + 1 ] = 2 x ( x + 1 ) 3 + 3 x 2 ( x + 1 ) 2 y'=x^2(x+1)^3\left[\dfrac{2}{x}+\dfrac{3}{x+1}\right]=2x(x+1)^3+3x^2(x+1)^2y ′ = x 2 ( x + 1 ) 3 [ x 2 + x + 1 3 ] = 2 x ( x + 1 ) 3 + 3 x 2 ( x + 1 ) 2 입니다. x ( x + 1 ) 2 x(x+1)^2x ( x + 1 ) 2 로 묶으면 x ( x + 1 ) 2 [ 2 ( x + 1 ) + 3 x ] = x ( x + 1 ) 2 ( 5 x + 2 ) x(x+1)^2[2(x+1)+3x]=x(x+1)^2(5x+2)x ( x + 1 ) 2 [ 2 ( x + 1 ) + 3 x ] = x ( x + 1 ) 2 ( 5 x + 2 ) 입니다.
문제 2. (표준) y = ( x + 1 ) 2 x 3 y=\dfrac{(x+1)^2}{x^3}y = x 3 ( x + 1 ) 2 을 로그미분으로 미분하시오.
답. ( x + 1 ) 2 x 3 [ 2 x + 1 − 3 x ] \dfrac{(x+1)^2}{x^3}\left[\dfrac{2}{x+1}-\dfrac{3}{x}\right]x 3 ( x + 1 ) 2 [ x + 1 2 − x 3 ] .
풀이. ln y = 2 ln ( x + 1 ) − 3 ln x \ln y=2\ln(x+1)-3\ln xln y = 2 ln ( x + 1 ) − 3 ln x 입니다. 미분하면 y ′ y = 2 x + 1 − 3 x \dfrac{y'}{y}=\dfrac{2}{x+1}-\dfrac{3}{x}y y ′ = x + 1 2 − x 3 이므로 y ′ = ( x + 1 ) 2 x 3 [ 2 x + 1 − 3 x ] y'=\dfrac{(x+1)^2}{x^3}\left[\dfrac{2}{x+1}-\dfrac{3}{x}\right]y ′ = x 3 ( x + 1 ) 2 [ x + 1 2 − x 3 ] 입니다.
문제 3. (심화) y = ( 2 x + 1 ) x y=(2x+1)^xy = ( 2 x + 1 ) x 을 미분하시오. (단, 2 x + 1 > 0 2x+1>02 x + 1 > 0 )
답. ( 2 x + 1 ) x [ ln ( 2 x + 1 ) + 2 x 2 x + 1 ] (2x+1)^x\left[\ln(2x+1)+\dfrac{2x}{2x+1}\right]( 2 x + 1 ) x [ ln ( 2 x + 1 ) + 2 x + 1 2 x ] .
풀이. ln y = x ln ( 2 x + 1 ) \ln y=x\ln(2x+1)ln y = x ln ( 2 x + 1 ) 입니다. 우변을 곱의 법칙으로 미분하면 y ′ y = ln ( 2 x + 1 ) + x ⋅ 2 2 x + 1 \dfrac{y'}{y}=\ln(2x+1)+x\cdot\dfrac{2}{2x+1}y y ′ = ln ( 2 x + 1 ) + x ⋅ 2 x + 1 2 입니다. 따라서 y ′ = ( 2 x + 1 ) x [ ln ( 2 x + 1 ) + 2 x 2 x + 1 ] y'=(2x+1)^x\left[\ln(2x+1)+\dfrac{2x}{2x+1}\right]y ′ = ( 2 x + 1 ) x [ ln ( 2 x + 1 ) + 2 x + 1 2 x ] 입니다.
음함수: 양변을 x xx 로 미분, y yy 항에는 연쇄법칙으로 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 붙인 뒤 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 로 정리.
d d x y n = n y n − 1 d y d x \dfrac{d}{dx}y^n=n y^{n-1}\dfrac{dy}{dx}d x d y n = n y n − 1 d x d y , d d x ( x y ) = y + x d y d x \dfrac{d}{dx}(xy)=y+x\dfrac{dy}{dx}d x d ( x y ) = y + x d x d y .
