불연속인 도함수
모든 점에서 미분가능한데 도함수만 불연속인 함수입니다. 원점 근처를 확대해 도함수의 진동을 봅니다.
함수 자체는 원점에서 매끄럽게 가라앉습니다. 그런데 기울기는 진동이 멈추지 않습니다. 미분가능해도 도함수가 연속일 필요는 없습니다. 그래도 도함수는 중간값을 건너뛰지 않습니다.
예를 들면, ⚽ 공이 바닥에 닿을 때마다 점점 작게, 점점 빠르게 튀는 모습과 같아요. 공의 높이는 차분히 0으로 가라앉아요. 하지만 튀는 속도는 마지막까지 이리저리 흔들려요.
f ′ ( 0 ) = lim h → 0 h sin ( 1 / h ) = 0 f'(0) = \lim_{h \to 0} h\sin(1/h) = 0 f ′ ( 0 ) = h → 0 lim h sin ( 1/ h ) = 0
f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1 / x ) − cos ( 1 / x ) ( x ≠ 0 ) , f ′ ( 1 2 π n ) = − 1 f'(x) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x) \quad (x \neq 0), \qquad f'\!\left(\tfrac{1}{2\pi n}\right) = -1 f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1/ x ) − cos ( 1/ x ) ( x = 0 ) , f ′ ( 2 π n 1 ) = − 1
예제
f ( x ) = x 2 sin ( 1 / x ) f(x) = x^2\sin(1/x) f ( x ) = x 2 sin ( 1/ x ) (x ≠ 0 x \ne 0 x = 0 ), f ( 0 ) = 0 f(0) = 0 f ( 0 ) = 0 에 대해 조임 정리(squeeze theorem)로 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0) = 0 f ′ ( 0 ) = 0 임을 완전히 증명하세요.
f ( h ) − f ( 0 ) h = h sin 1 h , ∣ h sin 1 h ∣ ≤ ∣ h ∣ → 0 \frac{f(h) - f(0)}{h} = h\sin\frac{1}{h}, \qquad \left|h\sin\frac{1}{h}\right| \le |h| \to 0 h f ( h ) − f ( 0 ) = h sin h 1 , h sin h 1 ≤ ∣ h ∣ → 0
r = 0.1 r = 0.1 r = 0.1 , h = 0.01 h = 0.01 h = 0.01 : 차분몫 ≈ − 0.0051 \approx -0.0051 ≈ − 0.0051 로 0에 가깝고, 왼쪽 패널의 할선 기울기가 0인 접선(점선)으로 수렴하는 모습이 보입니다.
증명 보기
도함수의 정의에 따라 f ′ ( 0 ) = lim h → 0 f ( h ) − f ( 0 ) h f'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h) - f(0)}{h} f ′ ( 0 ) = lim h → 0 h f ( h ) − f ( 0 ) 입니다 (h ≠ 0 h \ne 0 h = 0 ). f ( 0 ) = 0 f(0) = 0 f ( 0 ) = 0 이고 h ≠ 0 h \ne 0 h = 0 에서 f ( h ) = h 2 sin ( 1 / h ) f(h) = h^2\sin(1/h) f ( h ) = h 2 sin ( 1/ h ) 이므로, 차분몫은 h 2 sin ( 1 / h ) − 0 h = h sin ( 1 / h ) \frac{h^2\sin(1/h) - 0}{h} = h\sin(1/h) h h 2 s i n ( 1/ h ) − 0 = h sin ( 1/ h ) 로 간단해집니다.
∣ sin ( 1 / h ) ∣ ≤ 1 |\sin(1/h)| \le 1 ∣ sin ( 1/ h ) ∣ ≤ 1 이므로 ∣ h sin ( 1 / h ) ∣ ≤ ∣ h ∣ |h\sin(1/h)| \le |h| ∣ h sin ( 1/ h ) ∣ ≤ ∣ h ∣ 입니다.
∣ h ∣ → 0 |h| \to 0 ∣ h ∣ → 0 (h → 0 h \to 0 h → 0 )이므로 조임 정리에 의해 h sin ( 1 / h ) → 0 h\sin(1/h) \to 0 h sin ( 1/ h ) → 0 — 즉 차분몫의 극한이 존재하고 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0) = 0 f ′ ( 0 ) = 0 입니다.
