이 수업에서는 연쇄 법칙을 증명한다. g가 a에서 미분가능하고 f가 g(a)에서 미분가능하면, 합성 f∘g는 a에서 미분가능하며, 그 미분계수는 곱 f′(g(a))g′(a)이다. 증명에는 카라테오도리의 특성화를 쓰는데, 이것은 무엇으로도 나누지 않는다. 이 수업은 g(x)−g(a)로 나누는 논증이 왜 충분하지 않은지, 그리고 어떤 경우에는 그것이 통하는지를 설명한다. 이 법칙으로 거듭제곱, 근호, 유리함수, 삼각함수의 합성을 몇 줄 만에 미분할 수 있는데, 이것들은 앞서 배운 공식으로는 긴 계산이 필요하거나 손이 닿지 않던 것이다. 이 수업은 또한 도함수의 식이 보여 주지 않는 합성의 정의역에도 주의를 기울이며, 이 법칙을 라이프니츠 표기법으로 제시한다. 거기서 이 법칙은 분수의 약분처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않다.
학습 목표
카라테오도리의 특성화로 연쇄 법칙을 증명하고, g(x)−g(a)로 나누는 증명이 g′(a)=0일 때 왜 실패하는지 설명한다.
둘 이상의 알려진 함수의 합성을 미분하되, 각 도함수의 값을 그에 대응하는 점에서 구한다.
합성함수를 미분하기 전에 그 정의역을 구하고, 이 법칙의 가정이 충분하지만 필요하지는 않음을 인식한다.
연쇄 법칙을 라이프니츠 표기법으로 쓰고 읽는다.
합성함수의 도함수
미분법의 공식에 관한 수업의 공식과 초등함수의 도함수에 관한 수업의 결과로 (2x2+1)12를 미분할 수는 있지만, 거듭제곱을 전개하여 24차 다항식으로 만들거나 곱의 미분법을 거듭 적용하는 수밖에 없다. 또 sin(cosx)와 1+x2는 아직 미분할 수 없다. 함수를 다른 함수에 적용한 것을 어떻게 다루는지 말해 주는 공식이 없기 때문이다. 두 식은 모두 합성이다. (2x2+1)12는 거듭제곱 t12의 t=2x2+1에서의 값이고, sin(cosx)는 사인의 t=cosx에서의 값이다.
두 가지 특수한 경우는 이미 알려져 있다. 초등함수에 관한 수업의 예제 2에서는 f(cx+b)의 a에서의 미분계수가 cf′(ca+b)임을 보였다. 속함수는 일차함수이고 기울기는 c이며, 겉함수의 도함수는 점 ca+b에서 값을 구하고, a에서 구하는 것이 아니다. 또 미분법의 공식에 관한 수업의 연습 문제 4에서는 귀납법으로 (f(x))n의 a에서의 미분계수가 n(f(a))n−1f′(a)임을 얻었다. 두 경우 모두 미분계수는 곱이다. 즉 속함수의 값에서 구한 겉함수의 도함수와 속함수의 미분계수의 곱이다. 이 생각은 변화율의 생각이다. t=g(x)의 변화 빠르기가 g′(a)배(x에 비해)이고, f(t)의 변화 빠르기가 f′(g(a))배(t에 비해)이면, f(g(x))의 변화 빠르기는 f′(g(a))g′(a)배(x에 비해)이다.
정리연쇄 법칙
g를 A에서 정의된 함수로서 점 a(A의 원소로서 A의 집적점인 것)에서 미분가능한 것이라 하고, f를 집합 B(g의 값을 모두 포함하는 것)에서 정의된 함수로서 b=g(a)에서 미분가능한 것이라 하자. 그러면 f∘g는 a에서 미분가능하며,
(f∘g)′(a)=f′(g(a))g′(a)
두 증분을 카라테오도리의 특성화로 분해하고 차례로 잇는다. f의 증분은 t=g(x)에서 값을 구하고, g의 증분으로 t−b를 바꾼다. 그림은 g(x)=x2, f(t)=sint, a=1로 하여 g의 할선과 접선, f의 b=1에서의 할선과 접선, 그리고 마지막으로 sin(x2)의 할선과 접선을 보여 준다. 그 1에서의 기울기는 곱 cos1⋅2이다.
증명
1
g(x)−g(a)=ψ(x)(x−a),x∈A,f(t)−f(b)=φ(t)(t−b),t∈B
극한으로서의 도함수에 관한 수업의 미분계수의 특성화 정리에 의해, ψ:A→R(a에서 연속이고 ψ(a)=g′(a)인 것)와 φ:B→R(b에서 연속이고 φ(b)=f′(b)인 것)가 존재하여 아래가 성립한다:
x를 A의 원소라 하자. 수 t=g(x)는 B에 속하고, 둘째 등식은 그것이 b와 같든 같지 않든 그것에 대해 성립한다. 이어서 t−b=g(x)−g(a)를 첫째 분해로 바꾼다.
3
γ(a)=φ(g(a))ψ(a)=φ(b)ψ(a)=f′(g(a))g′(a)
g는 a에서 미분가능하므로 ‘미분가능하면 연속’ 정리에 의해 a에서 연속이다. 또 φ는 b=g(a)에서 연속이다. 극한과 연속성에 관한 수업의 연속함수의 합성 정리에 의해 φ∘g는 a에서 연속이고, 인수 γ=(φ∘g)ψ도 연속함수의 연산에서의 곱의 법칙에 의해 연속이다. a는 A(f∘g의 정의역)의 집적점이므로, 카라테오도리의 특성화가 미분계수를 준다.
g가 A 전체에서 미분가능하고 f가 B 전체에서 미분가능하면, 이 법칙은 A의 모든 집적점에서 성립하며, 함수 사이의 등식 (f∘g)′=(f′∘g)g′로 쓸 수 있다. 겉함수의 도함수는 g(x)에서 값을 구하며, x에서 구하는 것이 아니다. 이것이 이 법칙을 적용할 때 가장 흔한 오류이다. 이 증명의 장점은 그 둘째 과정에 있다. f의 분해는 t=b에서도 성립하고, 거기서 양변이 모두 영이므로, g가 값 g(a)를 a 근처에서 반복하는지는 상관없다.