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Topos Uranos

함수의 극한으로서의 도함수

요약

이 수업에서는 함수의 한 점에서의 미분계수를 극한으로 정의한다. 곧 할선의 기울기의 극한으로서 이것은 접선의 기울기이고, 평균속도의 극한으로서 이것은 순간속도이다. 정의가 의미를 갖는 점이 어디인지 밝히고, 한쪽 미분계수, 접선과 법선, 도함수, 라이프니츠 표기법을 도입하며, 미분계수가 세 가지 동치인 표현을 가짐을 증명한다. 평균변화율의 극한, 무시할 수 있는 오차를 갖는 직선에 의한 근사, 그리고 카라테오도리 분해이다. 마지막 표현으로부터 미분가능한 함수는 모두 연속임이 따른다. 절댓값과 세제곱근은 그 역이 거짓임을 보여 준다.

학습 목표

  1. 함수의 한 점에서의 미분계수를 평균변화율의 극한으로 정의하고, 이를 접선의 기울기와 순간속도로 해석한다.
  2. 한쪽 미분계수를 계산하고, 이를 이용해 함수가 한 점에서 미분가능한지 판정한다.
  3. 평균변화율, 일차근사, 카라테오도리의 특성화가 동치임을 증명한다.
  4. 한 점에서 미분가능한 함수는 그 점에서 연속임을 증명하고, 미분가능하지 않은 연속함수를 알아본다.

접선과 속도

포물선의 방정식에 관한 수업에서, 직선이 한 점에서 곡선에 접한다는 것은 그 점에서만 곡선과 만나고 곡선을 가로지르지 않는다는 뜻이었다. 이 생각은 원뿔곡선에는 충분하지만 임의의 곡선에는 충분하지 않다. 원점에서 곡선 y=x3y = x^3은 왼쪽에서는 수평인 축 아래에, 오른쪽에서는 그 위에 있다. 원점을 지나는 모든 직선은 이 곡선을 가로지르고, 직선 y=mxy = mx(단, m<0m < 0)는 원점에서만 이 곡선과 만난다. 왜냐하면 등식 x3=mxx^3 = mx는 x=0x = 0 또는 x2=mx^2 = m을 요구하기 때문이다. 조건을 만족하는 직선은 하나도 없지만, 그래도 눈으로 보면 수평인 축이야말로 원점 근처에서 곡선에 가장 잘 붙어 가는 직선이다. 따라서 곡선 전체의 모양이 아니라 점 근처에서 일어나는 일에만 의존하는 다른 정의가 필요하다.

이 생각은 오래되었다. 접선은 할선의 극한 위치이다. 함수 ff와 그 그래프 위의 점 (a,f(a))(a, f(a))를 생각하자. h≠0h \neq 0일 때, (a,f(a))(a, f(a))와 (a+h,f(a+h))(a + h, f(a + h))를 지나는 할선의 기울기는

f(a+h)−f(a)h\frac{f(a + h) - f(a)}{h}

hh가 00에 가까워지면 두 번째 점은 첫 번째 점에 가까워지고, 기울기들이 극한을 가지면 (a,f(a))(a, f(a))를 지나고 그 기울기를 갖는 직선이 접선의 후보이다.

예시포물선의 할선

f(x)=x2f(x) = x^2, a=1a = 1로 두자. 점 (1,1)(1, 1)을 지나는 몇 개의 할선의 기울기를 계산한 뒤 그 극한을 구한다. 그림은 각 할선과, 마지막으로 접선을 보여 준다.

증명

  1. f(2)−f(1)1=4−11=3\frac{f(2) - f(1)}{1} = \frac{4 - 1}{1} = \resaltar{3}

    h=1h = 1일 때, 할선은 (1,1)(1, 1)과 (2,4)(2, 4)를 지난다.

  2. f(32)−f(1)12=94−112=52\frac{f\left(\frac{3}{2}\right) - f(1)}{\frac{1}{2}} = \frac{\frac{9}{4} - 1}{\frac{1}{2}} = \resaltar{\frac{5}{2}}

    h=12h = \frac{1}{2}일 때, 두 번째 점은 (32,94)\left(\frac{3}{2}, \frac{9}{4}\right)이고 기울기는 작아진다.

  3. (1+h)2−1h=2h+h2h=2+h\frac{(1 + h)^2 - 1}{h} = \frac{2h + h^2}{h} = \resaltar{2 + h}

    일반적으로, 양수든 음수든 모든 h≠0h \neq 0에 대해 기울기는 간단해진다. h=14h = \frac{1}{4}일 때 그 값은 94\frac{9}{4}이다.

  4. lim⁡h→0(2+h)=2,y=1+2(x−1)=2x−1\lim_{h \to 0} (2 + h) = 2, \qquad y = 1 + 2(x - 1) = \resaltar{2x - 1}

    hh가 00에 가까워질 때 기울기는 22에 가까워진다. (1,1)(1, 1)을 지나고 기울기가 22인 직선이 접선이다. 이것은 포물선에 관한 수업의 접선 보조정리가 준 직선과 같으며, 이때 x2=4⋅14 yx^2 = 4 \cdot \frac{1}{4} \, y이다.

같은 극한이 운동을 연구할 때도 나타난다. s(t)s(t)가 직선 위를 움직이는 점의 시각 tt에서의 위치이면, 몫 s(t0+h)−s(t0)h\frac{s(t_0 + h) - s(t_0)}{h}는 시각 t0t_0과 t0+ht_0 + h 사이의 평균속도, 곧 변위를 걸린 시간으로 나눈 것이다. 시각 t0t_0에서의 속도, 곧 속도계가 보여 줄 속도는 hh가 00에 가까워질 때 평균속도의 극한이다. 예를 들어 s(t)=t2−4ts(t) = t^2 - 4t이면, 11과 1+h1 + h 사이의 평균속도는 (1+h)2−4(1+h)+3h=h−2\frac{(1 + h)^2 - 4(1 + h) + 3}{h} = h - 2이고, 이는 −2-2에 가까워진다. 시각 11에서 점은 단위 시간당 두 단위 길이의 비율로 왼쪽으로 움직인다. 접선의 물음과 속도의 물음, 이 두 물음은 같은 극한에 이르며, 아래에서 정의하는 것이 바로 이 극한이다.

