요약
이 수업은 도함수에 관한 단원을 연다. 먼저 단원의 경로를 보여 준다. 그 경로는 도함수를 평균변화율의 극한으로 정의하고, 이를 연속인 인수를 가진 인수분해, 곧 카라테오도리 분해로 쓴 뒤, 그로부터 영이 될 수 있는 양으로 한 번도 나누지 않고 미분법의 공식, 연쇄 법칙, 역함수의 미분법을 얻으며, 고계도함수, 미분, 변화율에 이른다. 이어서 도함수의 역사를, 접선에 관한 페르마의 방법에서 코시의 정의까지, 뉴턴의 유율, 라이프니츠의 표기법, 버클리의 비판, 그리고 도함수에 이름과 표기법을 준 라그랑주의 계획을 거쳐 다시 구성한다. 또한 도함수를 낳은 문제, 곧 임의의 곡선의 접선과 한 순간의 속도를 정식화하고, 인수분해가 영인 증분으로 나누는 일을 어떻게 대신하는지 예를 들어 보인다. 끝으로 도함수가 이어지는 단원, 사이트의 다른 강좌, 과학과 기술의 어디에서 쓰이는지를 짚는다.
학습 목표
- 단원의 경로를 설명하고, 각 수업이 무엇을 증명하며 앞의 어떤 결과를 이용하는지 설명할 수 있다.
- 임의의 곡선의 접선과 순간속도가 왜 도함수를 극한으로 정의할 것을 요구하는지, 그리고 카라테오도리 분해가 왜 영이 될 수 있는 양으로 나누지 않고 공식들을 증명할 수 있게 하는지 설명할 수 있다.
- 페르마의 방법에서 코시의 정의까지, 도함수 개념이 거쳐 온 각 시기를 역사적 맥락 속에 놓고, 각 시기를 이끈 문제나 비판을 밝힐 수 있다.
- 도함수가 이어지는 단원, 다른 강좌, 과학과 기술의 응용 어디에서 작용하는지 짚을 수 있다.
입문 평가
단원을 공부하기 전에 출발점을 재어 보는 것이 좋다. 이 자기 평가는 점수를 매기지 않는다. 어디에서 멈추어 공부해야 할지 알기 위한 것이다. 처음 아홉 문항은 단원의 내용 수업 아홉 개를 차례로 하나씩 다루며, 외워 두는 진술이 아니라 계산이나 추론의 기능을 잰다. 같은 기능은 마지막 종합 수업에서 다른 자료로 다시 잰다. 마지막 다섯 문항은 이 단원이 앞 단원과 대수학과 기하학 I과 II에서 이미 안다고 전제하는 것을 확인한다. 곧 삼각함수의 극한, 지수함수의 주요 극한, 스몰 오 , 역함수, 아크사인의 코사인이다.
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문제 1함수 은 에서 정의되어 있다. 도함수의 정의로부터, 점 에서 그 그래프에 그은 접선을 구하면 무엇인가?
접선이 아니라 법선이다. 그 기울기 때문에 이 직선은 접선에 수직이다.기울기는 맞지만 이 직선은 그 점을 지나지 않는다. 접선은 이며, 여기서는 을 빠뜨렸다.뺄셈에서 부호를 잃었다. 실제로 이며, 이 값은 작은 에 대하여 음수이다. 함수는 근처에서 감소하며, 기울기는 음수이다.(에 가까운 수)에 대하여 평균변화율은 이고, 이 값은 에 가까워진다. 따라서 이며, 접선은 을 지나고 그 기울기를 갖는 직선이다.복습: 함수의 극한으로서의 도함수
문제 2함수 의 에서의 미분계수를 구하여라.
분자와 분모를 따로 미분하여 의 꼴로 계산했다. 마치 몫의 도함수가 도함수들의 몫인 것처럼 다룬 것이다. 그렇지 않다. 몫의 미분법에는 두 항과 분모의 제곱이 들어 있다.분자의 뺄셈 순서를 뒤바꾸었다. 공식은 이다. 먼저 분자의 도함수에 분모를 곱한다.분모를 제곱하지 않았다. 분모의 값은 에서 이고, 그 제곱은 이다.몫의 미분법에 의하여 이다.복습: 미분법의 공식
문제 3함수 의 에서의 미분계수를 구하여라.