진동하는 sin ( 1 / h ) \sin(1/h) sin ( 1/ h ) 인자는 h h h 라는 감쇠 인자에 완전히 눌립니다.
씬에서 h h h 를 0.0001 0.0001 0.0001 까지 줄이면 차분몫이 0으로 수렴하는 것을 수치로 확인할 수 있습니다 (∣ h sin ( 1 / h ) ∣ ≤ ∣ h ∣ |h\sin(1/h)| \le |h| ∣ h sin ( 1/ h ) ∣ ≤ ∣ h ∣ bound와 함께).
x ≠ 0 x \ne 0 x = 0 에서 곱의 법칙과 연쇄 법칙으로 f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1 / x ) − cos ( 1 / x ) f'(x) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x) f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1/ x ) − cos ( 1/ x ) 임을 완전히 증명하세요.
f ′ ( x ) = d d x [ x 2 sin 1 x ] = 2 x sin 1 x − cos 1 x ( x ≠ 0 ) f'(x) = \frac{d}{dx}\left[x^2\sin\frac{1}{x}\right] = 2x\sin\frac{1}{x} - \cos\frac{1}{x} \qquad (x \ne 0) f ′ ( x ) = d x d [ x 2 sin x 1 ] = 2 x sin x 1 − cos x 1 ( x = 0 )
r = 0.1 r = 0.1 r = 0.1 : 오른쪽 패널이 바로 이 공식의 그래프 — 2 x sin ( 1 / x ) 2x\sin(1/x) 2 x sin ( 1/ x ) 항은 0으로 감쇠하지만 − cos ( 1 / x ) -\cos(1/x) − cos ( 1/ x ) 항은 진폭 1로 계속 진동합니다.
증명 보기
x ≠ 0 x \ne 0 x = 0 을 고정합니다. f ( x ) = x 2 ⋅ sin ( 1 / x ) f(x) = x^2 \cdot \sin(1/x) f ( x ) = x 2 ⋅ sin ( 1/ x ) 는 두 미분가능 함수의 곱이므로 곱의 법칙을 적용합니다: f ′ ( x ) = 2 x ⋅ sin ( 1 / x ) + x 2 ⋅ d d x sin ( 1 / x ) f'(x) = 2x \cdot \sin(1/x) + x^2 \cdot \frac{d}{dx}\sin(1/x) f ′ ( x ) = 2 x ⋅ sin ( 1/ x ) + x 2 ⋅ d x d sin ( 1/ x ) .
연쇄 법칙으로 d d x sin ( 1 / x ) = cos ( 1 / x ) ⋅ d d x ( 1 / x ) = cos ( 1 / x ) ⋅ ( − 1 / x 2 ) \frac{d}{dx}\sin(1/x) = \cos(1/x) \cdot \frac{d}{dx}(1/x) = \cos(1/x) \cdot (-1/x^2) d x d sin ( 1/ x ) = cos ( 1/ x ) ⋅ d x d ( 1/ x ) = cos ( 1/ x ) ⋅ ( − 1/ x 2 ) 입니다 (x ≠ 0 x \ne 0 x = 0 에서 1 / x 1/x 1/ x 가 미분가능하므로). 대입하면 f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1 / x ) + x 2 ⋅ cos ( 1 / x ) ⋅ ( − 1 / x 2 ) = 2 x sin ( 1 / x ) − cos ( 1 / x ) f'(x) = 2x\sin(1/x) + x^2 \cdot \cos(1/x) \cdot (-1/x^2) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x) f ′ ( x ) = 2 x sin ( 1/ x ) + x 2 ⋅ cos ( 1/ x ) ⋅ ( − 1/ x 2 ) = 2 x sin ( 1/ x ) − cos ( 1/ x ) — 증명 완료.
