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다항함수의 미분법

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

다항함수의 미분법

매번 차분몫의 극한을 처음부터 계산하지 않아도, 상수 법칙·거듭제곱 법칙·상수배 법칙·합과 차의 법칙을 조합하면 모든 다항함수를 미분할 수 있습니다. 지수와 계수가 어떻게 바뀌는지 원리부터 계산 전략까지 정리해 봅시다.

학습 목표

  • 상수함수와 \(x^n\)의 도함수를 설명하고 계산할 수 있습니다.
  • 상수배, 합과 차의 미분법을 이용해 다항함수를 항별로 미분할 수 있습니다.
  • 거듭제곱 법칙이 첫 원리와 이항전개에서 나오는 이유를 이해할 수 있습니다.
  • 전개하거나 정리해야 하는 다항식을 효율적으로 미분할 수 있습니다.
  • 특정 점의 미분계수와 고계도함수를 구할 수 있습니다.
  • 차수, 계수, 함수값의 대입을 이용해 결과를 검산할 수 있습니다.
다항함수를 미분하면 기울기 함수가 됩니다\(f(x)=x^3-3x\)의 접선 기울기를 각 \(x\)에 모으면 이차함수 \(f'(x)=3x^2-3\)이 됩니다. 삼차항은 이차항으로, 일차항은 상수항으로 바뀝니다.

다항함수 미분의 기본 절차

  1. 곱셈이나 괄호가 있으면 먼저 전개할지 판단합니다.
  2. 같은 차수의 항을 정리하고 내림차순으로 배열합니다.
  3. 각 항에서 지수를 계수에 곱하고 지수를 1 줄입니다.
  4. 상수항은 0으로 처리하고 원래 항의 부호를 유지합니다.
  5. 문제가 \(f'(x)\), \(f'(a)\), \(f''(x)\) 중 무엇을 요구하는지 확인합니다.

1. 상수함수의 미분

상수함수 \(f(x)=c\)는 입력이 변해도 출력이 변하지 않으므로 모든 점에서 기울기가 0입니다.

\[\frac{d}{dx}c=0\]

첫 원리에서도 \(f(x+h)-f(x)=c-c=0\)이므로 차분몫과 그 극한이 모두 0입니다. 그래프는 수평선입니다.

2. 거듭제곱의 미분법

\(n\)이 양의 정수일 때 다음 법칙이 성립합니다.

\[\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1}\]

지수 \(n\)을 앞으로 내려 기존 계수에 곱하고, 지수는 1 줄입니다.

\[\frac{d}{dx}x^7=7x^6,\qquad \frac{d}{dx}x=1,\qquad \frac{d}{dx}x^0=\frac{d}{dx}1=0\]

3. 거듭제곱 법칙의 근거

첫 원리에 \(f(x)=x^n\)을 넣고 이항전개를 사용합니다.

\[ (x+h)^n=x^n+nx^{n-1}h+h^2R(x,h) \]

여기서 \(R(x,h)\)는 나머지 항들을 묶은 다항식입니다. 따라서

\[ \frac{(x+h)^n-x^n}{h}=nx^{n-1}+hR(x,h)\to nx^{n-1} \]

즉, \(h\)가 한 번 포함된 항만 극한에서 남고 \(h^2\) 이상을 포함한 항은 약분 후에도 \(h\)가 남아 0으로 갑니다.

4. 상수배의 미분법

\(k\)가 상수이고 \(f\)가 미분가능하면 상수는 미분 기호 밖에 그대로 남습니다.

\[\frac{d}{dx}\bigl(kf(x)\bigr)=k f'(x)\]

따라서 단항식 \(ax^n\)은 다음처럼 미분합니다.

\[\frac{d}{dx}(ax^n)=anx^{n-1}\]

예를 들어 \(\dfrac{d}{dx}(-4x^5)=-20x^4\)입니다.

5. 합과 차의 미분법

미분은 합과 차에 대해 항별로 적용할 수 있습니다.

\[ (f+g)'=f'+g',\qquad (f-g)'=f'-g' \]

이를 상수배 법칙과 합치면 다항식의 각 항을 서로 독립적으로 미분할 수 있습니다. 빼기 기호도 해당 항의 계수에 포함하여 유지합니다.

6. 기본 다항함수 예제

문제: \(f(x)=5x^6-3x^4+2x-7\)을 미분하세요.

\[ \begin{aligned} f'(x)&=5\cdot6x^5-3\cdot4x^3+2\cdot1-0\\ &=30x^5-12x^3+2 \end{aligned} \]

답: \(f'(x)=30x^5-12x^3+2\)

7. 빠진 차수가 있는 경우

\(p(x)=4x^5-2x^2+9\)에는 \(x^4\), \(x^3\), \(x\)항이 없습니다. 없는 항을 새로 만들 필요 없이 보이는 항만 미분합니다.

\[p'(x)=20x^4-4x\]

상수항 9는 사라집니다. 답을 원래 다항식과 나란히 놓고 각 비상수항이 하나씩 대응하는지 확인하면 누락을 줄일 수 있습니다.

8. 먼저 전개하면 쉬운 다항식

문제: \(q(x)=(x-2)(x^2+2x+3)\)을 미분하세요.