코사인의 도함수를 로 잡았다. 코사인의 도함수는 이고, 두 항은 에서 서로 지워진다.두 인수의 도함수를 곱하여 의 꼴로 계산했다. 곱의 도함수는 도함수들의 곱이 아니다. 항 가 빠졌다.코사인을 상수인 것처럼 여기고 지수함수만 미분했다. 이것은 곱의 미분법의 첫째 항이고, 둘째 항 가 빠졌다.곱의 미분법과 지수함수와 코사인의 도함수에 의하여 이고, 에서 사인과 코사인의 값은 같다. 그 점에서 그래프의 접선은 수평이다.복습: 초등함수의 도함수
문제 4함수 의 에서의 미분계수를 구하여라.
가장 안쪽 함수 의 도함수가 빠졌다. 그 도함수가 인수 를 준다. 합성의 각 함수는 자기 도함수를, 자기에게 해당하는 점에서 구한 값으로 보탠다.코사인의 도함수를 로 잡았다. 식 의 음의 부호를 잃은 것이다.코사인을 변수인 것처럼 여기고 제곱만 미분하여 식 를 얻었다. 코사인의 도함수와 식 의 도함수가 빠졌다.연쇄 법칙을 두 번 적용하면 이고, 에서 사인 안의 식의 값은 이다.복습: 합성함수의 미분과 연쇄 법칙
문제 5볼차노 정리가 방정식 의 해의 존재를 보장하는 구간은 이 가운데 어느 것인가?
그 구간에서 함수 의 부호는 바뀌지 않는다. 이고 이다. 정리는 아무것도 보장하지 않으며, 실제로 거기에는 해가 없다. 식 는 증가하며 값 을 점 에서 갖기 때문이다.값 와 의 부호가 같으므로 정리를 적용할 수 없다. 게다가 그 구간에서 식 의 값은 적어도 이다.모든 방정식은 모든 항을 한 변으로 옮겨 그 꼴로 쓸 수 있다. 방정식 는 방정식 과 동치이다.함수 는 다항식이므로 연속이고, 이며 이다. 볼차노 정리에 의하여 이 함수는 구간 의 어떤 점에서 영이 되고, 그 점이 방정식의 해이다.복습: 사잇값 정리
문제 6함수 은 집합 에서 연속이고 엄격하게 증가한다. 값 은 얼마인가?
함수 의 도함수를 에서 계산했는데, 이 수는 함수 의 값이지 그에 대응하는 정의역의 점이 아니다. 공식은 이고, 이다.이것은 함수 의 도함수를 에 대응하는 점에서 구한 값이다. 역함수의 도함수는 그 역수이다. 그래프를 대칭이동하면 기울기 은 이 된다.값 를 계산했는데, 이것은 역함수의 도함수도 아니고 올바른 점에서 구한 값도 아니다.등식 에서 을 얻고, 또 이며 이 값은 영이 아니다. 역함수의 미분법에 의하여 이다.문제 7함수 의 에서의 미분계수를 구하여라.
지수가 상수인 것처럼 거듭제곱의 미분법 를 썼다. 밑과 지수가 모두 변할 때에는 거듭제곱을 자연지수함수로 써야 한다.밑이 상수인 것처럼 지수함수의 미분법 를 썼다. 이것은 두 항 가운데 하나일 뿐이다.이것은 함수 의 도함수, 곧 로그미분 이다. 여기에 를 곱해야 한다.모든 에 대하여 이고, 이다. 점 에서 이고 괄호 안의 값은 이다.복습: 지수에 있는 변수와 로그미분법
문제 8계도함수의 값을 함수 에 대하여 점 에서 구하여라.
