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

함수의 증가와 감소, 극대와 극소

도함수의 부호는 그래프가 어느 방향으로 움직이는지를 알려 줍니다. 임계점을 경계로 구간을 나누고 부호를 조사하면 증가·감소 구간과 극대·극소를 식만으로 판정할 수 있습니다.

학습 목표

  • 증가함수와 감소함수의 뜻을 두 함수값의 대소 관계로 설명할 수 있습니다.
  • 도함수의 부호를 이용해 함수의 증가·감소 구간을 구할 수 있습니다.
  • 임계점과 정류점을 찾고 극값 후보와 실제 극값을 구별할 수 있습니다.
  • 도함수의 부호 변화를 이용해 극대·극소를 판정하고 증감표를 작성할 수 있습니다.
  • 닫힌구간의 최댓값·최솟값과 국소적인 극댓값·극솟값을 구별할 수 있습니다.
\(f(x)=x^3-3x\)는 \(x=-1\)에서 증가에서 감소로 바뀌어 극대이고, \(x=1\)에서 감소에서 증가로 바뀌어 극소입니다.

1. 증가와 감소의 정확한 뜻

구간 \(I\)의 임의의 두 수 \(x_1<x_2\)에 대하여 \(f(x_1)<f(x_2)\)이면 \(f\)는 \(I\)에서 증가합니다. 반대로 \(f(x_1)>f(x_2)\)이면 감소합니다.

\(\displaystyle x_1<x_2\quad\Longrightarrow\quad \begin{cases}f(x_1)<f(x_2)&\text{증가}\\ f(x_1)>f(x_2)&\text{감소}\end{cases}\)

그래프를 왼쪽에서 오른쪽으로 읽을 때 높이가 계속 올라가면 증가, 내려가면 감소입니다. 함수값이 양수인지 음수인지는 증가·감소와 직접 관계가 없습니다.

2. 도함수의 부호가 알려 주는 방향

도함수의 부호접선의 기울기함수의 움직임
\(f'(x)>0\)양수그 구간에서 증가
\(f'(x)<0\)음수그 구간에서 감소
\(f'(x)=0\)수평그 한 점만으로 극값 여부를 결정할 수 없음

도함수의 부호와 증가·감소의 연결은 평균값 정리로 설명할 수 있습니다. \(x_1<x_2\)일 때 어떤 \(c\in(x_1,x_2)\)에 대해 \(f(x_2)-f(x_1)=f'(c)(x_2-x_1)\)이므로 도함수가 양수이면 함수값의 차도 양수입니다.

3. 임계점과 정류점

함수의 정의역 안에 있는 점 \(c\)에서 \(f'(c)=0\)이거나 \(f'(c)\)가 존재하지 않으면 \(c\)를 임계점의 입력값으로 봅니다. 그중 \(f'(c)=0\)인 점을 정류점이라고 합니다.

  • 다항함수에서는 모든 점에서 미분가능하므로 보통 \(f'(x)=0\)만 풀면 됩니다.
  • \(f(x)=|x|\)는 \(x=0\)에서 도함수가 없지만 극솟값을 가집니다.
  • 함수가 정의되지 않는 값은 도함수도 없지만 함수 위의 점이 아니므로 극점 후보가 아닙니다.

4. 임계점은 필요조건이지 충분조건이 아닙니다

미분가능한 함수가 내부점 \(c\)에서 극대 또는 극소이면 \(f'(c)=0\)입니다. 그러나 그 역은 항상 참이 아닙니다.

\(f(x)=x^3\)은 \(f'(x)=3x^2\)이므로 \(f'(0)=0\)이지만, \(x=0\)의 양쪽에서 계속 증가합니다. 따라서 \(x=0\)은 정류점이지만 극대도 극소도 아닙니다.

핵심: \(f'(c)=0\)은 “검사해야 할 후보”를 찾는 식이지 “극값임을 확정하는 식”이 아닙니다.

5. 도함수의 부호로 극값 판정하기

\(c\)의 왼쪽\(c\)의 오른쪽함수의 변화판정
\(f'>0\)\(f'<0\)증가 → 감소\(x=c\)에서 극대
\(f'<0\)\(f'>0\)감소 → 증가\(x=c\)에서 극소
같은 부호같은 부호방향이 바뀌지 않음극값이 아님

이 방법을 도함수의 부호 판정 또는 일계도함수 판정법이라고 합니다. 반드시 점의 양쪽 부호를 비교해야 합니다.

