어떤 함수 F(x) 의 도함수가 f(x) 일 때,

F'(x)=f(x)

일 때,

F(x)를 f(x)의 부정적분 또는 원시함수라 하고 기호로는

와 같이 나타낼 수 있습니다. 이때, 함수 f(x) 를 피적분함수라고 합니다.

함수 f(x)의 부정적분을 구하는 것을 f(x)를 적분한다고 하며, 그 계산 방법을 적분법이라고 합니다.

일반적으로 함수 F(x), G(x)가 모두 함수 f(x)의 부정적분이면

이므로 다음이 성립한다.

그런데 도함수가 0인 함수는 상수함수이므로 상수를 C라고 하면

따라서 함수 f(x)의 부정적분 중의 하나를 함수 F(x)라고 하면 함수 f(x)의 임의의 부정적분은

F(x)+C (C는 상수)

인 꼴로 나타낼 수 있습니다.

이때, 상수 C를 적분상수라고 합니다.


다시 말해

F'(x)=f(x)일 때,

(단, C는 적분상수)


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에서 알수 있듯이


함수 y=f(x)가 구간 [a,b]에서 연속이면 이 구간에서 f(x)는 반드시 최대값과 최소값을 갖습니다.

구간 [a,b] 에서 함수 y=f(x)의 최대값과 최소값을 구하기 위해서는

이 구간에서 함수 y=f(x)의 극대값과 극소값 및 양 끝점의 함수값 f(a), f(b) 을 비교하여

그 중에서 가장 큰 값과 가장 작은 값을 찾으면 됩니다.

case1) 양끝점이 모두 최솟값, 최댓값인 경우

case2) 극솟값이 최솟값인 경우

case3) 극대값과 극솟값이 최솟값, 최댓값인 경우


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곡선 y=f(x) 가 어떤 구간에서

f''(x)>0 이면 x가 증가할 때 f'(x)는 증가하므로 접선의 기울기는 증가합니다.

이 때,

곡선 y=f(x) 는 이 구간에서 아래로 볼록 또는 위로 오목이라고 합니다.

또,

곡선 y=f(x) 가 어떤 구간에서

f''(x)<0 이면 x가 증가할 때 f'(x)는 감소하므로 접선의 기울기는 감소합니다.

이 때,

곡선 y=f(x) 는 이 구간에서 위로 볼록 또는 아래로 오목이라고 합니다.

곡선 y=f(x) 위에 있는 한 점의 좌우에서 곡선이 오목에서 볼록으로, 또는 볼록에서 오목으로 바뀔 때, 이 점을 변곡점이라고 합니다.

다시말해 f''(x)=0 이고, x=a 의 좌우에서 f''(x)의 부호가 바뀌면 점(a,f(a))는 함수 y=f(x)의 변곡점입니다.

아래 그림에서 점(a,f(a))가 함수 y=f(x)의 변곡점입니다.



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함수 y=f(x)가 x=a 에서 연속이고 x가 증가하면서 x=a 의 좌우에서 f(x)가 증가상태에서 감소상태로 변하면 f(x)는 x=a에서 극대라 하고, 그때의 함수값 f(a)를 극대값이라고 합니다.

반대로

함수 y=f(x)가 x=b 에서 연속이고 x가 증가하면서 x=a 의 좌우에서 f(x)가 감소상태에서 증가상태로 변하면 f(x)는 x=b에서 극소라 하고, 그때의 함수값 f(b)를 극소값이라고 합니다.

극대값과 극소값을 통틀어 극값이라고 합니다.

함수f(x)가 x=a에서 미분가능하고, f(a)가 극대값이라고 하면 충분히 작은 |h|에 대하여 아래와 같은 식이 성립합니다.

h>0일 때,

h<0일 때,

그런데 함수 f(x)는 x=a 에서 미분가능하므로

마찬가지 방법으로 함수 f(x)가 x=a에서 극소인 경우에도 f'(a)=0 임을 보일 수 있습니다.

이 때,

미분가능한 함수 f(x) 에 대하여 f'(a)=0 이라고해서 f(x)가 x=a에서 반드시 극값을 가지는 것은 아닙니다.

대표적인 예로 함수 f(x)=x³를 들 수 있습니다.

 f(x)=x³ 에서 f'(0)=0 이지만

x≠0 일 때

f'(x)=3x²>0.

즉, x=0 의 좌우에서 f'(x)>0 이므로 항상 증가하는 상태에 있습니다.