한 점에서의 미분계수

함수의 극한에 관한 수업에서처럼, 먼저 극한이 어디에서 의미를 갖는지 밝혀야 한다. 몫에는 값 f(a)f(a)가 필요하므로 aa는 정의역에 속해야 한다. 그리고 xx가 aa에 가까워질 때의 극한은 aa가 정의역의 집적점이기를 요구한다.

정의함수의 한 점에서의 미분계수

ff를 실수의 집합 AA에서 정의된 실함수라 하고, aa를 AA의 원소로서 AA의 집적점인 것이라 하자. ff의 aa에서의 평균변화율은 함수 f(x)−f(a)x−a\frac{f(x) - f(a)}{x - a}이며, 이는 xx(AA의 원소로서 aa와 다른 것)에 대해 정의된다. ff가 aa에서 미분가능하다는 것은, 평균변화율이 실수 극한 LL을 xx가 aa에 가까워질 때 갖는다는 것이다. 이 수를 ff의 aa에서의 미분계수라 하고 f′(a)f'(a)로 쓴다:

f′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

몫은 A∖{a}A \setminus \{a\}에서 정의되고, aa는 이 집합의 집적점이다. 집적점의 정의는 aa와 다른 원소만 보기 때문이다. 극한의 유일성에 의해 미분계수는 존재하면 유일하다. 정의역의 고립점에서는, 모든 함수가 거기서 연속임에도 미분계수를 정의하지 않는다. 또 몫이 ∞\infty 또는 −∞-\infty로 발산하면, 함수는 aa에서 미분가능하지 않다. 미분계수는 실수이기 때문이다. 정의는 흔히, 예에서처럼, 증분 h=x−ah = x - a를 점 xx 대신 써서 나타낸다.

명제증분을 이용한 미분계수의 표현

정의의 가정 아래에서, f(a+h)f(a + h)는 정의된 곳에서만 생각하면 아래 등식이 성립한다:

f′(a)=L⇔lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h=Lf'(a) = L \Leftrightarrow \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h} = L

이것은 변수 변환 x=a+hx = a + h이며, 좌극한과 우극한에 관한 수업의 평행이동과 대칭이동 명제가 한쪽에 대해 했던 것을, 이번에는 양쪽에 대해 동시에 하는 것이다.

증명

  1. Q(a+h)=f(a+h)−f(a)h,h≠0→a+h≠aQ(a + h) = \frac{f(a + h) - f(a)}{h}, \qquad h \neq 0 \rightarrow a + h \neq a

    Q(x)Q(x)를 평균변화율이라 하자. 함수 g(h)=a+hg(h) = a + h는 h≠0h \neq 0(단, a+ha + h가 AA에 속하는 것)에 대해 aa에 가까워지고, 값 aa를 취하지 않으며, 그 값은 QQ의 정의역에 속한다. 극한의 연산 법칙에 관한 수업의 합성함수의 극한 정리에 의해, QQ가 LL에 가까워지면(aa에서) Q(a+h)Q(a + h)도 LL에 가까워진다(00에서).

  2. Q(x)=Q(a+(x−a)),x≠a→x−a≠0Q(x) = Q\left(a + (x - a)\right), \qquad x \neq a \rightarrow \resaltar{x - a \neq 0}

    거꾸로, 함수 x−ax - a는 xx(AA의 원소로서 aa와 다른 것)에 대해 00에 가까워지고 값 00을 취하지 않는다. 이것을 h↦Q(a+h)h \mapsto Q(a + h)와 합성하면 몫 Q(x)Q(x)가 나오며, 이 몫도 같은 극한에 가까워진다.

처음 몇 가지 미분계수는 직접 계산된다. f(x)=mx+bf(x) = mx + b이면 평균변화율은 m(a+h)+b−(ma+b)h=m\frac{m(a + h) + b - (ma + b)}{h} = m이고(모든 h≠0h \neq 0에 대해), 그 극한은 mm이다. 일차함수의 미분계수는 모든 점에서 그 기울기이고, 그 접선은 그 직선 자신이다. 특히 상수의 미분계수는 00이고 항등함수 f(x)=xf(x) = x의 미분계수는 11이다. f(x)=x2f(x) = x^2에 대해서는, aa를 11 대신 넣어 예의 계산을 하면 (a+h)2−a2h=2a+h\frac{(a + h)^2 - a^2}{h} = 2a + h가 되고, 미분계수는 2a2a이다.

한쪽 미분계수

구간의 끝점이나 함수의 식이 바뀌는 점에서는 평균변화율을 각 쪽에서 따로 살펴보는 것이 좋다.

정의한쪽 미분계수

aa를 AA의 원소로서 A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty}의 집적점인 것이라 하자. ff가 aa에서 우미분가능하다는 것은, 평균변화율이 aa에서 실수 우극한을 갖는다는 것이다. 이 극한을 우미분계수라 하고 f+′(a)f'_+(a)로 쓴다:

f+′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(a<x<a+δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'_+(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(a < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

마찬가지로 aa가 A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a}의 집적점이면, 좌미분계수 f−′(a)f'_-(a)는 조건 a−δ<x<aa - \delta < x < a 아래에서의 평균변화율의 좌극한이다.

명제미분계수와 한쪽 미분계수

aa를 AA의 원소라 하자.

  • aa가 A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty}와 A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a}의 집적점이면, ff가 aa에서 미분가능할 필요충분조건은 두 한쪽 미분계수가 존재하고 서로 같은 것이다. 이때 f′(a)=f+′(a)=f−′(a)f'(a) = f'_+(a) = f'_-(a)이다.
  • aa가 AA의 한쪽에만 있는 점들의 집적점이면, ff가 aa에서 미분가능할 필요충분조건은 그쪽에서 미분가능한 것이며, 미분계수는 그 한쪽 미분계수이다.

