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04 실함수의 극한

5.6 볼록함수 *

5.6 볼록함수*

우리는 중학교에서 함수의 그래프의 볼록성에 따른 함수의 성질을 배웠다. 예를 들어 그래프가 아래로 볼록한 이차함수는 최솟값을 갖고 위로 볼록한 이차함수는 최댓값을 가진다.

이 절에서는 함수의 볼록성을 논리적으로 정의하고 그와 관련된 성질들을 살펴보자.

정의 5.6.1 볼록함수

가 공집합이 아닌 구간이고  가

에서 정의된 함수라고 하자.

(ⅰ) 만약  ≤  ≤ 인 임의의 와

의 임의의 점 , 에 대하여

        ≤          

가 성립하면 ‘ 는

에서 아래로 볼록하다’ 또는 간단히 ‘ 는

에서 볼록하다(convex)’라고 말한다. 그 리고  를

위에서의 볼록함수라고 부른다.

(ⅱ) 만약   가

에서 볼록하면 ‘ 는

에서 위로 볼록하다’ 또는 ‘ 는

에서 오목하다(concave)’라고 말한 다. 그리고  를

위에서의 오목함수라고 부른다.

정의에 의하면  가

에서 볼록할 필요충분조건은  가

의 임의의 부분구간에서 볼록한 것이다. 또한 모든 일 차함수는

에서 볼록함수인 동시에 오목함수가 된다. [책에 따라서는 ‘오목’이라는 용어를 사용하지 않는 경우도 있다.]

참고

5.6.2

 가

에서 볼록할 필요충분조건은

의 임의의 부분구간  에 대하여 ℝ에서   ,

  를 이은 선분의 양 끝점을 제외한 모든 점이    의 그래프의 위쪽에 놓이는 것이다.

증명

가

에서 볼록하고 ∈  라고 하자.      인 ∈  을 택하자. 그러면 두 점

  ,   를 잇는 선분의 기울기는       이다. 따라서  이 선분 위의 점이면        를 만족시킨다.  가 볼록함수이므로   ≤ 이 성립한다.

역도 비슷한 방법으로 증명된다. ■

참고

5.6.3

함수  가 공집합이 아닌 열린구간  에서 볼록할 필요충분조건은  에서  의 그래프의 기울기가 증가하는 것이다. 즉

        일 때마다   

     

≤   

    

가 성립하는 것이다.

증명

        라고 하자. 그리고 두 점   ,   를 잇는 선분을 그래프로 갖는 일차 함수를 라고 하자.  가 볼록하면   ≤ 이므로

  

    

≤   

  

   

   

≤   

    

가 성립한다. 역으로  가 볼록함수가 아니면 적당한 ∈  에 대하여    이다. 따라서

  

    

   

  

   

   

   

    

가 성립한다. 따라서  에서  의 그래프의 기울기가 증가하지 않는 부분이 존재한다. ■

정리 5.6.4 볼록함수의 도함수 판정법

가 공집합이 아닌 열린구간

에서 미분 가능하다고 하자. 이때  가

에서 볼록함수일 필요충분조건은

에서  ′이 증가함수인 것이다.

증명

가

≕  에서 볼록하다고 가정하자. 그리고  의 두 점 , 에 대하여   라고 하자. 그 러면 충분히 작은   가 존재하여     ,     를 만족시킨다. 따라서 참고 5.6.3에 의하여



      

≤ 

      

가 성립한다. 양변에  → 인 극한을 취하면  ′ ≤  ′를 얻는다.

역으로  ′이  에서 증가한다고 가정하자. 그리고         라고 하자. 그러면 평균값 정 리에 의하여 와  사이에 이 존재하고, 와  사이에 이 존재하여

  

     

  ′ 그리고   

    

  ′

을 만족시킨다. 여기서   이므로  ′ ≤  ′이 성립한다. 따라서 참고 5.6.3에 의하여  는

 에서 볼록하다. ■

따름정리

5.6.5  가 공집합이 아닌 열린구간 

에서 두 번 미분 가능하다고 하자. 이때  가

에서 볼록함수일 필요충분조건은

에서  ″ ≥ 인 것이다. 이 명제를 볼록함수의 이계도함수 판정법이라고 부른다.

증명

정리 5.3.7에 의하면  ″ ≥ 일 필요충분조건은  ′이

에서 증가하는 것이다. 따라서 정리 5.6.4에

의하여 결론을 얻는다. ■

다음으로 함수의 볼록성과 연속성의 관계를 살펴보자.

정리 5.6.6 볼록함수의 연속성

함수  가 공집합이 아닌 열린구간

에서 볼록하면  는

에서 연속이다.

