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도함수의 활용

도함수는 한 양이 다른 양에 비해 얼마나 빠르게 변하는지를 알려 줍니다. 도함수의 부호를 보면 함수가 올라가는지(f′ > 0, 증가) 내려가는지(f′ < 0, 감소) 알 수 있습니다. f′ = 0인 곳은 접선이 수평이고, 이 점(임계점)은 극대 또는 극소일 수 있습니다. 부호 변화를 보는 1계 도함수 판정법이나 f″의 부호를 보는 2계 도함수 판정법으로 확인합니다. 이 방법으로 가장 큰 상자, 가장 싼 물탱크 같은 실제 문제를 풀 수 있습니다.

🎬 단계별 이야기

  1. 변화율: f′(x)는 x가 조금 커질 때 y가 얼마나 빠르게 변하는지를 나타냅니다. y = x³ − 3x 위의 움직이는 점에서 기울기를 읽어 보세요.
  2. f′(x) > 0인 곳에서는 곡선이 올라가요. 초록색, 증가입니다. f′(x) < 0인 곳에서는 내려가요. 빨간색, 감소입니다.
  3. 임계점은 f′(x) = 0이어서 접선이 수평인 곳입니다. 1계 도함수 판정법: 플러스에서 마이너스로 바뀌면 극대, 마이너스에서 플러스로 바뀌면 극소입니다.
  4. 2계 도함수 판정법: f″ < 0이면 뒤집힌 그릇 모양이라 극대입니다. f″ > 0이면 그릇 모양이라 극소입니다.
  5. 실제 문제: 한 변이 12 cm인 정사각형 종이의 네 모서리에서 한 변이 x cm인 정사각형을 잘라 내고 접어 상자를 만듭니다. 부피는 x = 2일 때 가장 큽니다.
  6. 이제 직접 해 보세요. y = x³ − ax에서 a를 바꾸고 x를 움직이며 기울기와 휘어지는 모양을 읽어 보세요.

팁: 3D 화면을 드래그하면 돌아가요. 두 손가락으로 확대할 수 있어요.

🤔 헷갈리는 점, 한 번에 해결

변화율이란 정확히 무슨 뜻인가요?

x가 아주 조금 변할 때 y가 얼마나 변하는지를 한 단위당으로 나타낸 값입니다. 움직이는 점에서는 기울기로 보입니다. 가파르면 빠르게 변하는 것입니다.

f′ = 0인 점이 있어도 함수가 증가할 수 있나요?

네, 고립된 점에서는 가능합니다. f′(0) = 0이지만 x³은 모든 곳에서 증가합니다. 그래프가 잠깐 평평해질 뿐 되돌아가지 않습니다.

극대인지 극소인지 어떻게 알 수 있나요?

바로 앞과 바로 뒤의 f′를 보세요. 곡선에서 x = −1일 때 기울기가 양수(올라감)에서 음수(내려감)로 바뀌므로 봉우리입니다.

f″ < 0이면 왜 극대인가요?

f″ < 0은 기울기가 줄어든다는 뜻입니다. 언덕 꼭대기에서는 기울기가 양수에서 0, 음수로 계속 줄어듭니다. 뒤집힌 그릇 모양입니다.

상자 문제에서 x = 6을 버리는 이유는 무엇인가요?

12 cm 종이의 모서리마다 6 cm씩 자르면 바닥이 남지 않아(12 − 2×6 = 0) 부피가 0이 됩니다. 그래프가 그 점에서 0에 닿습니다.

임계점이 하나도 없으면 어떻게 되나요?

자유롭게 해 보기에서 a를 음수로 바꿔 보세요. f′ = 3x² − a는 항상 양수라서 곡선이 계속 올라가고 극대도 극소도 없습니다.

양의 변화율

y가 x에 따라 변할 때, dy/dx는 x에 대한 y의 변화율입니다. x = a에서의 값은 (dy/dx)의 a에서의 값 또는 f′(a)로 씁니다.

x와 y가 모두 시간 t에 따라 변하면 연쇄법칙을 씁니다: dy/dt = (dy/dx) × (dx/dt).

예: 원의 반지름이 0.5 cm/s로 커집니다. 넓이 A = πr²이므로 dA/dt = 2πr × dr/dt입니다. r = 4 cm일 때 dA/dt = 2π(4)(0.5) = 4π cm²/s입니다.

경제학의 한계비용과 한계수입도 도함수입니다. 물건 하나를 더 만들 때 늘어나는 비용이나 수입을 뜻합니다.

증가 함수와 감소 함수

f가 미분 가능한 구간에서:

구간 찾는 방법

  1. f′(x)를 구하고 f′(x) = 0을 풉니다.
  2. 이 점들이 수직선을 여러 구간으로 나눕니다.
  3. 각 구간에서 f′의 부호를 확인합니다.

f(x) = x³ − 3x에서 f′ = 3(x − 1)(x + 1)입니다. (−∞, −1)과 (1, ∞)에서 증가하고, (−1, 1)에서 감소합니다.