또한

함수 f(x)가 x=a에서 극값을 가지더라도 f'(a)=0 이 성립하지 않을 수도 있습니다.

대표적인 예로 함수 f(x)=|x|를 들 수 있습니다.

 f(x)=|x| 는 x=0 일 때 극소이지만 f'(0)이 존재하지 않습니다.

미분가능한 함수 f(x)가 x=a에서 극값을 가지면 극값의 정의에 의하여 x=a의 좌우에서 함수의 증가상태와 감소상태가 바뀌므로 도함수 f'(x)의 부호가 바뀝니다. 이 때, f'(x)의 부호의 변화를 그래프로 알아보면 아래와 같습니다.

미분가능한 함수 f(x)에서 f'(a)=0 일 때, x=a 의 좌우에서

ⓐ f'(x)의 부호가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌면 f(x)는 x=a에서 극대이고 극대값을 f(a)를 가집니다.

ⓑ f'(x)의 부호가 음(-)에서 양(+)으로 바뀌면 f(x)는 x=a에서 극소이고 극소값을 f(a)를 가집니다.


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함수 f(x)가 어떤 구간의 임의의 x의 값 x₁, x₂에 대하여

x₁ < x₂ 일 때, f(x₁) < f(x₂) 이면

f(x)는 그 구간에서 증가한다고 합니다.

한편,

x₁ < x₂ 일 때, f(x₁) > f(x₂) 이면

f(x)는 그 구간에서 감소한다고 합니다.


함수 y=f(x)에서 충분히 작은 임의의 양수 h에 대하여

f(a-h) < f(a) < f(a+h) 일 때,

f(x) 는 x=a 에서 증가상태에 있다고 하고,

f(a-h) > f(a) > f(a+h) 일 때,

f(x) 는 x=a 에서 감소상태에 있다고 합니다.

다음은,

함수의 증가, 감소와 미분계수의 부호의 관계에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

함수 f(x) 의 x=a 에서의 미분계수가 양수이면 다음이 성립합니다.

여기서,

|h|가 충분히 작으면 아래의 식이 성립합니다.

이때,

h>0 이면 f(a+h) > f(a)

h<0 이면 f(a+h) < f(a)

이므로 함수 f(x) 는 x=a 에서 증가상태에 있습니다.

같은 방법으로

f'(a)<0 이면 f(x) 는 x=a 에서 감소상태에 있음을 보일 수 있습니다.

함수 f(x) 의 도함수 f'(x) 가 어떤 구간에서 f'(x)>0 이면 f(x)는 이 구간의 모든 점에서 증가상태에 있으므로 f(x)는 그 구간에서 증가합니다.

반대로 

함수 f(x) 의 도함수 f'(x) 가 어떤 구간에서 f'(x)<0 이면 f(x)는 이 구간의 모든 점에서 감소상태에 있으므로 f(x)는 그 구간에서 감소합니다.



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롤의 정리를 일반화한 것이 평균값의 정리입니다.

2017/04/28 - [Cyong's Mathmatics] - 롤의 정리


오늘은 평균값 정리에 대해서 알아보도록 하겠습니다.


함수 y=f(x)가 닫힌 구간 [a,b]에서 연속이고, 열린구간 (a,b)에서 미분가능할 때

가 되는 c가 a와 b 사이에 적어도 하나 존재하는데, 이를 평균값 정리라고 합니다.

두 점 (a,f(a)), (b,f(b))를 지나는 직선의 방정식을 y=g(x)라고 하면

이 때, 함수 h(x)=f(x)-g(x) 라고 하면 h(x)는 열린 구간 (a,b) 에서 미분가능하며

h(a)=h(b)=0

입니다.

따라서 롤의 정리에 의하여

인 c가 a와 b 사이에 적어도 하나 존재합니다.

즉,

인 c가 열린 구간 (a,b) 안에 적어도 하나 존재합니다.

평균값의 정리의 뜻을 함수의 그래프를 통해서 살펴보면,

평균값의 정리에서

는 곡선 y=f(x) 위의 두 점 A(a,f(a)), B(b,f(b)) 를 지나는 직선의 기울기를 나타냅니다.

따라서 평균값의 정리는 열린 구간 (a,b)에서 직선AB와 평행한 곡선 y=f(x) 의 접선이 적어도 하나 존재함을 의미합니다.