새로운 논증은 전혀 필요 없다. 한쪽 미분계수는 평균변화율의 한쪽 극한이고, 좌극한과 우극한에 관한 수업이 이미 이것들을 극한과 연결했다.

증명

  1. lim⁡x→af(x)−f(a)x−a=L⇔f+′(a)=L=f−′(a)\lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = L \Leftrightarrow f'_+(a) = L = \resaltar{f'_-(a)}

    첫째 경우에는 극한과 한쪽 극한 정리를 평균변화율에 적용하면 동치가 나온다.

  2. (∀x∈A)(0<∣x−a∣<r→x>a)→f′(a)=f+′(a)\left(\forall x \in A\right)\left(0 < \abs{x - a} < r \rightarrow x > a\right) \rightarrow f'(a) = \resaltar{f'_+(a)}

    둘째 경우에는, 같은 수업에서 보았듯이, aa가 정의역의 한쪽에만 있는 점들의 집적점이면 극한과 그쪽의 한쪽 극한이 일치한다. 어떤 r>0r > 0이 존재하여, 모든 xx(AA의 원소로서 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r를 만족하는 것)가 그쪽에 있다.

예를 들어 절댓값의 00에서의 평균변화율은 ∣x∣x\frac{\abs{x}}{x}이며, 그 값은 11(x>0x > 0일 때)과 −1-1(x<0x < 0일 때)이다. 한쪽 미분계수는 f+′(0)=1f'_+(0) = 1과 f−′(0)=−1f'_-(0) = -1로 서로 다르며, ∣x∣\abs{x}는 00에서 미분가능하지 않다. 반면 함수가 [0,1]\icc{0}{1}에서 정의되어 있으면, 00에서의 미분계수는 우미분계수이고 11에서의 미분계수는 좌미분계수이다. 정의는 이미 정의역의 끝점을 한쪽만 있는 점으로 다룬다. 예를 들어 f(x)=xf(x) = x를 [0,1]\icc{0}{1}로 제한한 것은 00에서 미분가능하며 f′(0)=1f'(0) = 1이다.

접선과 법선

미분계수와 함께 접선은 눈으로 알아보는 도형이기를 그치고, 계산되는 직선이 된다.

정의접선과 법선

ff가 aa에서 미분가능하다고 하자. ff의 그래프의 점 (a,f(a))(a, f(a))에서의 접선은 그 점을 지나고 기울기가 f′(a)f'(a)인 직선이다:

y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)

같은 점에서의 법선은 그 점을 지나고 접선에 수직인 직선이다. f′(a)≠0f'(a) \neq 0이면 직선 y=f(a)−1f′(a)(x−a)y = f(a) - \frac{1}{f'(a)}(x - a)이고, f′(a)=0f'(a) = 0이면 연직선 x=ax = a이다.

법선의 기울기는 직선의 방정식에 관한 수업의 수직인 직선 정리에서 나온다. 연직이 아닌 두 직선이 서로 수직일 필요충분조건은 기울기의 곱이 −1-1인 것이다. 곡선 y=x3y = x^3로 돌아가면, 00에서의 평균변화율은 x2x^2이고 00에 가까워진다. 원점에서의 접선은 곡선을 가로지르지만 수평인 축이다. ff가 aa에서 연속이고 평균변화율이 ∞\infty 또는 −∞-\infty로 발산하면, 할선은 연직 방향에 가까워진다. 이때 그래프는 (a,f(a))(a, f(a))에서 수직 접선, 곧 직선 x=ax = a를 갖는다고 한다. 단, ff는 aa에서 미분가능하지 않다.

마찬가지로 s(t)s(t)가 직선 위를 움직이는 점의 위치이면, 시각 t0t_0에서의 그 속도는 존재할 경우 s′(t0)s'(t_0)이다. 그 부호는 운동의 방향을, 그 절댓값은 속력을 나타낸다. 변화율에 관한 수업에서 이 해석을 발전시킨다.

도함수와 라이프니츠 표기법

ff가 미분가능한 각 점은 하나의 수, 곧 그 점에서의 미분계수를 준다. 이 수들을 모두 모아 새로운 함수를 만든다.

정의도함수

ff를 AA에서 정의된 함수라 하자. ff의 도함수는 함수 f′f'으로서, 각 점 xx(AA의 점으로서 ff가 미분가능한 것)에 수 f′(x)f'(x)를 대응시키는 것이다. 그 정의역은 그런 점들의 집합이다. ff가 집합 SS(AA에 포함되는 것)의 모든 점에서 미분가능하면, SS에서 미분가능하다고 한다. 그리고 정의역 전체에서 미분가능하면 단순히 미분가능하다고 한다.

예를 들어 x2x^2의 도함수는 함수 2x2x이며, R\mathbb{R} 전체에서 정의된다. 절댓값의 도함수는 값 11((0,∞)\ioo{0}{\infty}에서)와 −1-1((−∞,0)\ioo{-\infty}{0}에서)을 가지며, 그 정의역은 00을 포함하지 않는다. 프라임을 쓰는 표기 f′f'은 라그랑주에서 비롯된다. 또 하나의 흔한 표기는 라이프니츠에서 비롯된다. y=f(x)y = f(x)이면 도함수는 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 또는 dfdx\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x}로 쓰고, xx에 대해 미분하는 연산은 미분할 식 앞에 ddx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}를 붙여 쓴다:

ddx(x2)=2x,ddx(mx+b)=m\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2\right) = 2x, \qquad \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(mx + b\right) = m

이 표기는 도함수가 어디에서 오는지 떠올리게 한다. Δx\Delta x가 변수의 증분이고 Δy=f(x+Δx)−f(x)\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x)가 이에 대응하는 함수의 증분이면, 평균변화율은 ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x}이고 도함수는 그 극한이다:

dydx=lim⁡Δx→0ΔyΔx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}

강조해 둘 것은, 지금으로서는 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}가 하나의 기호이지 몫이 아니라는 점이다. dy\mathrm{d}y와 dx\mathrm{d}x는 아직 따로따로는 의미를 갖지 않으며, 고계도함수와 미분에 관한 수업에서 의미를 갖게 된다. 이 표기는 어느 변수에 대해 미분하는지를 분명히 한다. 위치가 시간에 의존하면 속도는 s′(t)s'(t) 또는 dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}로 쓴다.

