불연속인 도함수
f ( x ) = x 2 sin ( 1 / x ) f(x) = x^2\sin(1/x) f ( x ) = x 2 sin ( 1/ x ) (f ( 0 ) = 0 f(0) = 0 f ( 0 ) = 0 )는 모든 점에서 미분가능하고 f ′ ( 0 ) = 0 f'(0) = 0 f ′ ( 0 ) = 0 이지만, 도함수 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 ) 는 0 0 0 에서 진동하며 불연속입니다. 미분가능 ⟹ 도함수 연속은 거짓 — 그래도 도함수는 중간값 성질(Darboux)을 지킵니다.
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.
9. 미분