수치 확인: f ′ ( 0.5 ) = 2 ( 0.5 ) sin 2 − cos 2 ≈ 1.3254 f'(0.5) = 2(0.5)\sin 2 - \cos 2 \approx 1.3254 f ′ ( 0.5 ) = 2 ( 0.5 ) sin 2 − cos 2 ≈ 1.3254 로 모델 값과 일치합니다. 이 공식은 x = 0 x = 0 x = 0 에서는 정의되지 않습니다 — 문제 1에서 본 것처럼 f ′ ( 0 ) f'(0) f ′ ( 0 ) 은 차분몫의 극한으로 따로 구해야 합니다.
f ′ f' f ′ 가 x = 0 x = 0 x = 0 에서 불연속임을 수열 x n = 1 / ( 2 π n ) x_n = 1/(2\pi n) x n = 1/ ( 2 π n ) 을 이용해 완전히 증명하세요.
x n = 1 2 π n → 0 , f ′ ( x n ) = 2 x n sin ( 2 π n ) − cos ( 2 π n ) = − 1 ≠ 0 = f ′ ( 0 ) x_n = \frac{1}{2\pi n} \to 0, \qquad f'(x_n) = 2x_n\sin(2\pi n) - \cos(2\pi n) = -1 \ne 0 = f'(0) x n = 2 π n 1 → 0 , f ′ ( x n ) = 2 x n sin ( 2 π n ) − cos ( 2 π n ) = − 1 = 0 = f ′ ( 0 )
r = 0.01 r = 0.01 r = 0.01 , h = 0.001 h = 0.001 h = 0.001 : 0에 더 가까이 확대해도 오른쪽 패널의 진동은 멈추지 않고, 강조된 점 x n = 1 / ( 2 π n ) x_n = 1/(2\pi n) x n = 1/ ( 2 π n ) 들은 계속 y = − 1 y = -1 y = − 1 (점선) 위에 찍힙니다.
증명 보기
x n = 1 / ( 2 π n ) x_n = 1/(2\pi n) x n = 1/ ( 2 π n ) 이라 두면 x n ≠ 0 x_n \ne 0 x n = 0 이고 x n → 0 x_n \to 0 x n → 0 입니다.
문제 2의 공식에 대입하면 f ′ ( x n ) = 2 x n sin ( 1 / x n ) − cos ( 1 / x n ) = 2 x n sin ( 2 π n ) − cos ( 2 π n ) f'(x_n) = 2x_n\sin(1/x_n) - \cos(1/x_n) = 2x_n\sin(2\pi n) - \cos(2\pi n) f ′ ( x n ) = 2 x n sin ( 1/ x n ) − cos ( 1/ x n ) = 2 x n sin ( 2 π n ) − cos ( 2 π n ) 입니다.
sin ( 2 π n ) = 0 \sin(2\pi n) = 0 sin ( 2 π n ) = 0 , cos ( 2 π n ) = 1 \cos(2\pi n) = 1 cos ( 2 π n ) = 1 이므로 f ′ ( x n ) = 0 − 1 = − 1 f'(x_n) = 0 - 1 = -1 f ′ ( x n ) = 0 − 1 = − 1 — 모든 n n n 에 대해 상수입니다.
따라서 f ′ ( x n ) → − 1 f'(x_n) \to -1 f ′ ( x n ) → − 1 이지만 문제 1에서 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0) = 0 f ′ ( 0 ) = 0 이므로, x n → 0 x_n \to 0 x n → 0 임에도 f ′ ( x n ) ↛ f ′ ( 0 ) f'(x_n) \not\to f'(0) f ′ ( x n ) → f ′ ( 0 ) 입니다. 수열 판정법(sequential criterion)에 의해 f ′ f' f ′ 는 0 0 0 에서 연속이 아닙니다 — lim x → 0 f ′ ( x ) \lim_{x \to 0} f'(x) lim x → 0 f ′ ( x ) 자체가 존재하지 않습니다 (오른쪽 패널의 멈추지 않는 진동).
덧붙임: 도함수가 불연속이어도 중간값 성질은 잃지 않습니다 — 다르부 정리(Darboux's theorem)에 의해 f ′ f' f ′ 는 구간 위에서 IVP를 만족합니다. 미분가능성은 도함수의 연속성보다 약한 조건입니다.
10. 미분