미분계수의 세 가지 특성화

정의는 평균변화율이 f′(a)f'(a)에 가까워진다고 말한다. 같은 것을 말하는 방법이 두 가지 더 있으며, 각각 다른 목적에 쓸모가 있다. 둘째 방법은 함수를 그 접선과 비교하고, 셋째 방법은 나눗셈을 피한다.

정리미분계수의 특성화

ff를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 원소로서 AA의 집적점인 것, LL을 실수라 하자. 아래의 세 명제는 동치이다:

  • 평균변화율. ff는 aa에서 미분가능하고 f′(a)=Lf'(a) = L이다.
  • 일차근사. f(a+h)=f(a)+Lh+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + Lh + \operatorname{o}(h)(hh가 00에 가까워질 때). 곧 나머지 R(h)=f(a+h)−f(a)−LhR(h) = f(a + h) - f(a) - Lh는 lim⁡h→0R(h)h=0\lim_{h \to 0} \frac{R(h)}{h} = 0을 만족한다.
  • 카라테오도리. 함수 φ ⁣:A→R\varphi \colon A \to \mathbb{R}로서 aa에서 연속이고 φ(a)=L\varphi(a) = L이며, f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a)가 모든 xx(AA의 원소)에 대해 성립하는 것이 존재한다.

기호 o⁡\operatorname{o}는 동치인 무한소와 무한대에 관한 수업의 것이며, f(a+h)f(a + h)는 정의된 곳에서만 생각한다. 함수 φ\varphi는 할선의 기울기를 aa에서 미분계수로 보완한 것이다. 그림은 f(x)=x2+12f(x) = \frac{x^2 + 1}{2}과 a=1a = 1의 경우에 대해, 곡선과 접선 사이의 나머지, 할선 하나, 그리고 마지막으로 φ\varphi의 그래프를 보여 준다. 이 경우 그것은 직선 φ(x)=x+12\varphi(x) = \frac{x + 1}{2}이다.

증명

  1. R(h)h=f(a+h)−f(a)h−L→0⇔f(a+h)−f(a)h→L\frac{R(h)}{h} = \frac{f(a + h) - f(a)}{h} - L \to 0 \Leftrightarrow \resaltar{\frac{f(a + h) - f(a)}{h} \to L}

    첫째와 둘째: 나머지를 hh로 나눈 몫은 평균변화율에서 LL을 뺀 것이다. 극한의 연산 법칙에 관한 수업의 영으로 가는 거리로서의 극한 보조정리에 의해, 이 몫이 00에 가까워질 필요충분조건은 평균변화율이 LL에 가까워지는 것이며, 증분을 이용한 표현에 의해 이는 f′(a)=Lf'(a) = L와 동치이다.

  2. φ(x)={f(x)−f(a)x−ax≠aLx=a,lim⁡x→aφ(x)=L=φ(a)\varphi(x) = \begin{cases} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} & x \neq a \\ L & x = a \end{cases}, \qquad \lim_{x \to a} \varphi(x) = L = \resaltar{\varphi(a)}

    첫째에서 셋째로: φ\varphi를 aa 밖에서는 평균변화율로, 값 LL(aa에서)을 갖는 것으로 정의한다. 등식은 모든 x≠ax \neq a에서 정의에 의해 성립하고, x=ax = a에서는 두 변이 모두 00이므로 성립한다. aa가 AA의 집적점이고 φ\varphi의 aa에서의 극한이 L=φ(a)L = \varphi(a)이므로, 극한과 연속성에 관한 수업의 연속성과 극한 명제에 의해 φ\varphi는 aa에서 연속이다.

  3. x≠a→f(x)−f(a)x−a=φ(x)→φ(a)=Lx \neq a \rightarrow \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = \varphi(x) \to \varphi(a) = \resaltar{L}

    셋째에서 첫째로: x≠ax \neq a이면 x−ax - a로 나누어, 평균변화율은 φ\varphi의 A∖{a}A \setminus \{a\}로의 제한이 된다. φ\varphi는 aa에서 연속이므로 같은 명제에 의해 φ(a)=L\varphi(a) = L에 가까워지고, 극한의 연산 법칙에 관한 수업의 제한의 극한 보조정리에 의해 평균변화율도 같은 값에 가까워진다.

셋째 특성화의 함수 φ\varphi는 존재하면 유일하다. aa 밖에서는 평균변화율이고, aa에서의 값은 그 평균변화율의 극한이다. 둘째 특성화는 접선이 어떤 의미에서 곡선에 가장 잘 붙어 가는 직선인지 설명한다. f(a+h)f(a + h)를 f(a)+mhf(a) + mh로 바꾸면, 단 기울기 mm은 f′(a)f'(a)와 다르다고 하면, 오차는 (f′(a)−m)h+o⁡(h)(f'(a) - m)h + \operatorname{o}(h)이고, 이를 hh로 나눈 몫은 f′(a)−m≠0f'(a) - m \neq 0에 가까워진다. 오차는 hh와 같은 차수이다. 기울기가 f′(a)f'(a)일 때에만 오차는 hh에 비해 무시할 수 있다. 셋째 특성화에는 기술적인 장점이 있다. 나눗셈이 없는 곱 사이의 등식이라는 점이다. 미분법의 공식과 연쇄 법칙에 관한 수업에서는 영이 될 수 있는 양으로 나누지 않기 위해 이것을 쓴다. 첫째 결과는 바로 나온다.