음함수 접선: d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 에 점 ( x 0 , y 0 ) (x_0,y_0)( x 0 , y 0 ) 의 두 좌표를 모두 대입.
역함수: ( f − 1 ) ′ ( b ) = 1 f ′ ( a ) (f^{-1})'(b)=\dfrac{1}{f'(a)}( f − 1 ) ′ ( b ) = f ′ ( a ) 1 , 단 a = f − 1 ( b ) a=f^{-1}(b)a = f − 1 ( b ) (대응점에서 계산).
역함수 문제는 먼저 f ( a ) = b f(a)=bf ( a ) = b 인 a aa 를 찾는 것이 관건.
로그미분: 곱·몫·거듭제곱은 ln \lnln 으로 분해 후 미분, 마지막에 y yy 를 곱해 복원.
문제 1. (기초) x 2 − y 2 = 9 x^2-y^2=9x 2 − y 2 = 9 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. x y \dfrac{x}{y}y x .
풀이. 양변을 미분하면 2 x − 2 y d y d x = 0 2x-2y\dfrac{dy}{dx}=02 x − 2 y d x d y = 0 입니다. 따라서 d y d x = x y \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{x}{y}d x d y = y x 입니다.
문제 2. (기초) f ( x ) = 5 x − 2 f(x)=5x-2f ( x ) = 5 x − 2 일 때 ( f − 1 ) ′ ( 3 ) (f^{-1})'(3)( f − 1 ) ′ ( 3 ) 을 구하시오.
답. 1 5 \dfrac{1}{5}5 1 .
풀이. f ′ ( x ) = 5 f'(x)=5f ′ ( x ) = 5 로 상수이므로 대응점을 찾을 필요 없이 ( f − 1 ) ′ ( 3 ) = 1 5 (f^{-1})'(3)=\dfrac{1}{5}( f − 1 ) ′ ( 3 ) = 5 1 입니다.
문제 3. (표준) x 3 + y 3 = 6 x y x^3+y^3=6xyx 3 + y 3 = 6 x y 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. 2 y − x 2 y 2 − 2 x \dfrac{2y-x^2}{y^2-2x}y 2 − 2 x 2 y − x 2 .
풀이. 양변을 미분하면 3 x 2 + 3 y 2 d y d x = 6 ( y + x d y d x ) 3x^2+3y^2\dfrac{dy}{dx}=6\left(y+x\dfrac{dy}{dx}\right)3 x 2 + 3 y 2 d x d y = 6 ( y + x d x d y ) 입니다. d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 항을 모으면 ( 3 y 2 − 6 x ) d y d x = 6 y − 3 x 2 (3y^2-6x)\dfrac{dy}{dx}=6y-3x^2( 3 y 2 − 6 x ) d x d y = 6 y − 3 x 2 이므로 d y d x = 6 y − 3 x 2 3 y 2 − 6 x = 2 y − x 2 y 2 − 2 x \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{6y-3x^2}{3y^2-6x}=\dfrac{2y-x^2}{y^2-2x}d x d y = 3 y 2 − 6 x 6 y − 3 x 2 = y 2 − 2 x 2 y − x 2 입니다.
문제 4. (표준) sin y + x = y \sin y+x=ysin y + x = y 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. 1 1 − cos y \dfrac{1}{1-\cos y}1 − cos y 1 .
풀이. 양변을 미분하면 cos y d y d x + 1 = d y d x \cos y\dfrac{dy}{dx}+1=\dfrac{dy}{dx}cos y d x d y + 1 = d x d y 입니다. d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 항을 모으면 1 = ( 1 − cos y ) d y d x 1=(1-\cos y)\dfrac{dy}{dx}1 = ( 1 − cos y ) d x d y 이므로 d y d x = 1 1 − cos y \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{1}{1-\cos y}d x d y = 1 − cos y 1 입니다.