이항계수 가 빠졌다. 라이프니츠 공식은 이항정리와 같은 계수를 갖는다.두 인수의 계도함수를 곱했는데, 함수 의 그것은 영이다. 곱의 계도함수는 다섯 번의 미분을 인수들에 나누어 주는 모든 방식에 걸친 합이다.인수 를 한 번 미분하는 항에서 지수함수는 다섯 번이 아니라 네 번 미분된다. 그 계도함수는 이다.라이프니츠 공식에 의하여, 함수 의 도함수 가운데 계보다 높은 것은 모두 영이므로 두 항만 남는다. 곧 이다. 점 에서 첫째 항은 영이 되고 둘째 항의 값은 이다.복습: 고계도함수와 미분
문제 9한 직사각형이 넓이를 제곱센티미터로 유지하면서 밑변이 초속 센티미터로 늘어난다. 밑변의 길이가 센티미터인 순간에 높이는 얼마나 빠르게 변하는가?
미분하기 전에 을 대입했다. 높이가 인 것은 그 순간뿐이다. 미분해야 하는 관계식은 모든 순간에 성립하는 식이다.부호를 잃었다. 넓이가 일정하고 밑변이 늘어나면 높이는 줄어들어야 한다.이것은 밑변에 대한 높이의 도함수 이다. 시간에 대한 빠르기는 이것에 을 곱하여 얻는다.밑변을 , 높이를 이라 하면 모든 순간에 이다. 시간에 대하여 미분하면 이다. 밑변의 길이가 일 때 높이는 이고, 식 에서 를 얻는다.복습: 변화율과 관련된 변화율
문제 10이전 단원에서극한 를 구하여라.
이것은 몫 의 극한이지 이 몫의 극한이 아니다. 코사인이 에서 멀어지는 속도는 사인이 에서 멀어지는 속도보다 훨씬 느리다.이것은 몫 의 극한이며, 분모에 이 있다. 분모가 이면 몫에는 인수 가 하나 더 있고, 그 인수는 에 가까워진다.꼴 은 몫의 극한 법칙을 적용할 수 없다는 것만 나타낸다. 극한은 존재할 수 있고, 여기서는 존재한다.조건 에서 이 몫은 이고, 이는 에 가까워지는 함수와 에 가까워지는 함수의 곱이다.복습: 조임 정리와 삼각함수의 극한
문제 11이전 단원에서극한 를 구하여라.
변수를 바꾸지 않고 주요 극한을 적용했다. 지수는 이지 가 아니다.지수의 부호를 잃었다. 식 의 값은 보다 작다(조건 에서). 따라서 몫은 음수이다.분자가 에 가까워지는 것만으로는 충분하지 않다. 분모도 에 가까워진다.변수변환 는 이면 영이 되지 않으며, 이 변환으로 몫은 가 되고, 주요 극한 에서 를 얻는다.복습: 초등함수의 연속성과 주요 극한
문제 12이전 단원에서이 함수들 가운데 인 것은 어느 것인가(조건 에서)?
이 함수는 와 동치이며, 무시할 수 있는 것이 아니다. 로 나눈 몫은 에 가까워진다.이 함수는 에 가까워지지만 보다 느리다. 로 나눈 몫은 유계가 아니다.항 은 에 비해 무시할 수 있지만 항 는 그렇지 않다. 로 나눈 몫은 에 가까워지고, 이 함수는 와 같은 차수이다.이 함수를 로 나눈 몫은 이고, 이는 에 가까워진다. 따라서 에 비해 무시할 수 있다.복습: 동치인 무한소와 무한대
문제 13이전 단원에서함수가 일 때 값 는 얼마인가?
식 의 값은 구했지만 세제곱근을 구하지 않았다.기호 을 역수 로 읽었다. 여기서 지수 은 역함수를 나타내며, 곱셈에 대한 역원을 나타내는 것이 아니다.이것은 값 , 곧 의 상이다. 역함수는 반대 방향으로 가서 원상을 찾는다.값 는 상이 인 수이다. 방정식 에서 를 얻고, 따라서 이다.문제 14이전 단원에서값 은 얼마인가?
사인의 부호는 코사인으로 옮겨 가지 않는다. 각은 구간 에 있고, 거기서 코사인은 양수이거나 영이다.이것은 코사인의 제곱 이다. 제곱근을 구하지 않았다.코사인이 아크사인을 되돌리는 것처럼 다루었다. 아크사인을 되돌리는 것은 사인이다. 곧 이다.아크사인은 구간 에서 값을 갖고, 거기서 코사인은 음수가 아니다. 피타고라스 항등식에 의하여 코사인은 이다.복습: 역삼각함수
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