6. 증감표 작성 순서

  1. 함수의 정의역을 확인합니다.
  2. 도함수 \(f'(x)\)를 구합니다.
  3. \(f'(x)=0\)인 값과 도함수가 존재하지 않는 정의역 안의 값을 찾습니다.
  4. 이 값들을 수직선에 표시해 구간을 나눕니다.
  5. 각 구간에서 시험값 하나를 넣어 \(f'(x)\)의 부호를 정합니다.
  6. 부호가 바뀌는 점에서 극대·극소를 판정하고 원래 함수에 대입해 극값을 구합니다.

7. 대표 예제: 삼차함수의 증감과 극값

\(f(x)=x^3-3x\)의 도함수는 다음과 같습니다.

\(\displaystyle f'(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)\)

임계점은 \(x=-1,1\)입니다. 도함수의 부호는 근을 지날 때 \(+\), \(-\), \(+\)로 변합니다.

\(x\)\((-\infty,-1)\)\(-1\)\((-1,1)\)\(1\)\((1,\infty)\)
\(f'(x)\)\(+\)0\(-\)0\(+\)
\(f(x)\)증가 ↗극대감소 ↘극소증가 ↗

\(f(-1)=2\), \(f(1)=-2\)이므로 극댓값은 2, 극솟값은 \(-2\)입니다.

8. 인수분해로 부호를 빠르게 판단하기

\(f'(x)=A(x-r_1)(x-r_2)\)처럼 인수분해되면 각 인수의 부호를 곱해 전체 부호를 정할 수 있습니다. 단순근을 지날 때는 해당 인수의 부호가 바뀌므로 전체 부호도 바뀝니다.

반면 \(f'(x)=(x-1)^2(x+2)\)에서 \(x=1\)은 짝수 번 중복된 근입니다. \((x-1)^2\)는 양쪽에서 음수가 되지 않으므로 \(x=1\)을 지날 때 도함수의 부호가 바뀌지 않습니다. 따라서 정류점이어도 극값이 아닐 수 있습니다.

9. 예제: 중근이 있는 도함수

\(f'(x)=3(x-1)^2(x+2)\)이고 \(f(-2)=5\), \(f(1)=-4\)라고 합시다. 임계점은 \(-2,1\)입니다.

  • \((-\infty,-2)\): \(f'(x)<0\), 감소
  • \((-2,1)\): \(f'(x)>0\), 증가
  • \((1,\infty)\): \(f'(x)>0\), 증가

\(x=-2\)에서는 감소에서 증가로 바뀌므로 극솟값 5를 가집니다. \(x=1\)에서는 부호가 바뀌지 않으므로 \(f'(1)=0\)이어도 극값이 아닙니다.

10. 극대·극소와 최대·최소의 차이

개념비교 범위끝점 가능 여부
극대·극소그 점 주변의 함수값교과서의 열린 이웃 정의에서는 보통 내부점을 다룸
최대·최소주어진 전체 정의역 또는 구간닫힌구간의 끝점에서도 가능

극댓값이 전체 구간에서 가장 큰 값일 필요는 없습니다. 닫힌구간의 최댓값과 최솟값을 구할 때에는 내부 임계점뿐 아니라 양 끝점의 함숫값도 반드시 비교해야 합니다.

11. 닫힌구간 문제 해결법

\(f(x)=x^3-3x\)의 \([-2,2]\)에서 최댓값과 최솟값을 구해 봅시다. 내부 임계점은 \(-1,1\)이고, 끝점과 함께 함수값을 비교합니다.

\(x\)\(-2\)\(-1\)\(1\)\(2\)
\(f(x)\)\(-2\)2\(-2\)2

최댓값은 2이고 \(x=-1,2\)에서 가지며, 최솟값은 \(-2\)이고 \(x=-2,1\)에서 가집니다. 한 최댓값이나 최솟값을 여러 입력값에서 가질 수도 있습니다.

12. 도함수 그래프에서 원래 함수 읽기

도함수의 식이 없어도 \(y=f'(x)\)의 그래프가 \(x\)축 위에 있으면 \(f\)는 증가하고, 아래에 있으면 감소합니다. 도함수 그래프가 \(x\)축을 통과하는 방향도 중요합니다.

