이 수업에서는 변수가 지수에 있는 함수를 미분한다. 이 함수들은 모두 자연지수함수로 귀착된다. 즉 ax=exlna, xr=erlnx, (f(x))g(x)=eg(x)lnf(x)이므로, ex의 도함수, 로그의 도함수, 연쇄 법칙만 있으면 된다. 이렇게 하여 임의의 밑을 갖는 지수함수와 로그의 도함수, 실수 지수의 거듭제곱의 도함수, 그리고 밑과 지수가 모두 변하는 거듭제곱, 예를 들어 xx나 xsinx의 도함수를 얻는다. ln∣f(x)∣의 도함수는 f(x)f′(x)이며, 이것은 곱, 몫, 거듭제곱을 합으로 바꾼다. 이것이 로그미분법이며, 이 수업은 증명하려는 것을 가정하지 않고 이를 정당화한다. 끝으로, 원점을 지나는 로그의 접선이 πe과 eπ 중 어느 것이 더 큰지를 판정하고, 결과가 수 e에 의존하는 이유를 설명한다.
학습 목표
등식 ax=exlna에서 출발하여, 임의의 밑을 갖는 지수함수와 로그, 그리고 그 합성함수를 미분한다.
실수 지수의 거듭제곱과 밑과 지수가 모두 변하는 거듭제곱을 밑이 e인 지수함수로 나타내어 미분한다. 정의역은 밑이 양수인 범위로 한다.
곱, 몫, 거듭제곱에 로그미분법을 적용한다. 그 전에 함수가 그 점에서 미분가능하고 영이 되지 않음을 확인한다.
πe과 eπ 같은 거듭제곱을 로그의 접선과 지수함수의 기본 부등식으로 비교한다.
임의의 밑을 갖는 지수함수와 로그
초등함수의 도함수에 관한 수업에서는 ex의 도함수가 자기 자신이고 lnx의 도함수가 x1임을 보였으며, ax의 도함수가 axlna임을 예고하였다. 평균변화율로 계산을 반복할 필요는 없다. 모든 양의 밑은 e의 거듭제곱이기 때문이다. 로그함수에 관한 수업의 자연로그의 정의에 의해 elny=y가 성립한다(모든 y>0에 대하여). 또 같은 수업의 거듭제곱의 로그의 성질에 의해 ln(ax)=xlna이다. 연쇄 법칙을 쓰면 나머지는 곧바로 얻어진다.
정리밑이 a인 지수함수와 로그의 도함수
a>0이고 a=1이라 하자. 지수함수 ax은 R에서 미분가능하고, 로그 logax는 (0,∞)에서 미분가능하며, 함수 loga∣x∣는 R∖{0}에서 미분가능하다:
밑이 a인 지수함수를 자연지수함수로 나타내고 연쇄 법칙을 적용한다. 밑이 a인 로그는 자연로그의 상수배이다. 그림은 2x, ex, 4x과 점 (0,1)에서의 접선(기울기는 각각 ln2, 1, ln4)을 보여 주고, 마지막에 log2x의 (1,0)에서의 접선을 보여 준다. 이것은 2x의 접선을 대칭이동한 것이다.
증명
1
ax=eln(ax)=exlna
x를 실수라 하자. 수 ax은 양수이다. 로그함수에 관한 수업의 자연로그의 정의와 거듭제곱의 로그의 성질에 의해:
2
dxd(exlna)=exlna⋅lna=axlna
속함수 xlna는 일차함수이고 도함수는 lna이며, 겉함수 et은 자연지수함수의 도함수의 정리에 의해 R 전체에서 미분가능하다. 연쇄 법칙에 관한 수업의 연쇄 법칙에 의해:
3
dxd(loga∣x∣)=lna1⋅x1=xlna1
로그함수에 관한 수업의 밑변환 공식의 정리에 의해 logay=lnalny가 성립하고(모든 y>0에 대하여), 여기서 lna=0이다(a=1이므로). 자연로그의 도함수의 정리(lnx와 ln∣x∣에 대하여 성립한다)와 미분법의 공식에 관한 수업의 일차결합의 미분법의 정리에 의해:
ax의 도함수는 함수 자신에 비례하며, 비례상수는 lna이다. 이것은 a>1일 때 양수, 0<a<1일 때 음수이고, 로그의 단사성에 의해 1과 같은 것은 a=e일 때뿐이다. a=1일 때 함수 1x은 상수이고, ln1=0이므로 공식은 그대로 성립한다. x=0에서는 미분계수의 정의로부터 극한 hah−1→lna를 얻는데, 이것은 초등함수의 연속성에 관한 수업의 로그함수와 거듭제곱의 주요 극한의 따름정리이다. ax의 0에서의 미분계수는 이미 알려져 있었고, 법칙 ax+h=axah가 이를 모든 점으로 옮긴다.
따름정리지수함수 및 로그와의 합성
u를 A에서 정의된 함수로서 점 a(A의 원소로서 A의 집적점인 것)에서 미분가능한 것이라 하고, b>0, b=1이라 하자. 그러면 eu(x)과 bu(x)은 a에서 미분가능하다. u(a)=0이면 함수 ln∣u(x)∣와 logb∣u(x)∣는 a에서(그 정의역에서) 미분가능하다. 또 u(a)>0이면 lnu(x)도 미분가능하며, 그 미분계수는 ln∣u(x)∣의 미분계수와 같다. x=a에서의 미분계수는 아래와 같다:
앞의 두 식은 연쇄 법칙이고, 뒤의 두 식은 합성의 정의역에서의 그 형태이다. 로그는 0에서 정의되지 않기 때문이다.
증명
1
dxd(eu(x))=eu(x)u′(x),dxd(bu(x))=bu(x)lnb⋅u′(x)
겉함수 et과 bt은 R(u의 값을 모두 포함하는 것) 전체에서 미분가능하다. 연쇄 법칙에 의해 x=a에서의 앞의 두 미분계수를 얻는다.
2
dxd(ln∣u(x)∣)=u(x)1⋅u′(x)=u(x)u′(x)
함수 ln∣t∣는 B=R∖{0}(중심이 u(a)이고 반지름이 r=∣u(a)∣인 구간을 포함하는 것)에서 정의되고, u(a)에서 미분가능하며, 미분계수는 u(a)1이다. 합성의 정의역에서의 연쇄 법칙의 따름정리에 의해 a는 ln∣u(x)∣의 정의역의 집적점이고, x=a에서의 미분계수는:
3
dxd(logb∣u(x)∣)=lnb1⋅u(x)u′(x)=u(x)lnbu′(x)
u(a)>0이면, 같은 따름정리를 B=(0,∞), r=u(a)으로 하여 적용하면 lnu(x)의 미분계수를 얻으며, 그것은 같은 것이다. 밑 b에 대해서는 밑변환 공식에 의해 상수 lnb로 나눈다.
이렇게 하여 2sinx의 도함수는 2sinxln2⋅cosx이고, ln(x2+1)의 도함수는 x2+12x이며, 이것은 R 전체에서 성립한다. 연쇄 법칙에 관한 수업에서는 ln(cosx)를 그 정의역(cosx>0인 범위)에서 미분하여 −tanx를 얻었다. 절댓값이 그 결과를 넓힌다. ln∣cosx∣는 cosx=0인 곳에서 정의되고, 그 도함수는 그 집합 전체에서 −tanx이며, 그 집합은 탄젠트의 정의역이다.