증명

≕  라고 하자. 에서  의 우극한이  에 수렴함을 보이자.           라고 하자.   ,   을 잇는 선분을 그래프로 갖는 일차함수를 라고 하고,   ,

  를 잇는 선분을 그래프로 갖는 일차함수를 라고 하자.  가 볼록함수이므로 참고 5.6.2에 의 하여   ≤ 가 성립한다.   은   ,   를 잇는 선분 위 또는 그 아래쪽 에 있으므로   ≤  가 성립한다. 따라서 임의의 ∈  에 대하여

  ≤   ≤  

가 성립한다. 그런데    와   의 그래프가 점   을 지나므로  → 일 때

   → 

,  → 

이 성립한다. 따라서 조임 정리에 의하여   →  을 얻는다. 같 은 방법으로 에서  의 좌극한도  에 수렴함을 보일 수 있다. 따라서  는 에서 연속이다.

의 임의의 점이므로  는

에서 연속이다. ■

153

5.6 볼록함수 참고

5.6.7 

가 열린구간이 아니면 정리 5.6.6은 성립하지 않을 수도 있다. 예를 들어  에서

  ≔

if  ≤   

 if   

로 정의된 함수  는  에서 볼록하지만 연속이 아니다. □

함수  가 의 근방에서 정의되었다고 하자. 만약 양수 가 존재하여 ∈

′일 때마다     이 성 립하면 ‘ 는 에서 고유극댓값(proper maximum)을 가진다’라고 말한다. 만약 이 부등식이 반대로 성립하면 ‘

는 에서 고유극솟값(proper minimum)을 가진다’라고 말한다.

정리 5.6.8 볼록함수의 고유극값

(ⅰ) 함수  가 공집합이 아닌 열린구간  에서 볼록하면  는  에서 고유극댓값을 갖지 않는다.

(ⅱ)  가  ∞ 에서 볼록하고 고유극솟값을 가지면  → ∞일 때   → ∞이다.

증명

(ⅰ) 결론에 반하여  가 ∈  에서 고유극댓값을 가진다고 가정하자. 그러면     인 ,  가 존재하여     일 때마다     을 만족시킨다. 특히   ,   를 잇는 선 분 위의 점은  의 아래쪽에 놓이게 된다. 이것은 모순이므로  는  에서 고유극댓값을 갖지 않는다.

(ⅱ)  가 ∈  에서 고유극솟값을 가진다고 하자.  인 점 이 임의로 주어졌다고 하자.

그리고   ,   을 잇는 직선의 방정식을    라고 하자.  가 에서 고유극솟 값을 가지므로     ,  인 점 이 존재한다. 따라서 의 그래프의 기울기는 양수이 다. 더욱이 정리 5.6.6에 의하여 임의의 ∈  ∞ 에 대하여   ≤  이다. 그런데  → ∞일

때   → ∞이므로   → ∞를 얻는다. ■

끝으로 함수의 볼록성과 미분가능성의 관계를 살펴보자.

정리 5.6.9 볼록함수의 한방향 미분 가능성

함수  가 공집합이 아닌 열린구간  에서 볼록하면  의 모든 점에서  의 좌미분계수와 우미분 계수가 존재하며 그들은 각각  에서 유한값을 갖고 증가하는 함수이다.

증명

  이면   ,       를 잇는 선분의 기울이기는       이다. 참고 5.6.3에 의하여 음수 가 에 가까워질수록 이 분수식의 값은 증가한다. 따라서 단조수렴 정리에 의하 여  →   일 때 이 분수식은 유한값에 수렴한다. 비슷한 방법으로  →  일 때에도 이 분수식은 유한값에 수렴함을 알 수 있다. 따라서

  ≤

 를 얻는다.

이제

 가  에서 증가함을 보이자.  의 점 , , , 에 대하여       라고 하자. 그러면

  

    

≤  

    

가 성립한다.  → ,  → 인 극한을 취하면

  ≤

  ≤

 를 얻는다.

 는  에서 증가한다. 같은 방법으로

 도  에서 증가함을 보일 수 있다. ■

개념 이해하기

1. 미분에 관한 다음 진술의 참 ․ 거짓 여부를 판별하여라.

(1) 함수  가  에서 연속이면  는  에서 미분 가능하다.

(2) 함수  가  에서 미분 가능할 때  의 도함수는  에서 연속이다.

(3) 함수  가  에서 미분 가능할 때  의 도함수는  에서 사잇값 성질을 가진다.

(4) 닫힌구간의 끝점에서도 미분계수가 정의된다.

(5) 두 함수  와 가  에서 각각 미분 가능하면  도  에서 미분 가능하다.

(6) 모든 다항함수는 ℝ에서 미분 가능하다.

(7) 도함수가 인 함수는 상수함수이다.

