f′의 부호가 곡선의 오르내림을 결정합니다: f′>0인 구간(초록 배경)에서는 올라가고, f′<0인 구간(빨강 배경)에서는 내려갑니다. 점 x0을 드래그해 접선 색이 부호를 따라가는 것을 보세요 — 평균값 정리의 한 걸음 뒤입니다.
f′≥0⇒f increasing
f′(x0)=h→0limhf(x0+h)−f(x0)
예제
f가 [a,b]에서 연속이고 (a,b)에서 미분 가능하며, (a,b)의 모든 점에서 f′≥0이라고 하세요. f가 [a,b]에서 증가함수임을 평균값 정리로 완전히 증명하세요.
f(y)−f(x)=f′(c)(y−x)≥0(x<y,c∈(x,y))
f(x)=x3−3x, x0=1: 여기서 f′(1)=0이지만 (회색 접선) f는 전체 구간에서 여전히 증가합니다 — f′≥0은 등호를 허용하는 조건입니다.증명 보기
[a,b]에서 x<y인 두 점을 임의로 잡습니다. f를 [x,y]로 제한하면, 제한된 함수는 [x,y]에서 연속이고 (x,y)에서 미분 가능하므로 평균값 정리의 가정을 만족합니다 (원래 가정이 [a,b] 전체에 대한 것이므로, 부분구간에서도 그대로 성립합니다).
평균값 정리에 의해 f(y)−f(x)=f′(c)(y−x)를 만족하는 c∈(x,y)가 존재합니다. 그런데 c∈(a,b)이므로 가정에서 f′(c)≥0이고, y−x>0이므로 곱 f′(c)(y−x)≥0입니다.
따라서 f(y)−f(x)≥0, 즉 f(x)≤f(y)입니다. x<y가 임의였으므로 f는 [a,b]에서 증가함수입니다. 여기서 등호가 허용됨(≤)에 주목하세요 — 이것이 다음 문제의 엄격한 부등식과 구분되는 지점입니다.
위와 같은 가정에서 f′>0이 (a,b)의 모든 점에서 성립하면, f가 [a,b]에서 엄격히 증가함수임을 증명하세요.
f(y)−f(x)=f′(c)(y−x)>0(x<y,c∈(x,y))
f(x)=ex, x0=0: f′(0)=1>0이고(초록 접선), 도함수가 어디에서도 0이 되지 않으므로 배경 전체가 초록입니다 — 엄격한 증가의 전형입니다.증명 보기
[a,b]에서 x<y를 임의로 잡고, 문제 1과 마찬가지로 f를 [x,y]에 제한해 평균값 정리를 적용합니다: f(y)−f(x)=f′(c)(y−x)인 c∈(x,y)가 존재합니다.
이번에는 가정이 엄격합니다: c∈(a,b)이므로 f′(c)>0이고, y−x>0이므로 곱 f′(c)(y−x)>0입니다. 따라서 f(y)−f(x)>0, 즉 f(x)<f(y) — f는 엄격히 증가합니다.
문제 1과의 차이는 오직 부등식의 엄격함뿐입니다: f′≥0은 평평한 구간을 허용하지만(f(x)=x3−3x의 x=1 근처처럼), f′>0은 모든 할선의 기울기를 양수로 강제하므로 그래프가 한순간도 멈추지 않습니다.
f가 구간 I에서 미분 가능하고 증가함수이면, I의 모든 점에서 f′≥0임을 완전히 증명하세요 (부분 역명제).
f′(x0)=h→0limhf(x0+h)−f(x0)≥0
f(x)=x3−3x, x0=−1.25: f′(−1.25)=1.6875>0이고(초록 접선) 함수도 이 근처에서 증가합니다 — 증가 구역에서는 도함수가 음수가 될 수 없습니다.증명 보기
x0∈I를 고정하고 차분몫 hf(x0+h)−f(x0)의 h→0 극한을 봅니다. h>0인 경우 분자 f(x0+h)−f(x0)≥0입니다 (f가 증가하므로) — 분모도 양수라서 차분몫 ≥0입니다.
h<0인 경우도 마찬가지입니다: 증가성에 의해 f(x0+h)≤f(x0)이므로 분자 ≤0이고, 분모 h<0이므로 음수를 음수로 나눈 차분몫은 역시 ≥0입니다. 즉 0이 아닌 모든 h에 대해 차분몫이 음이 아닙니다.
극한은 약한 부등식을 보존합니다: g(h)≥0이고 limh→0g(h)=L이 존재하면 L≥0입니다 (만약 L<0이면 g(h)가 결국 L/2<0 근처에 머물러 모순). f가 미분 가능하므로 극한 f′(x0)이 존재하고, 따라서 f′(x0)≥0입니다. x0이 임의였으므로 I 전체에서 f′≥0입니다.
이것은 완전한 역명제가 아닙니다: f(x)=x3은 R에서 엄격히 증가하지만 f′(0)=0이므로, 증가함수라고 해서 f′>0까지는 보장되지 않습니다. 얻을 수 있는 것은 f′≥0뿐입니다.