불연속인 도함수

f(x)=x2sin⁡(1/x)f(x) = x^2\sin(1/x) (f(0)=0f(0) = 0)는 모든 점에서 미분가능하고 f′(0)=0f'(0) = 0이지만, 도함수 f′(x)=2xsin⁡(1/x)−cos⁡(1/x)f'(x) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x)는 00에서 진동하며 불연속입니다. 미분가능 ⟹ 도함수 연속은 거짓 — 그래도 도함수는 중간값 성질(Darboux)을 지킵니다.

f′(0)=lim⁡h→0hsin⁡(1/h)=0f'(0) = \lim_{h \to 0} h\sin(1/h) = 0
f′(x)=2xsin⁡(1/x)−cos⁡(1/x)(x≠0),f′ ⁣(12πn)=−1f'(x) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x) \quad (x \neq 0), \qquad f'\!\left(\tfrac{1}{2\pi n}\right) = -1

예제

f(x)=x2sin⁡(1/x)f(x) = x^2\sin(1/x) (x≠0x \ne 0), f(0)=0f(0) = 0에 대해 조임 정리(squeeze theorem)로 f′(0)=0f'(0) = 0임을 완전히 증명하세요.

f(h)−f(0)h=hsin⁡1h,∣hsin⁡1h∣≤∣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
r=0.1r = 0.1, h=0.01h = 0.01: 차분몫 ≈−0.0051\approx -0.0051로 0에 가깝고, 왼쪽 패널의 할선 기울기가 0인 접선(점선)으로 수렴하는 모습이 보입니다.
증명 보기
  1. 도함수의 정의에 따라 f′(0)=lim⁡h→0f(h)−f(0)hf'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h) - f(0)}{h}입니다 (h≠0h \ne 0). f(0)=0f(0) = 0이고 h≠0h \ne 0에서 f(h)=h2sin⁡(1/h)f(h) = h^2\sin(1/h)이므로, 차분몫은 h2sin⁡(1/h)−0h=hsin⁡(1/h)\frac{h^2\sin(1/h) - 0}{h} = h\sin(1/h)로 간단해집니다.
  2. ∣sin⁡(1/h)∣≤1|\sin(1/h)| \le 1이므로 ∣hsin⁡(1/h)∣≤∣h∣|h\sin(1/h)| \le |h|입니다. ∣h∣→0|h| \to 0 (h→0h \to 0)이므로 조임 정리에 의해 hsin⁡(1/h)→0h\sin(1/h) \to 0 — 즉 차분몫의 극한이 존재하고 f′(0)=0f'(0) = 0입니다. 진동하는 sin⁡(1/h)\sin(1/h) 인자는 hh라는 감쇠 인자에 완전히 눌립니다.
  3. 씬에서 hh를 0.00010.0001까지 줄이면 차분몫이 0으로 수렴하는 것을 수치로 확인할 수 있습니다 (∣hsin⁡(1/h)∣≤∣h∣|h\sin(1/h)| \le |h| bound와 함께).

x≠0x \ne 0에서 곱의 법칙과 연쇄 법칙으로 f′(x)=2xsin⁡(1/x)−cos⁡(1/x)f'(x) = 2x\sin(1/x) - \cos(1/x)임을 완전히 증명하세요.

f′(x)=ddx[x2sin⁡1x]=2xsin⁡1x−cos⁡1x(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)
r=0.1r = 0.1: 오른쪽 패널이 바로 이 공식의 그래프 — 2xsin⁡(1/x)2x\sin(1/x) 항은 0으로 감쇠하지만 −cos⁡(1/x)-\cos(1/x) 항은 진폭 1로 계속 진동합니다.
증명 보기
  1. x≠0x \ne 0을 고정합니다. f(x)=x2⋅sin⁡(1/x)f(x) = x^2 \cdot \sin(1/x)는 두 미분가능 함수의 곱이므로 곱의 법칙을 적용합니다: f′(x)=2x⋅sin⁡(1/x)+x2⋅ddxsin⁡(1/x)f'(x) = 2x \cdot \sin(1/x) + x^2 \cdot \frac{d}{dx}\sin(1/x).
  2. 연쇄 법칙으로 ddxsin⁡(1/x)=cos⁡(1/x)⋅ddx(1/x)=cos⁡(1/x)⋅(−1/x2)\frac{d}{dx}\sin(1/x) = \cos(1/x) \cdot \frac{d}{dx}(1/x) = \cos(1/x) \cdot (-1/x^2)입니다 (x≠0x \ne 0에서 1/x1/x가 미분가능하므로). 대입하면 f′(x)=2xsin⁡(1/x)+x2⋅cos⁡(1/x)⋅(−1/x2)=2xsin⁡(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) — 증명 완료.
  3. 수치 확인: f′(0.5)=2(0.5)sin⁡2−cos⁡2≈1.3254f'(0.5) = 2(0.5)\sin 2 - \cos 2 \approx 1.3254로 모델 값과 일치합니다. 이 공식은 x=0x = 0에서는 정의되지 않습니다 — 문제 1에서 본 것처럼 f′(0)f'(0)은 차분몫의 극한으로 따로 구해야 합니다.

f′f'가 x=0x = 0에서 불연속임을 수열 xn=1/(2πn)x_n = 1/(2\pi n)을 이용해 완전히 증명하세요.

xn=12πn→0,f′(xn)=2xnsin⁡(2πn)−cos⁡(2πn)=−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)
r=0.01r = 0.01, h=0.001h = 0.001: 0에 더 가까이 확대해도 오른쪽 패널의 진동은 멈추지 않고, 강조된 점 xn=1/(2πn)x_n = 1/(2\pi n)들은 계속 y=−1y = -1 (점선) 위에 찍힙니다.
증명 보기
  1. xn=1/(2πn)x_n = 1/(2\pi n)이라 두면 xn≠0x_n \ne 0이고 xn→0x_n \to 0입니다. 문제 2의 공식에 대입하면 f′(xn)=2xnsin⁡(1/xn)−cos⁡(1/xn)=2xnsin⁡(2πn)−cos⁡(2πn)f'(x_n) = 2x_n\sin(1/x_n) - \cos(1/x_n) = 2x_n\sin(2\pi n) - \cos(2\pi n)입니다. sin⁡(2πn)=0\sin(2\pi n) = 0, cos⁡(2πn)=1\cos(2\pi n) = 1이므로 f′(xn)=0−1=−1f'(x_n) = 0 - 1 = -1 — 모든 nn에 대해 상수입니다.
  2. 따라서 f′(xn)→−1f'(x_n) \to -1이지만 문제 1에서 f′(0)=0f'(0) = 0이므로, xn→0x_n \to 0임에도 f′(xn)↛f′(0)f'(x_n) \not\to f'(0)입니다. 수열 판정법(sequential criterion)에 의해 f′f'는 00에서 연속이 아닙니다 — lim⁡x→0f′(x)\lim_{x \to 0} f'(x) 자체가 존재하지 않습니다 (오른쪽 패널의 멈추지 않는 진동).
  3. 덧붙임: 도함수가 불연속이어도 중간값 성질은 잃지 않습니다 — 다르부 정리(Darboux's theorem)에 의해 f′f'는 구간 위에서 IVP를 만족합니다. 미분가능성은 도함수의 연속성보다 약한 조건입니다.

9. 미분