2. 함수 의 계도함수를 

로 나타내지 않고 



로 나타내는 이유가 무엇인지 설명하여라.

3. 함수의 정의역과 그 도함수의 정의역은 어떠한 관계가 있는지 설명하여라.

4. 최대정수함수는 다른 함수의 도함수가 될 수 있는지 자신의 의견을 서술하여라.

5. 두 함수 , 를      

  ,      

 이라고 정의하면  ≠ 이지만  ′   ′이다. 이러한 일

이 발생한 이유를 설명하여라.

6. 다음과 같이 정의된 함수 의 도함수와 이계도함수를 구하여라.

(1)        (2)      (3)    

 

(4)    

 

7. 함수      의 그래프 위의 점   에서의 접선의 방정식과 법선의 방정식을 각각 구 하여라.

8. 함수 가 에서 미분 가능하고 , 가 이 아닌 실수일 때 다음을 계산하여라.

lim

 → 

        

9. 다음과 같이 정의된 함수 의 도함수가 ℝ에서 연속인지 판별하여라.

  

   if  ≤ if   

10. 다음과 같이 정의된 함수 가 연속인 도함수를 갖도록 , 의 값을 정하여라.

  

   if  ≤ if    11. 함수     → ℝ가 다음과 같이 정의되었다.

  

 if   

     if     

   if  ≤  ≤ 

이때 구간  에서  가 평균값 정리의 가정을 만족시키도록 , , 의 값을 정하여라.

단원 마무리 문제

155

24. 함수 가 다음과 같이 주어졌을 때 는 오직 한 점에서만 미분 가능함을 증명하여라.

   

if  ∈ ℚ

 if  ∉ ℚ

25. 함수   ℝ →  ∞ 가 모든 점에서 미분 가능하고  ′  를 만족시킨다고 하자.

(1)  가 ℝ에서 증가함수임을 증명하여라.

(2)  의 역함수의 도함수를 구하여라.

26. 함수 가 양의 길이를 갖는 닫힌구간  에서 연속이고  에서 미분 가능하며     을 만족시키고 임의의 에 대하여  ′ ≠ 이라고 하자. 이때 방정식    의 해가  에 유일하 게 존재함을 증명하여라.

27. 두 함수 와 가 ℝ에서 미분 가능하고 임의의 실수 에 대하여  ′   ′  ≠ 을 만 족시킨다고 하자. 또한 방정식    이 서로 다른 두 개의 근 , 만을 가진다고 하자. 이때 방정 식    의 근이 와  사이에 유일하게 존재함을 증명하여라.

28. 함수 가 열린구간  에서 음이 아니고 의 삼계 도함수가 존재하며  의 서로 다른 두 점 ,

가 존재하여       을 만족시킨다고 하자. 이때    인 점 가  에 존재함을 증명하여라.

29. 함수 가  에서 두 번 이상 미분 가능하다고 하자. 만약 가  의 점 에서 극솟값을 가지면

 ″ ≥ 임을 증명하여라. 만약  가  의 점 에서 극댓값을 가지면  ″ ≤ 임을 증명하여 라.

30.   ℝ → ℝ가 우함수이고 미분 가능할 때  ′은 기함수임을 증명하여라. 또한   ℝ → ℝ가 기함 수이고 미분 가능할 때  ′은 우함수임을 증명하여라.

31. 다음 조건을 모두 만족시키는 함수 의 예를 들어라.

(1)  는 열린구간   에서 정의되었다.

(2)  는 에서 미분 가능하고  ′  이다.

(3)  는 을 원소로 갖는 어떠한 구간에서도 증가함수가 되지 못한다.

실력 다지기

32. 이  이상인 자연수이고 함수     → ℝ가     으로 정의되었다고 하자. 이때 방정식    은 과  사이에 개의 서로 다른 실근을 가짐을 보여라.

33. 다음 조건을 모두 만족시키는 함수 의 예를 들어라.

(1)  는 열린구간   에서 정의되었고 이 구간에서 연속이다.

(2)  는 에서 미분 가능하고  ′  이다.

(3)  는 을 원소로 갖는 어떠한 구간에서도 증가함수가 되지 못한다.

34. 함수 가 구간

에서 미분 가능하고 가

의 내점이라고 하자. 이때 모든 항이

에 속하고 에 수렴하 는 단조수열

이 존재하여  ′ →  ′를 만족시킴을 증명하여라. 또한 이때 에서  ′의 극

34. 함수 가 구간

에서 미분 가능하고 가

의 내점이라고 하자. 이때 모든 항이

에 속하고 에 수렴하 는 단조수열

이 존재하여  ′ →  ′를 만족시킴을 증명하여라. 또한 이때 에서  ′의 극