  • 위에서 아래로 통과: \(+\to-\), 원래 함수는 극대
  • 아래에서 위로 통과: \(-\to+\), 원래 함수는 극소
  • \(x\)축에 닿고 같은 쪽으로 되돌아감: 부호 변화가 없어 극값이 아님

13. 매개변수가 있는 부호 문제

\(f'(x)=(x-a)(x-3)\)이고 \(a<3\)이면 최고차항의 계수가 양수이므로 바깥 구간에서는 양수, 두 근 사이에서는 음수입니다.

\(\displaystyle \text{증가}: (-\infty,a),(3,\infty),\qquad \text{감소}: (a,3)\)

따라서 \(x=a\)에서는 \(+\to-\)로 바뀌어 극대, \(x=3\)에서는 \(-\to+\)로 바뀌어 극소입니다. 매개변수의 대소 관계가 달라지면 근의 순서부터 다시 정해야 합니다.

14. 자주 하는 실수

  • \(f(x)>0\)이면 증가한다고 생각합니다. 증가·감소는 \(f'(x)\)의 부호로 판단합니다.
  • \(f'(c)=0\)인 모든 점을 극점이라고 단정합니다.
  • 극대인 입력값 \(c\)와 극댓값 \(f(c)\)를 구별하지 않습니다.
  • 도함수의 근만 구하고 각 구간의 부호를 조사하지 않습니다.
  • 증가·감소 구간의 경계를 답에 잘못 포함하거나 정의역 밖의 값을 사용합니다.
  • 닫힌구간의 최대·최소 문제에서 양 끝점의 함숫값을 빠뜨립니다.

15. 핵심 정리

  • \(f'>0\)인 구간에서 \(f\)는 증가하고, \(f'<0\)인 구간에서 감소합니다.
  • 임계점은 극값의 후보이며 도함수의 부호 변화를 확인해야 합니다.
  • \(+\to-\)이면 극대, \(-\to+\)이면 극소, 부호가 그대로면 극값이 아닙니다.
  • 극대·극소는 주변 비교이고, 최대·최소는 전체 구간 비교입니다.
  • 닫힌구간의 최대·최소는 내부 임계점과 양 끝점의 함숫값을 모두 비교합니다.
Checkpoint
  1. \(f(x)=x^3-3x\)의 증가·감소 구간과 극댓값·극솟값을 구하세요.
  2. \(g'(x)=(x-2)^2(x+1)\)일 때 \(g\)의 증가·감소 구간과 극값이 생기는 입력값을 구하세요.
  3. \(h(x)=x^3\)에서 \(h'(0)=0\)이지만 \(x=0\)이 극점이 아닌 이유를 설명하세요.
  4. \(f(x)=x^3-3x\)의 닫힌구간 \([-2,1]\)에서 최댓값과 최솟값을 구하세요.
풀이와 답 확인
  1. \(f'(x)=3(x-1)(x+1)\)입니다. 증가 구간은 \((-\infty,-1)\), \((1,\infty)\), 감소 구간은 \((-1,1)\)입니다. \(x=-1\)에서 \(+\to-\)이므로 극댓값 \(f(-1)=2\), \(x=1\)에서 \(-\to+\)이므로 극솟값 \(f(1)=-2\)입니다.
  2. 임계점은 \(-1,2\)입니다. \((x-2)^2\)은 부호를 바꾸지 않으므로 \(g'\)의 부호는 \(x+1\)이 결정합니다. 감소 구간은 \((-\infty,-1)\), 증가 구간은 \((-1,2)\), \((2,\infty)\)입니다. \(x=-1\)에서만 \(-\to+\)로 바뀌어 극소이고, \(x=2\)는 극점이 아닙니다.
  3. \(h'(x)=3x^2\ge0\)이고 \(x=0\)의 양쪽에서 도함수의 부호가 모두 양수입니다. 함수가 계속 증가하므로 \(x=0\)은 정류점이지만 극대도 극소도 아닙니다.
  4. 내부 임계점은 \(-1,1\)이지만 \(1\)은 끝점이므로 비교 대상에 포함합니다. \(f(-2)=-2\), \(f(-1)=2\), \(f(1)=-2\)이므로 최댓값은 2, 최솟값은 \(-2\)입니다.