도함수는 한 점의 변화율이지만, 평균값 정리를 거치면 함수 전체의 모양(증가하는 곳, 감소하는 곳, 휘는 방향)에 대한 정보가 됩니다. 이 장에서는 고등학교에서 배운 증감표와 극값 판정이 왜 맞는지를 평균값 정리로 증명하고, 0/0 꼴 극한을 미분으로 구하는 로피탈 정리를 다룹니다.
5.1 극값과 임계점
정의 5.1. f(c)가 c 근처의 모든 x에 대해 f(c)≥f(x)이면 극댓값(local maximum), f(c)≤f(x)이면 극솟값(local minimum)입니다. 둘을 합쳐 극값(extremum)이라 합니다.
정리 5.2 (페르마). f가 c에서 극값을 갖고 미분 가능하면 f′(c)=0입니다.
증명. 극댓값이라 합시다. h>0이면 hf(c+h)−f(c)≤0이므로 우극한 f′(c)≤0, h<0이면 ≥0이므로 좌극한 f′(c)≥0. 둘이 같으므로 f′(c)=0입니다. □
정의 5.3. f′(c)=0이거나 f′(c)가 없는 점을 임계점(critical point)이라 합니다.
거꾸로는 성립하지 않습니다: f(x)=x3은 f′(0)=0이지만 0에서 극값이 아닙니다.
5.2 롤의 정리와 평균값 정리
정리 5.4 (롤의 정리). f가 [a,b]에서 연속, (a,b)에서 미분 가능하고 f(a)=f(b)이면 f′(c)=0인 c∈(a,b)가 있습니다.
증명. 최대·최소 정리(2장)로 f는 [a,b]에서 최댓값과 최솟값을 갖습니다. 둘 다 끝점에서 나오면 f는 상수이고 모든 점에서 f′=0입니다. 아니면 하나가 내부의 점 c에서 나오고, 페르마 정리로 f′(c)=0입니다. □
정리 5.5 (평균값 정리). f가 [a,b]에서 연속, (a,b)에서 미분 가능하면
f′(c)=b−af(b)−f(a)
인 c∈(a,b)가 있습니다.
증명. 할선을 빼 g(x)=f(x)−b−af(b)−f(a)(x−a)로 두면 g(a)=g(b)=f(a)이므로 롤의 정리를 씁니다. □
그림으로는 “할선과 평행한 접선이 어딘가에 있다”, 운동으로는 “평균 속도가 시속 80 km이면 어느 순간에는 정확히 시속 80 km”라는 뜻입니다.
5.3 증가와 감소
정리 5.6. 구간에서 f′>0이면 f는 증가, f′<0이면 감소, f′=0이면 상수입니다.
증명. x1<x2이면 평균값 정리로 f(x2)−f(x1)=f′(c)(x2−x1)이고, 부호가 f′(c)의 부호와 같습니다. □
따름정리 5.7. 구간에서 f′=g′이면 f−g는 상수입니다. (7장의 부정적분이 “+ C”를 갖는 이유입니다.)
정리 5.8 (일계도함수 판정). 임계점 c에서 f′의 부호가 +에서 −로 바뀌면 극대, −에서 +로 바뀌면 극소, 바뀌지 않으면 극값이 아닙니다.
5.4 오목성과 변곡점
정의 5.9. 구간에서 f′이 증가하면 그래프가 아래로 볼록(위로 오목, ∪ 모양), 감소하면 위로 볼록(∩ 모양)입니다. 볼록성이 바뀌는 점을 변곡점(inflection point)이라 합니다.
정리 5.10. f′′>0이면 아래로 볼록, f′′<0이면 위로 볼록입니다.
정리 5.11 (이계도함수 판정). f′(c)=0이고 f′′(c)<0이면 극대, f′′(c)>0이면 극소입니다. f′′(c)=0이면 판정할 수 없습니다.
5.5 그래프 그리기
예제 5.12. f(x)=x3−3x. f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1), f′′(x)=6x.
| x |
(−∞,−1) |
−1 |
(−1,0) |
0 |
(0,1) |
1 |
(1,∞) |
| f′ |
+ |
0 |
− |
|
− |
0 |
+ |
| f′′ |
− |
|
− |
0 |
+ |
|
+ |
| f |
증가 ∩ |
극대 2 |
감소 ∩ |
변곡점 |
감소 ∪ |
극소 −2 |
증가 ∪ |
극댓값 f(−1)=2, 극솟값 f(1)=−2, 변곡점 (0,0)입니다.