문제 5. (표준) e y = x + y e^y=x+ye y = x + y 일 때 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. 1 e y − 1 \dfrac{1}{e^y-1}e y − 1 1 .
풀이. 양변을 미분하면 e y d y d x = 1 + d y d x e^y\dfrac{dy}{dx}=1+\dfrac{dy}{dx}e y d x d y = 1 + d x d y 입니다. 정리하면 ( e y − 1 ) d y d x = 1 (e^y-1)\dfrac{dy}{dx}=1( e y − 1 ) d x d y = 1 이므로 d y d x = 1 e y − 1 \dfrac{dy}{dx}=\dfrac{1}{e^y-1}d x d y = e y − 1 1 입니다.
문제 6. (표준) f ( x ) = x 3 + 2 x + 1 f(x)=x^3+2x+1f ( x ) = x 3 + 2 x + 1 일 때 ( f − 1 ) ′ ( 4 ) (f^{-1})'(4)( f − 1 ) ′ ( 4 ) 를 구하시오.
답. 1 5 \dfrac{1}{5}5 1 .
풀이. f ( a ) = 4 f(a)=4f ( a ) = 4 인 a aa 는 a 3 + 2 a + 1 = 4 a^3+2a+1=4a 3 + 2 a + 1 = 4 , 즉 a 3 + 2 a − 3 = 0 a^3+2a-3=0a 3 + 2 a − 3 = 0 에서 a = 1 a=1a = 1 입니다(1 + 2 − 3 = 0 1+2-3=01 + 2 − 3 = 0 ). f ′ ( x ) = 3 x 2 + 2 f'(x)=3x^2+2f ′ ( x ) = 3 x 2 + 2 라 f ′ ( 1 ) = 5 f'(1)=5f ′ ( 1 ) = 5 이므로 ( f − 1 ) ′ ( 4 ) = 1 5 (f^{-1})'(4)=\dfrac{1}{5}( f − 1 ) ′ ( 4 ) = 5 1 입니다.
문제 7. (표준) 곡선 x 2 + 4 y 2 = 8 x^2+4y^2=8x 2 + 4 y 2 = 8 위의 점 ( 2 , 1 ) (2,1)( 2 , 1 ) 에서의 접선의 방정식을 구하시오.
답. y = − 1 2 x + 2 y=-\dfrac{1}{2}x+2y = − 2 1 x + 2 .
풀이. 양변을 미분하면 2 x + 8 y d y d x = 0 2x+8y\dfrac{dy}{dx}=02 x + 8 y d x d y = 0 이므로 d y d x = − x 4 y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x}{4y}d x d y = − 4 y x 입니다. ( 2 , 1 ) (2,1)( 2 , 1 ) 을 대입하면 − 2 4 = − 1 2 -\dfrac{2}{4}=-\dfrac{1}{2}− 4 2 = − 2 1 입니다. 접선은 y − 1 = − 1 2 ( x − 2 ) y-1=-\dfrac{1}{2}(x-2)y − 1 = − 2 1 ( x − 2 ) , 즉 y = − 1 2 x + 2 y=-\dfrac{1}{2}x+2y = − 2 1 x + 2 입니다.
문제 8. (심화) 곡선 x 2 y + x y 2 = 6 x^2y+xy^2=6x 2 y + x y 2 = 6 위의 점 ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 에서의 접선의 기울기를 구하시오.
답. − 8 5 -\dfrac{8}{5}− 5 8 .