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  1. 2017.08.27 19:14

    비밀댓글입니다

    • Cyong S.. 2017.08.27 19:26 신고

      평균값의 정리를 다시 짚어보실 필요가 있을 거 같습니다^^
      예를들어 f(a)=f(b)=3일 경우에 3보다 큰 f(c)가 존재할 수 있습니다만...물어보시는 게 정확히 뭔지 잘 모르겠네요ㅠ

곡선 y=f(x) 위의 점 P(a,f(a))에서의 접선의 기울기는 x=a에서의 미분계수 f'(a)와 같습니다.

따라서 곡선 y=f(x) 위의 한 점 P에서의 접선은 점 P(a,f(a))를 지나고 기울기가 f'(a)인 직선이므로 접선의 방정식은 다음과 같습니다.


원 x²+y²=r² 위의 점 P(x₁,y₁)에서의 접선의 방정식은 원의 성질 또는 이차방정식의 판별식을 이용하면 구할 수 있습니다.

앞서 배웠던 음함수의 미분법을 이용하여 접선의 방정식을 구해보도록 하겠습니다.

 

원 x²+y²=r² 의 양변을 x 에 대하여 미분하면

(단, y≠0)

ⓐ y₁≠0 일 때, 점 P(x₁,y₁) 에서의 접선의 기울기는 

입니다.

따라서 점 P에서의 접선의 방정식은

양변에 y₁을 곱하여 정리하면

그런데

 이므로 구하는 접선의 방정식은 

입니다.

ⓑ  y₁=0 일 때, x₁=r 또는 x₁=-r

따라서 접선의 방정식은 x=r 또는 x=-r

그런데 이 방정식은  에서 x₁=r , y₁=0 또는  x₁=-r, y₁=0을 대입한 것과 같습니다.

따라서 원 x²+y²=r² 위의 점 P(x₁,y₁) 에서의 접선의 방정식은

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지난 포스팅에서 다루었던 로그함수 미번법을 이용하여

지수함수 의 도함수를 구해보도록 하겠습니다.

의 양변에 자연로그를 취하면

양번을 x에 대하여 미분하면

특히, 함수 의 도함수는 이므로


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도함수의 정의에 의하여

여기서,

로 놓으면

Δx→0일 때 h→0 이므로


한편, a>0, a≠1 일 때


로그함수가 y=ln|x| 일 때

ⓐ x>0 일 때,  y=ln|x|=lnx 이므로

 

ⓑ x<0 일 때,  y=ln|x|=ln(-x) 이므로

 

따라서 ⓐ, ⓑ에 의하여


한편, 

의 도함수는

이제

함수 f(x)가 미분가능한 함수일  때, 합성함수의 미분법을 이용하여

로그함수가 y=ln|f(x)| 의 도함수를 구해보도록 하겠습니다.

ⓒ f(x)>0 일 때,  |f(x)|=f(x) 이므로

u=f(x)라 하면 y=lnf(x)=lnu

 

ⓓ  f(x)<0 일 때,  |f(x)|=-f(x) 이므로

u=-f(x)라 하면 y=ln{-f(x)}=lnu

따라서 ⓒ, ⓓ에 의하여


일반적으로 로그함수 에서

f(x)가 미분가능하고 f(x)≠0 일 때,

이므로 합성함수의 미분법에 의하여


이것을 활용해서

로그함수의 미분법을 이용하여 α가 실수일 때,

 함수 의 도함수를 구해봅시다.

 함수 에서 양변에 절대값에 자연로그를 취하면

양변을 x에 대하여 미분하면


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다양한 삼각함수의 도함수에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

ⓐ 삼각함수 y=sinx 의 도함수

도함수의 정의에 의하여

삼각함수의 차를 곱으로 고치는 공식에 의하여

이므로

또한,

따라서, (sinx)'=cosx 입니다.


ⓑ 삼각함수 y=cosx 의 도함수

도함수의 정의에 의하여

삼각함수의 차를 곱으로 고치는 공식에 의하여

이므로

또한,

그리고

이므로 합성함수의 미분에 의하여

따라서, (cosx)'=-sinx 입니다.

ⓒ 삼각함수 y=tanx 의 도함수

이므로, 몫의 미분법에 의하여


 ⓓ 삼각함수 y=secx 의 도함수

이므로, 몫의 미분법에 의하여

 ⓔ 삼각함수 y=cosecx 의 도함수

이므로, 몫의 미분법에 의하여


 ⓕ 삼각함수 y=cotanx 의 도함수

이므로, 몫의 미분법에 의하여


삼각함수의 도함수



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