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04 실함수의 극한

5.1 미분계수와 도함수

함수  

→ ℝ의 그래프 위의 점   에서    의 그래프에 접하는 직선의 기울기를 구해보 자. 정의역의 원소 에 대하여  ≠ 일 때

 ≔   

    

는 두 점   ,   를 잇는 선분의 기울기가 된다. 이때 를 의 값이 에서 까지 변할 때의

 의 평균변화율이라고 부른다.  ≔     ,  ≔   라고 하면 위 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

  

      

 



05 실함수의 미분

133

5.1 미분계수와 도함수

여기서 를 에 접근시키면 의 값은 에 가까워지고, 의 값은 점   에서 함수의 그래프에 접하 는 직선의 기울기에 가까워진다. 따라서 극한 개념을 이용하면 접선의 기울기는

lim

 →   

    

lim

 → 

      

가 된다. 이 값을 에서  의 순간변화율이라고 부른다.

보기

5.1.1  ≔ 

,  ≔ 일 때    의 그래프 위의 점      에서 접선의 기울기는

lim

 → 

      

lim

 → 

   

lim

 → 

  

 

이다. 실제로 그래프 소프트웨어를 이용하여 함수   의 그래프를 그려보면 점  에서   의 그래 와 직선     이 접하는 것을 볼 수 있다.

이러한 개념을 바탕으로 미분을 정의한다.

정의 5.1.2 미분

실함수  

→ ℝ가 점 ∈

에서 미분 가능하다(differentiable)는 것은 극한

lim

 → 

      

(1) 가 수렴하는 것을 의미한다. 이 극한을 에서  의 미분계수(derivative)라고 부르며  ′ 또는

 로 나타낸다. [‘계수’라는 이름이 붙은 이유를 생각해보자.]

함수  가

의 각 점에서 미분 가능하면  ′은

에서의 함수가 된다. 이때  ′을  의 도함수(derivative func-tion)라고 부른다.  의 도함수  ′을

, 

 또는  

로 나타내기도 한다. 또한    일 때에는  ′을

 ′ 또는 



로 나타내기도 한다.

함수  의 도함수  ′을 미분한 함수  ″을 이계도함수라고 부른다. 즉  ″은  를 두 번 미분한 것이다. 마찬가 지로  를 번 미분한 함수를 계도함수라고 부르며

, 

또는  

으로 나타낸다.    일 때에는  의 계도함수를

  또는 

로 나타내기도 한다. 사실 계도함수는 다음과 같이 귀납적으로 정의된다.

 ≔  ,    

 

극한에서 좌극한과 우극한을 생각한 것처럼 미분계수도 좌미분계수와 우미분계수를 생각할 수 있다.

정의 5.1.3 한방향 미분계수

함수  

→ ℝ와 점 ∈

에 대하여 다음과 같이 정의한다.

(ⅰ) 에서  의 좌미분계수 :

  ≔ ′ ≔

lim

 →  

      

(ⅱ) 에서  의 우미분계수 :

  ≔ ′ ≔

lim

 →  

      

극한의 정의에 의하면   일 때 함수     → ℝ에 대하여

 ′  ≔ ′ ,  ′ ≔ ′

이다. 즉 구간의 왼쪽 끝점에서의 미분계수는 우미분계수로 정의되며, 구간의 오른쪽 끝점에서의 미분계수는 좌 미분계수로 정의된다.

한방향 극한의 성질(정리 4.1.14)에 의하여 다음을 얻는다.

함수  

→ ℝ와 점 ∈

, 실수

가 주어졌다고 하자. 그리고 가

의 좌집적점이면서 우집적점 이라고 하자. 이때  ′ 

일 필요충분조건은 ′   ′ 

인 것이다.

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5.1 미분계수와 도함수

미분 가능성을 정의하는 방법을 두 가지 더 살펴보자. 먼저

  

  

    

,  ≠  (2)

로 정의된 평균변화율함수를 이용하는 방법이다.

정리 5.1.4 평균변화율함수를 이용한 미분계수의 정의

함수  

→ ℝ가 ∈

에서 미분 가능할 필요충분조건은 함수

→ ℝ가 존재하여

는 에서 연속이고 임의의 ∈

에 대하여

  

      (3) 를 만족시키는 것이다. 이때

   ′가 된다.