정리미분가능하면 연속

ff가 aa에서 미분가능하면 ff는 aa에서 연속이다. 카라테오도리 분해는 ff를 aa에서 연속인 함수들 사이의 연산으로 나타낸다.

증명

  1. f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a)

    특성화 정리에 의해, φ\varphi로서 aa에서 연속인 것이 존재하여, f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a)이 모든 xx(AA의 원소)에 대해 성립한다.

  2. lim⁡x→af(x)=f(a)+φ(a)⋅0=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) + \varphi(a) \cdot 0 = \resaltar{f(a)}

    상수 f(a)f(a)와 다항식 x−ax - a는 aa에서 연속이고 φ\varphi도 그렇다. 극한과 연속성에 관한 수업의 연속함수의 연산 정리에 의해, 상수와 곱의 합은 aa에서 연속이다.

역은 거짓이다. 연속성은 f(x)−f(a)f(x) - f(a)가 00에 가까워질 것을 요구한다. 미분가능성은 그 이상을 요구한다. 그것을 x−ax - a로 나눈 몫이 극한을 갖는 것, 곧 00에 적어도 x−ax - a만큼 빠르게 가까워지고, 서로 다른 기울기 사이에서 진동하지 않는 것이다.

명제미분불가능한 연속함수

절댓값과 세제곱근은 00에서 연속이고 00에서 미분가능하지 않다. 앞의 것은 한쪽 미분계수가 서로 다르고, 뒤의 것의 평균변화율은 ∞\infty로 발산하므로, 그 그래프는 원점에서 수직 접선을 갖는다. 둘이 연속인 것은 극한과 연속성에 관한 수업의 잘 알려진 연속함수 따름정리에 의한다. 그림은 절댓값에서는 두 한쪽 기울기를, 세제곱근에서는 점점 가팔라지는 할선을 보여 준다.

증명

  1. f+′(0)=lim⁡x→0+∣x∣x=1≠−1=lim⁡x→0−∣x∣x=f−′(0)f'_+(0) = \lim_{x \to 0^+} \frac{\abs{x}}{x} = 1 \neq -1 = \lim_{x \to 0^-} \frac{\abs{x}}{x} = \resaltar{f'_-(0)}

    절댓값의 00에서의 평균변화율은 오른쪽에서 11, 왼쪽에서 −1-1이다. 한쪽 미분계수가 서로 다르므로, 미분계수와 한쪽 미분계수 명제에 의해 ∣x∣\abs{x}는 00에서 미분가능하지 않다.

  2. x3−0x−0=1(x3)2→∞\frac{\sqrt[3]{x} - 0}{x - 0} = \frac{1}{\left(\sqrt[3]{x}\right)^2} \to \resaltar{\infty}

    세제곱근의 00에서의 평균변화율은 (x3)2\left(\sqrt[3]{x}\right)^2의 역수이며, 이것은 x≠0x \neq 0일 때 양수이고 근의 연속성에 의해 00에 가까워진다. 무한 극한에 관한 수업의 역수 보조정리에 의해 평균변화율은 ∞\infty로 발산하며 실수 극한을 갖지 않는다.

두 함수가 실패하는 곳은 한 점뿐이지만, 수직선 전체에서 연속이면서 어느 점에서도 미분가능하지 않은 함수가 존재한다. 바이어슈트라스는 1872년에 가장 유명한 예를 제시했으며, 그 구성은 이 과정의 범위를 넘어선다.

예제

문제들은 난이도 순으로 나아간다. 첫째 문제는 정의역의 끝에서 존재하지 않게 되는 미분계수를 계산하고, 둘째는 접선을 이용해 쌍곡선의 성질을 발견하며, 셋째는 한쪽 미분계수가 존재하지 않을 수 있음을 보이고, 넷째는 함수가 단 한 점에서만 미분가능할 수 있음을 보이며, 마지막 문제는 카라테오도리 분해와 한쪽 미분계수를 결합한다.

예제 1정의역의 끝에서의 제곱근

f(x)=xf(x) = \sqrt{x}([0,∞)\ico{0}{\infty}에서 정의된 것)의 미분가능성을 조사하고, 가로 좌표가 44인 점에서의 접선을 구하라.

풀이

  1. a+h−ah=(a+h)−a(a+h+a)h=1a+h+a\frac{\sqrt{a + h} - \sqrt{a}}{h} = \frac{(a + h) - a}{\left(\sqrt{a + h} + \sqrt{a}\right) h} = \frac{1}{\sqrt{a + h} + \sqrt{a}}

    a>0a > 0이면 평균변화율은 00\frac{0}{0} 꼴의 부정형이다. 켤레식을 곱하고 나눈다.

  2. f′(a)=12a,y=2+14(x−4)=x4+1f'(a) = \resaltar{\frac{1}{2\sqrt{a}}}, \qquad y = 2 + \frac{1}{4}(x - 4) = \frac{x}{4} + 1

    근의 연속성에 의해 분모는 2a≠02\sqrt{a} \neq 0에 가까워지고, 극한의 연산 법칙에 관한 수업의 역수의 극한 정리에 의해 평균변화율은 12a\frac{1}{2\sqrt{a}}에 가까워진다. a=4a = 4에서 미분계수는 14\frac{1}{4}이고 접선은 (4,2)(4, 2)를 지난다.

  3. lim⁡h→0+h−0h=lim⁡h→0+1h=∞\lim_{h \to 0^+} \frac{\sqrt{h} - 0}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{1}{\sqrt{h}} = \resaltar{\infty}

    a=0a = 0에서는 정의역의 점이 오른쪽에만 있으므로, 미분계수와 한쪽 미분계수 명제에 의해 미분계수는 우미분계수이다. 평균변화율은 1h\frac{1}{\sqrt{h}}이고, h\sqrt{h}는 양수이며 00에 가까워지므로, 역수 보조정리에 의해 ∞\infty가 된다.

