다르부 정리를 증명하세요: f가 [a,b]에서 미분가능하면 f′은 f′(a)와 f′(b) 사이의 모든 값을 취합니다. (힌트: 극값 정리 장면(최댓값 정리)과 페르마 내부 극값 보조정리를 사용하세요.)
g(x)=f(x)−cx,g′(a)<0<g′(b)⟹∃x0∈(a,b):g′(x0)=0
g′(x0)=0⟹f′(x0)=c
줌 70 (창 [±0.004]), 테스트 높이 y=0.4: 불연속인 f′이 이 창에서 수평선을 704번 만난다 (그리드 기준) — 다르부 성질의 현장.증명 보기
먼저 페르마 보조정리: g가 내부 점 x0∈(a,b)에서 극댓값(또는 극솟값)을 갖고 g′(x0)이 존재하면 g′(x0)=0이다. 극솟값인 경우, h>0이 작을 때 hg(x0+h)−g(x0)≥0이고 h<0일 때는 ≤0이므로, 양쪽 극한이 존재하는 도함수는 0일 수밖에 없다. 극댓값도 부호를 뒤집어 같다.
f′(a)<f′(b)라 하자 (>인 경우는 −f에 적용하고, 같은 경우는 자명하다). f′(a)와 f′(b) 사이의 c를 고정하고 g(x)=f(x)−cx라 두면 g는 [a,b]에서 미분가능하므로 연속이고, g′(x)=f′(x)−c라서 g′(a)<0<g′(b)이다. 극값 정리(최댓값 정리 장면)에 의해 g는 [a,b]에서 최솟값을 어떤 x0에서 취한다.
x0는 내부 점이다: g′(a)<0이므로 hg(a+h)−g(a)→g′(a)<0이라 작은 h>0에 대해 g(a+h)<g(a)이다 — a는 최소점이 아니다. 마찬가지로 g′(b)>0이라 작은 h>0에 대해 g(b−h)<g(b)이다 — b도 최소점이 아니다. 따라서 x0∈(a,b)이다.
페르마 보조정리를 내부 최소점 x0에 적용하면 g′(x0)=0이고, 따라서 f′(x0)=c이다. c는 f′(a)와 f′(b) 사이의 임의의 값이었으므로 f′은 중간값 성질을 갖는다 — 불연속일 수도 있는데도 말이다.
f(x)=x2sin(1/x) (x=0), f(0)=0이 모든 점에서 미분가능하지만, 도함수 f′은 0에서 불연속임을 증명하세요. (f′(0)은 정의로, x=0에서의 f′(x)는 곱·합성 미분법으로 구하세요.)
x=0에서는 곱의 법칙과 합성함수 미분법으로 f′(x)=2xsin(1/x)+x2cos(1/x)⋅(−1/x2)=2xsin(1/x)−cos(1/x)이다. 따라서 f는 0을 포함한 모든 점에서 미분가능하다.
그러나 limx→0f′(x)는 존재하지 않는다. ak=2kπ1→0에서는 sin(1/ak)=0, cos(1/ak)=1이므로 f′(ak)=−1이고, bk=(2k+1)π1→0에서는 sin(1/bk)=0, cos(1/bk)=−1이므로 f′(bk)=1이다 (예: k=5,10,20에서 정확히 −1.000000과 1.000000). 극한이 존재한다면 −1과 1을 동시에 가져야 하므로 모순이다.
f′(0)=0인데 limx→0f′(x)가 존재하지 않으므로 f′은 0에서 불연속이다 — 미분가능한 함수의 도함수가 반드시 연속인 것은 아니다. 그런데도 문제 1의 다르부 정리에 의해 이 불연속인 f′은 여전히 중간값 성질을 갖는다.
다르부 정리의 따름정리로 증명하세요: 어떤 함수도 헤비사이드 계단함수 H (x<0에서 0, x≥0에서 1)를 도함수로 가질 수 없습니다.
줌 0 (창 [±0.5]), y=0.5: 격렬히 진동하는 f′도 이 높이를 46번 지난다 (그리드 기준) — 도함수의 불연속은 점프가 아니라 진동뿐이다.증명 보기
H를 도함수로 갖는 함수 F가 R 전체에서 미분가능하게 존재한다고 가정하자. a=−1, b=1을 잡으면 F′(−1)=H(−1)=0이고 F′(1)=H(1)=1이다. 0<21<1이므로 다르부 정리(문제 1)에 의해 어떤 ξ∈(−1,1)에 대해 F′(ξ)=21이다.
그러나 H는 값 0과 1만을 취하므로 F′(ξ)=H(ξ)=21일 수 없다 — 모순이다. 따라서 H를 도함수로 갖는 함수는 존재하지 않는다.
일반적으로: 도함수는 점프 불연속을 가질 수 없다. 좌극한과 우극한이 존재하면서 서로 다른 불연속점에서는 그 사이의 값을 도함수가 취해야 하는데(다르부), 계단함수는 그 값을 취하지 않기 때문이다. 도함수의 불연속은 문제 2의 −cos(1/x)처럼 essential discontinuity뿐이다.