BETAInsomnia Studyroom미분계수와 도함수
미분계수와 도함수

22개정 교과과정

미적분Ⅰ

함수의 극한과 연속, 미분, 적분을 개념 설명과 계산 체크포인트로 학습합니다.

2022 개정 고등학교 수학의 미적분Ⅰ 흐름에 맞춰 극한에서 미분, 적분으로 이어지는 핵심 개념을 정리합니다.

22개정 · 미분

미분계수와 도함수

미분계수 \(f'(a)\)는 한 점에서 얻는 하나의 수이고, 도함수 \(f'(x)\)는 입력 \(x\)마다 미분계수를 대응시키는 새로운 함수입니다. 차분몫을 정리한 뒤 극한을 취하는 첫 원리 계산에서 두 개념의 차이를 분명히 해 봅시다.

학습 목표

  • 미분계수를 차분몫의 극한으로 정의하고 그 의미를 설명할 수 있습니다.
  • 미분계수의 정의를 사용해 간단한 함수의 \(f'(a)\)를 계산할 수 있습니다.
  • 한 점의 미분계수와 함수 전체의 도함수를 구분할 수 있습니다.
  • 미분계수와 도함수의 여러 표기법을 정확히 읽을 수 있습니다.
  • 좌미분계수와 우미분계수를 비교해 미분가능성을 판정할 수 있습니다.
  • 함수와 도함수의 그래프를 기울기와 부호로 연결할 수 있습니다.
도함수는 기울기를 모은 함수입니다\(f(x)=x^2\)의 각 점에서 접선 기울기를 구해 같은 \(x\)에 표시하면 \(f'(x)=2x\)라는 직선이 만들어집니다.

첫 원리 계산의 공통 순서

  1. \(f(a+h)\)를 정확하게 구합니다.
  2. \(f(a+h)-f(a)\)를 전개하고 정리합니다.
  3. \(h\ne0\)인 상태에서 공통인수 \(h\)를 약분합니다.
  4. 정리된 식에서 \(h\to0\)의 극한을 계산합니다.
  5. 결과가 \(f'(a)\)인지 \(f'(x)\)인지 확인합니다.

1. 한 점에서의 미분계수

함수 \(f\)가 \(x=a\)를 포함하는 열린구간에서 정의되어 있을 때, 다음 극한이 유한한 값으로 존재하면 그 값을 \(x=a\)에서의 미분계수라고 합니다.

\[f'(a)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h)-f(a)}{h}\]

미분계수는 그래프의 점 \((a,f(a))\)에서 접선의 기울기이고, \(x=a\)에서 \(f\)의 순간변화율입니다.

2. 왜 바로 \(h=0\)을 넣지 않는가?

차분몫은 두 서로 다른 점을 잇는 할선의 기울기이므로 \(h\ne0\)에서만 정의됩니다. \(h=0\)을 직접 대입하면 분모가 0입니다.

\[\frac{f(a+0)-f(a)}0=\frac00\]

먼저 \(h\ne0\)인 주변에서 식을 약분·정리한 다음, 그 값들이 어디로 가까워지는지 극한을 구합니다. 극한은 \(h=0\)에서 원래 차분몫의 값을 요구하지 않습니다.

3. 첫 원리 예제 — \(f(x)=x^2\)

\(x=a\)에서 미분계수를 구해 봅시다.

\[ \begin{aligned} f'(a)&=\lim_{h\to0}\frac{(a+h)^2-a^2}{h}\\ &=\lim_{h\to0}\frac{2ah+h^2}{h}\\ &=\lim_{h\to0}(2a+h)=2a \end{aligned} \]

결론: \(x=a\)에서의 미분계수는 \(f'(a)=2a\)입니다. 예를 들어 \(f'(3)=6\)입니다.

4. 한 점만 계산하는 예제

문제: \(g(x)=x^2-3x+1\)의 \(x=2\)에서 미분계수를 정의로 구하세요.

\[ \begin{aligned} g'(2)&=\lim_{h\to0}\frac{g(2+h)-g(2)}h\\ &=\lim_{h\to0}\frac{h+h^2}{h}\\ &=\lim_{h\to0}(1+h)=1 \end{aligned} \]

답: \(g'(2)=1\). 이것은 하나의 점에서 얻은 하나의 수입니다.