  4. f ⁣:[0,∞)→R,f′ ⁣:(0,∞)→Rf \colon \ico{0}{\infty} \to \mathbb{R}, \qquad f' \colon \resaltar{\ioo{0}{\infty}} \to \mathbb{R}

    따라서 x\sqrt{x}는 (0,∞)\ioo{0}{\infty}에서 미분가능하고 00에서는 미분가능하지 않다. 그 점에서 함수는 연속이며, 그 그래프는 수직 접선 x=0x = 0을 갖는다. 도함수의 정의역은 원래 함수의 정의역보다 작다.

예제 2쌍곡선의 접선

y=1xy = \frac{1}{x}의 점 (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right)(단, a>0a > 0)에서의 접선이 좌표축과 함께 넓이가 22인 삼각형을 만들고 이 넓이는 aa에 관계없음을, 또 접점이 좌표축이 접선에서 잘라 내는 선분의 중점임을 증명하라.

풀이

  1. 1a+h−1ah=−ha(a+h) h=−1a(a+h)→−1a2\frac{\frac{1}{a + h} - \frac{1}{a}}{h} = \frac{-h}{a(a + h) \, h} = -\frac{1}{a(a + h)} \to \resaltar{-\frac{1}{a^2}}

    분수의 뺄셈으로 평균변화율이 간단해진다. 역수의 극한 정리에 의해 그 극한은 −1a2-\frac{1}{a^2}이다.

  2. y=1a−1a2(x−a)=2a−xa2y = \frac{1}{a} - \frac{1}{a^2}(x - a) = \resaltar{\frac{2}{a} - \frac{x}{a^2}}

    접선은 이 기울기로 (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right)를 지난다.

  3. (2a,0),(0,2a),(2a+02,0+2a2)=(a,1a)\dato{c}{(2a, 0), \quad \left(0, \frac{2}{a}\right)}, \qquad \left(\frac{2a + 0}{2}, \frac{0 + \frac{2}{a}}{2}\right) = \resaltar{\left(a, \frac{1}{a}\right)}

    y=0y = 0으로 두면 수평인 축과의 교점이, x=0x = 0으로 두면 연직인 축과의 교점이 나온다. 두 점의 중점이 접점이다.

  4. 12⋅2a⋅2a=2\frac{1}{2} \cdot 2a \cdot \frac{2}{a} = \resaltar{2}

    삼각형의 직각을 낀 변은 2a2a와 2a\frac{2}{a}이며 좌표축 위에 있다. 그 넓이는 aa에 관계없다. 그림은 그런 삼각형 두 개를 보여 주는데, 모양은 다르고 넓이는 같다.

예제 3연속이면서 한쪽 미분계수가 없는 함수

f(x)=xsin⁡1xf(x) = x \sin \frac{1}{x}, g(x)=x2sin⁡1xg(x) = x^2 \sin \frac{1}{x}(x≠0x \neq 0일 때), f(0)=g(0)=0f(0) = g(0) = 0라 하자. ff는 00에서 연속이지만 00에서 미분계수도 한쪽 미분계수도 갖지 않음을, 그리고 gg는 00에서 미분가능하고 g′(0)=0g'(0) = 0임을 증명하라.

풀이

  1. f(x)−f(0)x−0=xsin⁡1xx=sin⁡1x\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} = \resaltar{\sin \frac{1}{x}}

    극한과 연속성에 관한 수업의 예제 3에 의해 ff는 00에서 연속이다. 00에서의 그 평균변화율은 sin⁡1x\sin \frac{1}{x}이다.

  2. sin⁡1xn=1,sin⁡1yn=−1,xn=1π2+2nπ,yn=13π2+2nπ\sin \frac{1}{x_n} = 1, \quad \sin \frac{1}{y_n} = -1, \qquad x_n = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}, \quad y_n = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}

    극한에 관한 수업의 연습 문제 3에서는, 양수인 점들의 두 족을 이용해 sin⁡1x\sin \frac{1}{x}가 00에서 극한을 갖지 않음을 보였다. 그 점들에서의 값은 11과 −1-1이다. 같은 논증으로 우극한이 부정된다. 부호를 바꾼 점들(그 점들에서의 값은 −1-1과 11)을 쓰면 좌극한이 부정된다.

  3. g(x)−g(0)x−0=xsin⁡1x→0,g′(0)=0\frac{g(x) - g(0)}{x - 0} = x \sin \frac{1}{x} \to 0, \qquad g'(0) = \resaltar{0}

    반면 gg의 평균변화율은 xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x}이며, 이는 유계인 함수와 00에 가까워지는 함수의 곱이다. 조임 정리에 관한 수업의 정리에 의해 이것은 00에 가까워진다.

  4. ∣g(x)∣≤x2=o⁡(x)\abs{g(x)} \leq x^2 = \resaltar{\operatorname{o}(x)}

    두 함수는 00 근처에서 무한히 많이 진동한다. ff의 진동은 ∣x∣\abs{x}로 억제되며, 이것은 분모 x−0x - 0과 같은 차수이므로 평균변화율은 계속 진동한다. gg의 진동은 x2x^2으로 억제되며, 이것은 xx에 비해 무시할 수 있으므로 평균변화율은 사라져 간다.

예제 4단 한 점에서만 미분가능한 함수

ff를 값 x2x^2(xx가 유리수일 때)와 00(xx가 무리수일 때)를 갖는 함수라 하자. ff는 00에서 미분가능하고 f′(0)=0f'(0) = 0이며, 그 밖의 어느 점에서도 미분가능하지 않음을 증명하라.

풀이

  1. x∈Q→x g(x)=x2,x∉Q→x g(x)=0x \in \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = x^2, \qquad x \notin \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = 0

    gg를 극한과 연속성에 관한 수업의 예제 5의 함수, 곧 유리수에서 xx, 무리수에서 00을 갖는 함수라 하자. 그러면 f(x)=x g(x)f(x) = x \, g(x)가 모든 xx에 대해, 두 경우 모두 성립한다.