증명

함수  가 에서 미분 가능하다고 하자. 그러면 극한 (1)이  ′로서 존재한다.  ≠ 일 때에는

를 (2) 로 정의하고,   일 때에는

 ≔  ′라고 하자. 그러면 임의의 ∈

에 대하여 (3)이 성립하고

는 에서 연속이다.

역으로 (3)이 성립한다고 하자. 그러면 ∈

∖에 대하여 (2)가 성립한다.

는 에서 연속이므로

(2)에  → 인 극한을 취하면

   ′를 얻는다. ■

따름정리

5.1.5

함수  

→ ℝ가 ∈

에서 미분 가능하면  는 에서 연속이다.

증명

가 에서 미분 가능하면 정리 5.1.4를 만족시키는 함수

가 존재한다. 이때

lim

 → 

  

lim

 → 

        ′⋅      

이므로  는 에서 연속이다. ■

다음으로는 일차근사식을 이용하는 방법이다. 즉 미분 가능한 함수는 미분 가능한 점 주변에서 일차함수와 비 슷하다는 것이다.

정리 5.1.6 일차근사식을 이용한 미분계수의 정의

함수  

→ ℝ가 ∈

에서 미분 가능할 필요충분조건은

   꼴의 선형함수

가 존재하여

lim

 → 

       



  (4)

을 만족시키는 것이다.

증명

가 에서 미분 가능하다고 하자.  ≔  ′,

 ≔ 라고 하면 (1)에 의하여  → 일 때



       



 

      

  ′ → 

을 얻는다. 역으로

 ≔ 로 정의된 함수

에 대하여 (4)가 성립한다고 하자. 그러면  ≠ 일 때



      

   

        

   

       



가 성립한다. 여기에  → 인 극한을 취하면  ′ 을 얻는다. ■

참고

5.1.7 일반적으로 따름정리 5.1.5의 역은 성립하지 않는다. 즉 함수  가 미분 가능한 점에서 연속이지

만 연속인 점에서 항상 미분 가능한 것은 아니다. 예컨대   ≔ 라고 하면  는 에서 연속이지만 미분 불 가능하다.

한편  는

≔  ∞ 에서 미분 가능하고

≔  ∞ 에서 미분 가능하지만

에서는 미분 가능하지 않다. 즉 함수가 두 집합 위에서 각각 미분 가능하더라도 그들의 합집합 위에서는 미분 가능하지 않을 수 있다.

참고

5.1.8 함수  가 미분 가능하다고 해서 그 점에서  ′이 연속이 되는 것은 아니다. 예를 들어

  ≔

sin  if  ≠ 

 if   

으로 정의된 함수   ℝ → ℝ가 주어졌다고 하자. 그러면  ≠ 일 때

 ′    sin 

 cos 

 그리고  ′ 

lim

 →  sin 

 

이다. 즉  는 ℝ에서 미분 가능하다. 그러나

lim

 → 

 ′   ,

lim

 → 

 ′   

이므로  ′은 에서 연속이 아니다. □

가 길이가 양수인 구간이고 이 자연수라고 하자. 이때

에서 연속인 함수들의 모임을

 또는

로 나타낸다. 그리고

의 모든 점에서 번 미분 가능한 실함수들의 모임을

로 나타내며,

에 속하는 함수 중에서 계도함수가

에서 연속인 함수들을

로 나타낸다. 즉

 ≔

∈ℝ   exists on

 ≔

∈ℝ   exists and is continuous on

로 정의한다. 또한 임의의 에 대하여

에 속하는 함수들의 모임을

로 나타낸다. 즉

 ≔

∈ℝ ∈

 for all ∈ℕ

으로 정의한다. ∈

일 때 ‘ 는

에서 연속적으로 번 미분 가능하다’ 또는 ‘ 는

에서

급이다’라고 말하며, 특히 ∈

일 때 ‘ 는

에서 연속적으로 미분 가능하다(continuously differentiable)’라고 말한다.

를 구간으로 나타낼 때에는 괄호를 생략하여 나타낸다. 예를 들어

 는 간단히

 로 나타낸다.

참고

5.1.9 참고 5.1.8에 의하여 

⊊

임을 알 수 있다. 또한 따름정리 5.1.5에 의하여   일 때

 ⊊

 ⊊

임을 알 수 있다. (‘임의의 횟수로 미분 가능하다’보다 더 강한 조건으로 ‘해석적’이라는 조건을 생각할 수 있다. 이와 관련하여 참고

8.5.4를 보기 바란다.)

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