5. 도함수의 정의

고정된 \(a\) 대신 움직이는 입력 \(x\)를 사용하여 미분계수를 계산하면 도함수를 얻습니다.

\[f'(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}h\]

이 극한이 존재하는 모든 \(x\)에 미분계수 \(f'(x)\)를 대응시킨 것이 도함수입니다. 원래 함수 \(f\)가 높이를 알려 준다면, 도함수 \(f'\)는 그 높이가 변하는 방향과 빠르기를 알려 줍니다.

6. 미분계수와 도함수 비교

구분미분계수 \(f'(a)\)도함수 \(f'(x)\)
대상특정한 한 점 \(x=a\)미분가능한 여러 입력 \(x\)
결과하나의 수새로운 함수
뜻그 점의 접선 기울기입력에 따른 접선 기울기의 변화
예\(f'(2)=4\)\(f'(x)=2x\)

\(f'(2)\)를 묻는 문제에 \(2x\)만 쓰거나, \(f'(x)\)를 묻는 문제에 숫자 하나만 쓰지 않도록 주의하세요.

7. 첫 원리로 도함수 구하기

\(f(x)=x^2+3x-1\)에 정의를 적용합니다.

\[ \begin{aligned} f'(x)&=\lim_{h\to0}\frac{(x+h)^2+3(x+h)-1-(x^2+3x-1)}h\\ &=\lim_{h\to0}\frac{2xh+h^2+3h}{h}\\ &=\lim_{h\to0}(2x+h+3)=2x+3 \end{aligned} \]

답: \(f'(x)=2x+3\). 따라서 \(f'(1)=5\), \(f'(-2)=-1\)처럼 필요한 점의 미분계수를 바로 구할 수 있습니다.

8. 분수함수도 정의로 계산하기

\(f(x)=1/x\;(x\ne0)\)의 도함수를 첫 원리로 구해 봅시다.

\[ \begin{aligned} f'(x)&=\lim_{h\to0}\frac{\frac1{x+h}-\frac1x}{h}\\ &=\lim_{h\to0}\frac{-h}{x(x+h)h}\\ &=\lim_{h\to0}\left(-\frac1{x(x+h)}\right)=-\frac1{x^2} \end{aligned} \]

결론: \(f'(x)=-1/x^2\;(x\ne0)\). 원래 함수가 정의되지 않는 \(x=0\)에서는 도함수도 정의되지 않습니다.

9. 여러 가지 미분 표기

\(y=f(x)\)일 때 다음 표기는 모두 \(x\)에 대한 도함수를 나타냅니다.

\[f'(x),\qquad y',\qquad \frac{dy}{dx},\qquad \frac{d}{dx}f(x)\]

특정 점 \(x=a\)에서의 미분계수는 다음처럼 씁니다.

\[f'(a)=\left.\frac{dy}{dx}\right|_{x=a}\]

\(\dfrac{dy}{dx}\)는 변화율의 의미를 강조하는 기호이지만, 이 단계에서는 보통 두 보통수의 분수처럼 임의로 분리하지 않습니다.

10. 좌미분계수와 우미분계수

양쪽 미분계수가 존재하려면 \(h\)가 음수에서 0으로 갈 때와 양수에서 0으로 갈 때 차분몫이 같은 유한값에 가까워져야 합니다.

\[ f'_-(a)=\lim_{h\to0^-}\frac{f(a+h)-f(a)}h,\qquad f'_+(a)=\lim_{h\to0^+}\frac{f(a+h)-f(a)}h \]
\[f'_-(a)=f'_+(a)\quad\Longleftrightarrow\quad f'(a)\text{가 존재}\]

11. 미분계수가 존재하지 않는 예

\(f(x)=|x|\)를 \(x=0\)에서 살펴보면

\[\frac{f(0+h)-f(0)}h=\frac{|h|}{h}\]

\(h<0\)이면 값은 \(-1\), \(h>0\)이면 값은 1입니다.

\[f'_-(0)=-1\ne1=f'_+(0)\]

결론: 좌우 미분계수가 다르므로 \(f'(0)\)은 존재하지 않습니다. 그래프에서는 뾰족한 모서리로 보입니다.