  2. f(x)−f(0)x−0=x g(x)x=g(x)→g(0)=0,f′(0)=0\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \, g(x)}{x} = g(x) \to g(0) = 0, \qquad f'(0) = \resaltar{0}

    00에서 평균변화율은 g(x)g(x)이고, 이는 g(0)=0g(0) = 0에 가까워진다. 그 문제에서 gg가 00에서 연속임을 보였기 때문이다.

  3. lim⁡x→af(x)=f(a)→lim⁡x→af(x)x=f(a)a=g(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) \rightarrow \lim_{x \to a} \frac{f(x)}{x} = \frac{f(a)}{a} = \resaltar{g(a)}

    a≠0a \neq 0이라 하자. 만약 ff가 aa에서 연속이면 g(x)=f(x)xg(x) = \frac{f(x)}{x}도 연속이 된다(연속함수의 연산의 몫의 법칙에 의해. 분모는 aa에서 영이 아니다). 그러나 같은 문제에서 gg가 aa에서 불연속임을 보였다. 따라서 ff는 aa에서 불연속이고, 미분가능하면 연속이라는 정리에 의해 aa에서 미분가능하지 않다.

예제 5미분가능한 함수의 절댓값

ff를 aa를 포함하는 열린구간에서 정의되고, aa에서 미분가능하며, f(a)=0f(a) = 0를 만족하는 함수라 하자. F=∣f∣F = \abs{f}는 aa에서 한쪽 미분계수 ∣f′(a)∣\abs{f'(a)}와 −∣f′(a)∣-\abs{f'(a)}를 가지며, 따라서 aa에서 미분가능할 필요충분조건은 f′(a)=0f'(a) = 0임을 증명하라. 이를 ∣sin⁡x∣\abs{\sin x}와 ∣x3∣\abs{x^3}에 00에서 적용하라.

풀이

  1. F(x)−F(a)x−a=∣f(x)∣−∣f(a)∣x−a=∣φ(x)∣∣x−a∣x−a={∣φ(x)∣x>a−∣φ(x)∣x<a\frac{F(x) - F(a)}{x - a} = \frac{\abs{f(x)} - \abs{f(a)}}{x - a} = \frac{\abs{\varphi(x)}\abs{x - a}}{x - a} = \begin{cases} \abs{\varphi(x)} & x > a \\ -\abs{\varphi(x)} & x < a \end{cases}

    카라테오도리의 특성화에 의해 f(x)=φ(x)(x−a)f(x) = \varphi(x)(x - a)이고, φ\varphi는 aa에서 연속이며 φ(a)=f′(a)\varphi(a) = f'(a)이다. 절댓값을 취하면 인수 ∣x−a∣\abs{x - a}는 오른쪽에서 x−ax - a, 왼쪽에서 a−xa - x이다.

  2. F+′(a)=∣f′(a)∣,F−′(a)=−∣f′(a)∣,∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣⇔f′(a)=0F'_+(a) = \abs{f'(a)}, \qquad F'_-(a) = -\abs{f'(a)}, \qquad \abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)} \Leftrightarrow \resaltar{f'(a) = 0}

    함수 ∣φ∣\abs{\varphi}는 연속함수의 합성에 의해 aa에서 연속이고 ∣f′(a)∣\abs{f'(a)}에 가까워진다. 미분계수와 한쪽 미분계수 명제에 의해 FF가 aa에서 미분가능할 필요충분조건은 두 한쪽 미분계수가 일치하는 것, 곧 ∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣\abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)}이다.

  3. sin⁡xx→1≠0,x3x=x2→0\frac{\sin x}{x} \to 1 \neq 0, \qquad \frac{x^3}{x} = x^2 \to \resaltar{0}

    사인은 sin⁡0=0\sin 0 = 0을 만족하고, 00에서의 그 평균변화율은 sin⁡xx\frac{\sin x}{x}이며, 삼각함수의 기본 극한에 의해 11에 가까워진다. ∣sin⁡x∣\abs{\sin x}는 00에서 한쪽 미분계수 11과 −1-1을 가지며 미분가능하지 않다. 세제곱 함수의 00에서의 평균변화율은 x2x^2이고 00에 가까워진다. ∣x3∣\abs{x^3}은 00에서 미분가능하며 미분계수는 00이다.

연습 문제

문제들은 난이도 순으로 나아간다. 첫째 문제는 원과 구의 기하에서 도함수를 읽어 내고, 둘째는 주어진 점을 지나는 법선을 찾으며, 셋째는 함수가 뛰는 곳에서도 한쪽 미분계수가 존재할 수 있음을 보이고, 넷째는 미분계수로 얻은 접선을 원의 접선과 비교하며, 마지막 문제는 도함수와 비슷하지만 그렇지 않은 몫을 조사한다. 각 문제에는 힌트가 있으며, 스스로 시도해 본 뒤에만 여는 것이 좋다.

연습 문제 1원의 넓이와 구의 부피

A(r)=πr2A(r) = \pi r^2를 반지름이 rr인 원의 넓이, V(r)=43πr3V(r) = \frac{4}{3}\pi r^3를 반지름이 rr인 구의 부피라 하자. 정의를 이용해 dAdr\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r}과 dVdr\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r}을 계산하고, 각 결과가 무엇인지 알아보라.

힌트

(r+h)2(r + h)^2과 (r+h)3(r + h)^3을 전개하고, 극한을 취하기 전에 평균변화율을 간단히 하라. 넓이의 증분은 폭이 hh인 원환의 넓이이다.

정답
dAdr=2πr,dVdr=4πr2\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} = 2\pi r, \qquad \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 4\pi r^2

이것들은 원의 둘레의 길이와 구면의 넓이이다.

연습 문제 2한 점을 지나는 법선

포물선 y=x2y = x^2 위의 점 가운데 그 법선이 점 (0,1)(0, 1)을 지나는 것을 모두 구하고, 그 법선들을 쓰라.