풀이. 양변을 미분합니다. d d x ( x 2 y ) = 2 x y + x 2 d y d x \dfrac{d}{dx}(x^2y)=2xy+x^2\dfrac{dy}{dx}d x d ( x 2 y ) = 2 x y + x 2 d x d y , d d x ( x y 2 ) = y 2 + x ⋅ 2 y d y d x \dfrac{d}{dx}(xy^2)=y^2+x\cdot2y\dfrac{dy}{dx}d x d ( x y 2 ) = y 2 + x ⋅ 2 y d x d y 입니다. 합이 0이므로 2 x y + y 2 + ( x 2 + 2 x y ) d y d x = 0 2xy+y^2+(x^2+2xy)\dfrac{dy}{dx}=02 x y + y 2 + ( x 2 + 2 x y ) d x d y = 0 입니다. ( 1 , 2 ) (1,2)( 1 , 2 ) 를 대입하면 2 ⋅ 1 ⋅ 2 + 4 + ( 1 + 4 ) d y d x = 0 2\cdot1\cdot2+4+(1+4)\dfrac{dy}{dx}=02 ⋅ 1 ⋅ 2 + 4 + ( 1 + 4 ) d x d y = 0 , 즉 8 + 5 d y d x = 0 8+5\dfrac{dy}{dx}=08 + 5 d x d y = 0 이므로 d y d x = − 8 5 \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{8}{5}d x d y = − 5 8 입니다.
문제 9. (심화) y = x ln x y=x^{\ln x}y = x l n x 을 미분하시오. (단, x > 0 x>0x > 0 )
답. x ln x ⋅ 2 ln x x x^{\ln x}\cdot\dfrac{2\ln x}{x}x l n x ⋅ x 2 ln x .
풀이. 양변에 로그를 취하면 ln y = ln x ⋅ ln x = ( ln x ) 2 \ln y=\ln x\cdot\ln x=(\ln x)^2ln y = ln x ⋅ ln x = ( ln x ) 2 입니다. 미분하면 y ′ y = 2 ln x ⋅ 1 x = 2 ln x x \dfrac{y'}{y}=2\ln x\cdot\dfrac{1}{x}=\dfrac{2\ln x}{x}y y ′ = 2 ln x ⋅ x 1 = x 2 ln x 입니다. 따라서 y ′ = x ln x ⋅ 2 ln x x y'=x^{\ln x}\cdot\dfrac{2\ln x}{x}y ′ = x l n x ⋅ x 2 ln x 입니다.
문제 10. (심화) x + y = 4 \sqrt{x}+\sqrt{y}=4x + y = 4 일 때 점 ( 4 , 4 ) (4,4)( 4 , 4 ) 에서의 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 구하시오.
답. − 1 -1− 1 .
풀이. 양변을 미분하면 1 2 x + 1 2 y d y d x = 0 \dfrac{1}{2\sqrt{x}}+\dfrac{1}{2\sqrt{y}}\dfrac{dy}{dx}=02 x 1 + 2 y 1 d x d y = 0 입니다. 정리하면 d y d x = − y x \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{\sqrt{y}}{\sqrt{x}}d x d y = − x y 입니다. ( 4 , 4 ) (4,4)( 4 , 4 ) 를 대입하면 − 2 2 = − 1 -\dfrac{2}{2}=-1− 2 2 = − 1 입니다.
문제 11. (심화) y = x − 1 ( x + 2 ) 3 ( x + 1 ) 4 y=\dfrac{\sqrt{x-1}\,(x+2)^3}{(x+1)^4}y = ( x + 1 ) 4 x − 1 ( x + 2 ) 3 을 로그미분으로 미분하시오. (도함수를 y yy 로 표현)
답. y [ 1 2 ( x − 1 ) + 3 x + 2 − 4 x + 1 ] y\left[\dfrac{1}{2(x-1)}+\dfrac{3}{x+2}-\dfrac{4}{x+1}\right]y [ 2 ( x − 1 ) 1 + x + 2 3 − x + 1 4 ] .