5.6 로피탈 정리
정리 5.13 (로피탈 정리). limf=limg=0 (또는 둘 다 ±∞)이고 limg′f′이 존재하면 limgf=limg′f′입니다.
증명은 평균값 정리를 두 함수로 늘린 코시 평균값 정리로 합니다.
예제 5.14.
- limx→0x2ex−1−x=lim2xex−1=lim2ex=21 (두 번 씀)
- limx→∞xlnx=lim11/x=0 (로그는 어떤 거듭제곱보다 느림)
- limx→∞exx10=0 (열 번 쓰면 10!/ex; 지수함수는 어떤 다항식보다 빠름)
0⋅∞나 1∞ 꼴은 분수나 로그로 바꾼 뒤 씁니다. 예: limx→0+xlnx=lim1/xlnx=lim−1/x21/x=lim(−x)=0.
로피탈 정리는 00이나 ∞∞ 꼴에서만 씁니다. limx→0x+2x+1에 쓰면 틀린 답 1이 나옵니다(정답 21).
쓰이는 곳. 최적화 알고리즘의 수렴 증명은 평균값 정리를 많이 씁니다. 손실 함수가 볼록(아래로 볼록)하면 극소점이 곧 최소점이라는 것, 이계도함수의 부호로 극대·극소를 판정하는 것이 머신러닝 최적화 이론의 출발점입니다.
5.7 이 장의 요약
- 극값 ⇒ 임계점. 거꾸로는 아님.
- 평균값 정리: 할선과 평행한 접선. f′>0 ⇒ 증가, f′=0 ⇒ 상수.
- f′′의 부호 = 볼록 방향. 로피탈은 0/0, ∞/∞에서만.
문제
5.1 [계산] · 확인 문제
f(x)=x3−6x2+9x+1의 극값과 변곡점을 씁니다.
| 항목 |
값 |
| 극대가 되는 x |
[?] |
| 극댓값 |
[?] |
| 극소가 되는 x |
[?] |
| 극솟값 |
[?] |
| 변곡점의 x |
[?] |
정답
풀이
f′(x)=3x2−12x+9=3(x−1)(x−3), f′′(x)=6x−12. f′′(1)=−6<0이라 x=1에서 극대 f(1)=5, f′′(3)=6>0이라 x=3에서 극소 f(3)=1. f′′=0인 x=2에서 부호가 바뀌므로 변곡점입니다.
5.2 [계산] · 확인 문제
f(x)=x2에 [1,3]에서 평균값 정리를 쓸 때 나오는 c는?
정답
풀이
3−19−1=4=2c이므로 c=2입니다.
5.3 [계산] · 확인 문제
로피탈 정리로 극한을 구합니다.
| 극한 |
값 |
| limx→0xe2x−1 |
[?] |
| limx→0x3x−sinx |
[?] |
| limx→1x−1lnx |
[?] |
정답
풀이
- 12e2x→2.
- 3x21−cosx→6xsinx→61.
- 11/x→1.
5.4 [계산]
limx→0+xx는?
힌트 1
xx=exlnx이고 xlnx→0입니다.
정답
풀이
xlnx→0(본문)이고 et는 연속이므로 xx=exlnx→e0=1입니다.
5.5 [계산]
f(x)=xe−x의 최댓값은? (소수 넷째 자리까지)
정답
풀이
f′(x)=(1−x)e−x이므로 x=1에서 +에서 −로 바뀌어 극대이자 최대입니다. f(1)=1/e≈0.3679입니다.
5.6 [증명]
평균값 정리를 써서 모든 x,y에 대해 ∣sinx−siny∣≤∣x−y∣임을 보입니다.
풀이
x=y이면 평균값 정리로 sinx−siny=cosc(x−y)인 c가 x와 y 사이에 있습니다. ∣cosc∣≤1이므로 ∣sinx−siny∣≤∣x−y∣입니다. x=y이면 양변이 0입니다.