힌트

(a,a2)(a, a^2)에서의 법선의 기울기는 −12a-\frac{1}{2a}이다(a≠0a \neq 0일 때). 그것이 (0,1)(0, 1)을 지나도록 하라. a=0a = 0인 경우를 잊지 말라. 이때 미분계수는 영이 되고 법선은 연직이다.

정답

세 점: (0,0)(0, 0), 법선 x=0x = 0, 그리고 (±22,12)\left(\pm\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{1}{2}\right), 법선 y=1∓x2y = 1 \mp \frac{x}{\sqrt{2}}.

연습 문제 3정수 부분의 한쪽 미분계수

정수 부분 E(x)=⌊x⌋E(x) = \lfloor x \rfloor가 정수가 아닌 모든 실수에서 미분가능하고 미분계수가 00이며, 각 정수 nn에서 우미분계수 00을 갖지만 좌미분계수는 갖지 않음을 증명하라. 이것은 미분가능하면 연속이라는 정리에 모순되는가?

힌트

정수 nn에서 함수는 오른쪽에서 nn, 왼쪽에서 n−1n - 1이다. 평균변화율은 오른쪽에서 00, 왼쪽에서 −1x−n\frac{-1}{x - n}이다. 마지막 물음에 대해서는 정리의 가정과 nn에서 일어나는 일을 비교하라.

정답
E′(x)=0(x∉Z),E+′(n)=0,lim⁡x→n−E(x)−E(n)x−n=∞E'(x) = 0 \quad (x \notin \mathbb{Z}), \qquad E'_+(n) = 0, \qquad \lim_{x \to n^-} \frac{E(x) - E(n)}{x - n} = \infty

모순은 없다. 함수는 nn에서 미분가능하지 않다. 우미분계수가 주는 것은 오른쪽 연속성뿐이며(정리를 EE의 [n,∞)\ico{n}{\infty}로의 제한에 적용한 것), 그것은 성립한다.

연습 문제 4원의 접선

f(x)=1−x2f(x) = \sqrt{1 - x^2}를 중심이 (0,0)(0, 0)이고 반지름이 11인 위쪽 반원이라 하자. f′(a)f'(a)(단, −1<a<1-1 < a < 1)를 계산하고, 접선이 원점과 (a,f(a))(a, f(a))를 잇는 반지름에 수직임을 원에 관한 수업에서처럼 증명하고, a=±1a = \pm 1에서 무슨 일이 일어나는지 조사하라.

힌트

평균변화율에 1−(a+h)2+1−a2\sqrt{1 - (a + h)^2} + \sqrt{1 - a^2}를 곱하고 나누라. a≠0a \neq 0이면 반지름의 기울기는 f(a)a\frac{f(a)}{a}이고, a=0a = 0이면 반지름은 연직이다. a=1a = 1에서는 정의역의 점이 왼쪽에만 있다.

정답
f′(a)=−a1−a2,−a1−a2⋅1−a2a=−1(a≠0)f'(a) = -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}}, \qquad -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}} \cdot \frac{\sqrt{1 - a^2}}{a} = -1 \quad (a \neq 0)

a=0a = 0에서 접선은 수평이고 반지름은 연직이다. a=1a = 1에서 평균변화율은 −∞-\infty로 발산하고, a=−1a = -1에서는 ∞\infty로 발산한다. ff는 ±1\pm 1에서 미분가능하지 않으며, 그 그래프는 거기서 수직 접선을 갖는다.

연습 문제 5대칭 평균변화율

ff를 aa를 포함하는 열린구간에서 정의된 함수라 하자. ff가 aa에서 미분가능하면 lim⁡h→0f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)\lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a)임을 증명하라. f(x)=∣x∣f(x) = \abs{x}의 a=0a = 0에서의 경우를 이용해, ff가 미분가능하지 않아도 이 극한이 존재할 수 있음을 증명하라.

힌트

hh와 −h-h에 대해 일차근사를 쓰고 빼라. 나머지에서 o⁡(h)\operatorname{o}(h)가 나온다. 절댓값의 경우 분자는 ∣h∣−∣−h∣\abs{h} - \abs{-h}이다.

정답
f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+R(h)−R(−h)2h→f′(a),∣h∣−∣−h∣2h=0\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{R(h) - R(-h)}{2h} \to f'(a), \qquad \frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = 0

절댓값의 대칭 평균변화율은 00(00에서)이며, 거기서 미분가능하지 않다.

풀이 과정

풀이

  1. f(a+h)=f(a)+f′(a)h+R(h),f(a−h)=f(a)−f′(a)h+R(−h)f(a + h) = f(a) + f'(a)h + R(h), \qquad f(a - h) = f(a) - f'(a)h + R(-h)

    일차근사에 의해, L=f′(a)L = f'(a)로 두면 나머지 RR은 R(h)h→0\frac{R(h)}{h} \to 0을 만족한다. hh를 −h-h로 바꾸면, 합성함수의 극한 정리에 의해 R(−h)−h→0\frac{R(-h)}{-h} \to 0도 성립한다.

  2. f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+12⋅R(h)h+12⋅R(−h)−h→f′(a)\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(h)}{h} + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(-h)}{-h} \to \resaltar{f'(a)}

    두 등식을 빼고 2h2h로 나눈다. 일차결합의 극한 정리에 의해 나머지의 두 몫은 모두 00을 준다.

  3. ∣h∣−∣−h∣2h=0,f+′(0)=1≠−1=f−′(0)\frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = \resaltar{0}, \qquad f'_+(0) = 1 \neq -1 = f'_-(0)

    00에서의 절댓값의 경우, 분자는 모든 hh에 대해 영이고, 대칭 평균변화율은 00에 가까워진다. 그러나 한쪽 미분계수는 11과 −1-1이다. 대칭 평균변화율은 두 한쪽 기울기를 평균하여 꺾인 점을 감춘다.