풀이. ln y = 1 2 ln ( x − 1 ) + 3 ln ( x + 2 ) − 4 ln ( x + 1 ) \ln y=\dfrac{1}{2}\ln(x-1)+3\ln(x+2)-4\ln(x+1)ln y = 2 1 ln ( x − 1 ) + 3 ln ( x + 2 ) − 4 ln ( x + 1 ) 입니다. 미분하면 y ′ y = 1 2 ( x − 1 ) + 3 x + 2 − 4 x + 1 \dfrac{y'}{y}=\dfrac{1}{2(x-1)}+\dfrac{3}{x+2}-\dfrac{4}{x+1}y y ′ = 2 ( x − 1 ) 1 + x + 2 3 − x + 1 4 이므로 y ′ = y [ 1 2 ( x − 1 ) + 3 x + 2 − 4 x + 1 ] y'=y\left[\dfrac{1}{2(x-1)}+\dfrac{3}{x+2}-\dfrac{4}{x+1}\right]y ′ = y [ 2 ( x − 1 ) 1 + x + 2 3 − x + 1 4 ] 입니다.
문제 12. (심화) f ( x ) = tan x f(x)=\tan xf ( x ) = tan x (− π 2 < x < π 2 -\frac{\pi}{2}<x<\frac{\pi}{2}− 2 π < x < 2 π )일 때 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) (f^{-1})'(1)( f − 1 ) ′ ( 1 ) 을 구하시오.
답. 1 2 \dfrac{1}{2}2 1 .
풀이. f ( a ) = 1 f(a)=1f ( a ) = 1 인 a aa 는 tan a = 1 \tan a=1tan a = 1 에서 a = π 4 a=\dfrac{\pi}{4}a = 4 π 입니다. f ′ ( x ) = 2 x = 1 2 x f'(x)=\sec^2 x=\dfrac{1}{\cos^2 x}f ′ ( x ) = sec 2 x = cos 2 x 1 이고 cos π 4 = 1 2 \cos\dfrac{\pi}{4}=\dfrac{1}{\sqrt2}cos 4 π = 2 1 이므로 f ′ ( π 4 ) = 1 ( 1 / 2 ) 2 = 2 f'\!\left(\dfrac{\pi}{4}\right)=\dfrac{1}{(1/\sqrt2)^2}=2f ′ ( 4 π ) = ( 1 / 2 ) 2 1 = 2 입니다. 따라서 ( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 1 2 (f^{-1})'(1)=\dfrac{1}{2}( f − 1 ) ′ ( 1 ) = 2 1 입니다. 이는 역탄젠트의 도함수 1 1 + x 2 \dfrac{1}{1+x^2}1 + x 2 1 에 x = 1 x=1x = 1 을 넣은 값과 일치합니다.
y yy 가 든 항을 미분할 때 왜 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 가 붙는지 연쇄법칙으로 설명할 수 있는가?
x 2 + y 2 = r 2 x^2+y^2=r^2x 2 + y 2 = r 2 에서 d y d x = − x y \dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{x}{y}d x d y = − y x 를 유도할 수 있는가?
음함수로 주어진 곡선의 접선을 점을 대입해 구할 수 있는가?
역함수 도함수 공식 ( f − 1 ) ′ ( b ) = 1 f ′ ( a ) (f^{-1})'(b)=\dfrac{1}{f'(a)}( f − 1 ) ′ ( b ) = f ′ ( a ) 1 에서 a aa 를 어디에 잡아야 하는지 아는가?
f ( x ) = x 3 f(x)=x^3f ( x ) = x 3 의 ( f − 1 ) ′ ( 8 ) (f^{-1})'(8)( f − 1 ) ′ ( 8 ) 을 구할 수 있는가? (정답: 1 12 \dfrac{1}{12}1 2 1 )
로그미분의 4단계 절차를 말할 수 있는가?
y = x x y=x^xy = x x 나 y = ( 2 x + 1 ) x y=(2x+1)^xy = ( 2 x + 1 ) x 처럼 지수에 x xx 가 든 함수를 로그미분으로 처리할 수 있는가?
x y = 1 xy=1x y = 1 의 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 를 음함수 미분과 직접 미분(y = 1 / x y=1/xy = 1 / x ) 두 방법으로 구해 같음을 확인할 수 있는가? (정답: − 1 x 2 -\dfrac{1}{x^2}− x 2 1 )