현재 범위에서는 먼저 곱을 전개해 하나의 다항식으로 만듭니다.

\[q(x)=x^3-x-6\]
\[q'(x)=3x^2-1\]

전략: 여러 다항식의 곱도 전개할 수 있다면, 전개·동류항 정리 후 항별 미분이 가장 직접적입니다.

9. 나눗셈을 먼저 정리하는 경우

문제: \(r(x)=\dfrac{6x^5-9x^3+3x}{3}\)을 미분하세요.

분모가 상수이므로 각 항을 먼저 나눕니다.

\[r(x)=2x^5-3x^3+x\]
\[r'(x)=10x^4-9x^2+1\]

분모에 \(x\)가 포함된 유리함수는 다항함수가 아닐 수 있으므로, 약분 후 실제로 다항식이 되는지 먼저 확인합니다.

10. 특정 점에서의 미분계수

먼저 도함수 \(f'(x)\)를 구한 뒤 요구한 입력을 대입합니다.

예: \(f(x)=2x^4-x^3+5x-1\)에서 \(f'(2)\)를 구하면

\[f'(x)=8x^3-3x^2+5\]
\[f'(2)=8(2^3)-3(2^2)+5=64-12+5=57\]

답: \(f'(2)=57\). \(f(2)\)와 혼동하지 않도록 먼저 도함수 기호를 확인합니다.

11. 일반적인 다항함수 공식

\(n\)차 다항함수

\[P(x)=a_nx^n+a_{n-1}x^{n-1}+\cdots+a_1x+a_0\]

의 도함수는

\[P'(x)=na_nx^{n-1}+(n-1)a_{n-1}x^{n-2}+\cdots+a_1\]

입니다. \(n\ge1\)이고 최고차항의 계수 \(a_n\ne0\)이면 \(P'\)의 차수는 \(n-1\)입니다.

12. 고계도함수

도함수를 다시 미분한 함수를 이계도함수라고 하고, 계속 반복할 수 있습니다.

\[f''(x),\qquad f^{(3)}(x),\qquad \ldots\]

\(f(x)=2x^4-3x^2+x\)라면

\[ f'(x)=8x^3-6x+1,\quad f''(x)=24x^2-6,\quad f^{(3)}(x)=48x,\quad f^{(4)}(x)=48 \]

4차 다항식을 네 번 미분하면 상수가 되고, 한 번 더 미분하면 0이 됩니다.

13. 결과를 검산하는 방법

검사 항목확인할 내용
차수비상수 다항함수의 최고차수가 정확히 1 줄었는가?
계수원래 계수에 지수를 곱했는가?
지수각 비상수항의 지수가 1 줄었는가?
상수항미분 후 사라졌는가?
부호음수 계수와 뺄셈 기호가 유지되었는가?
요구값도함수인지 특정 점의 값인지 확인했는가?

14. 자주 하는 실수

  • \(\dfrac{d}{dx}x^n=x^{n-1}\)처럼 지수를 계수로 곱하지 않습니다.
  • 지수만 앞으로 내리고 원래 계수를 잊습니다.
  • 상수항을 그대로 답에 남깁니다.
  • 일차항 \(ax\)의 미분을 0 또는 \(ax\)라고 씁니다. 정확한 값은 \(a\)입니다.
  • 괄호를 전개할 때 동류항이나 음수 부호를 잘못 정리합니다.
  • \((fg)'=f'g'\)라고 잘못 적용합니다. 현재 다항식은 전개한 뒤 항별로 미분합니다.
  • \(f'(a)\)를 구하면서 \(a\)를 원래 함수에 대입합니다.

15. 핵심 정리

  • 상수의 미분은 0이고, \(x^n\)의 미분은 \(nx^{n-1}\)입니다.
  • 상수배는 그대로 유지하며 합과 차는 항별로 미분합니다.
  • 다항식은 전개와 동류항 정리 후 각 항에 거듭제곱 법칙을 적용합니다.
  • 비상수 \(n\)차 다항함수를 미분하면 차수는 \(n-1\)이 됩니다.
  • 특정 점의 미분계수는 도함수를 구한 뒤 그 점의 입력을 대입합니다.
Checkpoint
  1. \(f(x)=3x^7-5x^3+4x-9\)의 도함수를 구하세요.
  2. \(g(x)=(x+1)(x^2-x+4)\)를 먼저 전개한 뒤 미분하세요.
  3. \(p(x)=x^4-2x^2+3x\)에 대해 \(p'(2)\)와 \(p''(x)\)를 구하세요.
  4. \(P(x)=ax^3+bx^2+cx+d\)의 도함수와 삼계도함수를 구하세요.
풀이와 답 확인
  1. 항별로 미분하면 \(f'(x)=21x^6-15x^2+4\)입니다.
  2. \(g(x)=x^3+3x+4\)이므로 \(g'(x)=3x^2+3\)입니다.
  3. \(p'(x)=4x^3-4x+3\)이므로 \(p'(2)=32-8+3=27\)이고, \(p''(x)=12x^2-4\)입니다.
  4. \(P'(x)=3ax^2+2bx+c\), \(P''(x)=6ax+2b\), \(P^{(3)}(x)=6a\)입니다.