미분가능 ⇒ 연속
미분가능하면 연속이지만, 역은 성립하지 않습니다 — ∣x∣의 모서리를 확대해도 펴지지 않는 것을 보세요. 미분 장면들의 첫걸음입니다.
f′(a)=h→0limhf(a+h)−f(a)
h→0limf(a+h)=f(a)
예제
f가 a에서 미분가능하면 a에서 연속임을 세 줄로 증명하세요.
f(a+h)−f(a)=hf(a+h)−f(a)⋅h→f′(a)⋅0=0
∣x∣ 전체 모습 — 증명의 핵심은 차분 몫에 h를 곱하는 트릭입니다.
증명 보기
- h=0일 때 f(a+h)−f(a)=hf(a+h)−f(a)⋅h입니다 — 0이 아닌 수로 나누고 다시 곱하는 것은 아무것도 바꾸지 않습니다.
- h→0으로 보내면 꺾쇠 안의 차분 몫은 f′(a)로, 뒤의 h는 0으로 수렴하므로, 곱은 f′(a)⋅0=0으로 수렴합니다.
- 따라서 limh→0f(a+h)=f(a)입니다 — 이것이 a에서의 연속성의 정의이므로, f는 a에서 연속입니다.
f(x)=∣x∣가 x=0에서 미분가능하지 않음을 증명하세요.
h∣h∣={1−1h>0h<0
4단계 확대 — 왼쪽 기울기 −1, 오른쪽 +1이 그대로입니다.
증명 보기
- 차분 몫은 hf(0+h)−f(0)=h∣h∣이고, h>0일 때 1, h<0일 때 −1입니다.
- 따라서 우극한은 1, 좌극한은 −1로 서로 다르므로, 양쪽 극한 — 즉 도함수 — 은 존재하지 않습니다.
- 확대해도 모서리가 펴지지 않는 것이 바로 이 때문입니다: 어느 배율에서든 왼쪽 기울기 −1, 오른쪽 기울기 +1이 그대로 유지됩니다.
모든 점에서 연속이지만 어떤 점에서도 미분가능하지 않은 함수가 존재함을 (정리로) 서술하세요. 증명은 생략하고 아이디어 수준으로 둡니다.
8단계 확대 — ∣x∣의 모서리 하나가 아니라, 이런 모서리가 모든 점에 있습니다.
증명 보기
- 바이어슈트라스 정리: 모든 점에서 연속이지만 어떤 점에서도 미분가능하지 않은 함수가 존재합니다. 고전적인 예는 0<a<1, ab>1+23π인 ∑n=0∞ancos(bnπx) 형태의 급수입니다.
- 아이디어: 연속함수들의 균등수렴 극한은 연속이므로 전체 연속성이 확보되지만, 각 점마다 뾰족한 파형이 차분 몫을 무너뜨려 어느 점에서도 도함수가 존재하지 않습니다. 증명은 생략합니다 — 알려진 결과로 받아들입니다.
9. 미분