12. 도함수의 정의역

도함수의 정의역은 원래 함수가 미분가능한 입력들의 집합입니다. 원래 함수의 정의역과 항상 같지는 않습니다.

  • \(f(x)=x^2\): 모든 실수에서 미분가능하므로 \(f'\)의 정의역도 모든 실수입니다.
  • \(g(x)=|x|\): \(x=0\)에서 미분 불가능하므로 \(g'\)의 정의역에서 0을 제외합니다.
  • \(r(x)=1/x\): 원래 함수가 정의되지 않는 0은 도함수의 정의역에도 없습니다.

끝점에서 한쪽 기울기를 구할 수 있어도, 교과서가 사용하는 양쪽 미분계수의 정의에서는 열린구간 내부의 미분가능성과 구분해서 다룹니다.

13. 도함수 그래프 읽기

원래 함수 \(f\)의 모습도함수 \(f'\)의 값
오른쪽으로 갈수록 올라감\(f'(x)>0\)
오른쪽으로 갈수록 내려감\(f'(x)<0\)
수평접선\(f'(x)=0\)
기울기가 점점 커짐\(f'(x)\)의 값이 증가

\(f'(x)=0\)은 원래 함수값이 0이라는 뜻이 아니라, 그 점에서 접선이 수평이라는 뜻입니다.

14. 자주 하는 실수

  • \(f(x+h)\)를 \(f(x)+f(h)\)로 잘못 씁니다.
  • 괄호 없이 빼서 \(-f(x)\)의 부호를 분배하지 않습니다.
  • \(h=0\)을 먼저 대입하고 \(0/0\)에서 계산을 멈춥니다.
  • \(h\)를 약분할 때 일부 항에만 나눕니다.
  • \(f'(a)\)라는 수와 \(f'(x)\)라는 함수를 혼동합니다.
  • 좌우 차분몫 중 한쪽만 확인하고 미분가능하다고 판단합니다.
  • \(f'(x)=0\)을 \(f(x)=0\)과 같은 식으로 해석합니다.

15. 핵심 정리

  • 미분계수는 차분몫의 양쪽 극한이며 한 점에서의 접선 기울기입니다.
  • 도함수는 각 입력에서의 미분계수를 모아 만든 새로운 함수입니다.
  • 첫 원리에서는 \(h\ne0\)에서 식을 정리한 뒤 \(h\to0\)의 극한을 구합니다.
  • 좌미분계수와 우미분계수가 같은 유한값일 때만 양쪽 미분계수가 존재합니다.
  • 도함수의 값과 부호는 원래 함수의 기울기와 변화 방향을 나타냅니다.
Checkpoint
  1. \(f(x)=x^2+2x\)의 \(x=1\)에서 미분계수를 정의로 구하세요.
  2. \(g(x)=x^2-4x+1\)의 도함수를 첫 원리로 구한 뒤 \(g'(3)\)을 구하세요.
  3. \(h(x)=|x-2|\)가 \(x=2\)에서 미분가능한지 좌우 미분계수로 판단하세요.
  4. \(p'(4)=-3\)의 의미를 접선과 순간변화율의 관점에서 설명하세요.
풀이와 답 확인
  1. \(\dfrac{f(1+h)-f(1)}h=\dfrac{4h+h^2}{h}=4+h\)이므로 \(f'(1)=4\)입니다.
  2. \(\dfrac{g(x+h)-g(x)}h=2x+h-4\)이므로 \(g'(x)=2x-4\), 따라서 \(g'(3)=2\)입니다.
  3. 왼쪽에서는 기울기가 \(-1\), 오른쪽에서는 1이므로 좌우 미분계수가 다릅니다. 따라서 \(x=2\)에서 미분가능하지 않습니다.
  4. \(x=4\)에서 접선의 기울기가 \(-3\)이며, 입력이 그 점에서 증가할 때 출력이 입력 한 단위당 순간적으로 3의 비율로 감소한다는 뜻입니다.