극대와 극소

극대인 점은 주변의 모든 점보다 높은 점이고, 극소인 점은 주변의 모든 점보다 낮은 점입니다. 함수가 그 점에서 매끄럽다면 f′(c) = 0입니다. f′(c) = 0이거나 f′가 정의되지 않는 점을 임계점이라고 합니다.

1계 도함수 판정법

2계 도함수 판정법

[a, b]에서의 절대(전체) 최댓값과 최솟값

[a, b] 안의 모든 임계점을 찾고, 그 점들과 양 끝점 a, b에서 f의 값을 구합니다. 가장 큰 값이 절대 최댓값, 가장 작은 값이 절대 최솟값입니다.

실생활 문제

  1. 가장 크게(작게) 만들 양(부피, 넓이, 비용)을 정합니다.
  2. 주어진 조건을 이용해 그 양을 하나의 변수로 나타냅니다.
  3. 미분하고, 도함수를 0으로 놓고 풉니다.
  4. 2계 도함수(또는 1계)로 최대인지 최소인지 확인합니다.
  5. 단위를 붙여 답합니다.

상자 예: V = x(12 − 2x)², dV/dx = 12(x − 2)(x − 6)입니다. x = 6이면 상자가 만들어지지 않으므로 x = 2이고, V″(2) = −48 < 0이므로 극대이며 최대 부피는 128 cm³입니다.

핵심 공식과 정의

풀이 예제

1. 정사각형의 한 변이 3 cm/s로 늘어납니다. 한 변이 10 cm일 때 넓이는 얼마나 빠르게 늘어날까요?

A = x², dA/dt = 2x·dx/dt = 2(10)(3) = 60 cm²/s.

2. 풍선의 반지름이 2 cm/s로 커집니다. r = 5 cm일 때 부피의 변화율을 구하세요.

V = (4/3)πr³, dV/dt = 4πr²·dr/dt = 4π(25)(2) = 200π cm³/s.

3. x개를 만드는 비용이 C(x) = 0.5x² + 10x + 100입니다. x = 20일 때 한계비용을 구하세요.

C′(x) = x + 10. C′(20) = 30. 21번째 물건을 만들 때 약 ₹30이 더 듭니다.

4. f(x) = x² − 4x + 1이 증가하는 구간과 감소하는 구간을 구하세요.

f′(x) = 2x − 4 = 0에서 x = 2. x < 2이면 f′ < 0(감소), x > 2이면 f′ > 0(증가).

5. f(x) = 2x³ − 9x² + 12x + 1의 극댓값과 극솟값을 구하세요.

f′ = 6x² − 18x + 12 = 6(x − 1)(x − 2) = 0 → x = 1, 2. f″ = 12x − 18. f″(1) = −6 < 0 → 극대, f(1) = 6. f″(2) = 6 > 0 → 극소, f(2) = 5.

6. [0, 3]에서 f(x) = x³ − 3x의 절대 최댓값과 최솟값을 구하세요.

구간 안의 임계점: x = 1 (x = −1은 구간 밖). f(0) = 0, f(1) = −2, f(3) = 18. 절대 최댓값 18(x = 3), 절대 최솟값 −2(x = 1).

7. 합이 20인 두 양수가 있습니다. 곱이 가장 크도록 두 수를 구하세요.

두 수를 x와 20 − x라 하면 P = 20x − x². P′ = 20 − 2x = 0 → x = 10. P″ = −2 < 0 → 최대. 두 수는 10과 10, 곱은 100.

8. 둘레가 40 m인 직사각형의 넓이는 정사각형일 때 가장 큼을 보이세요.

변을 x와 20 − x라 하면 A = 20x − x², A′ = 20 − 2x = 0 → x = 10, A″ = −2 < 0. 두 변이 모두 10 m인 정사각형이고 넓이는 100 m².

자주 하는 실수

연습 퀴즈

1. 어떤 구간에서 f′(x) > 0이면 f는:
2. 매끄러운 함수의 극대점에서 f′는 어떻게 바뀔까요?
3. f′(c) = 0이고 f″(c) = 5이면 c는:
4. A = πr²이고 dr/dt = 1 cm/s일 때 r = 3에서 dA/dt는:
5. f(x) = x²의 최솟값은 어디에 있을까요?

연습: 직접 풀어 보세요

답을 입력하거나 고른 뒤 확인을 누르세요. 막히면 힌트를 보세요. 풀이는 답을 낸 뒤에 나타나요.

자주 묻는 질문

도함수의 활용에는 어떤 내용이 있나요?

변화율, 증가·감소 함수, 1계·2계 도함수 판정법으로 구하는 극대·극소, 그리고 실생활 최적화 문제가 있습니다.

1계 도함수 판정법과 2계 도함수 판정법 중 어느 쪽이 더 쉬운가요?

f″를 구하기 쉽고 0이 아니면 2계 도함수 판정법이 더 빠릅니다. f″(c) = 0이면 1계 도함수 판정법을 쓰세요.

극댓값과 절대 최댓값은 어떻게 다른가요?

극댓값은 주변 점들 중에서 가장 높은 값입니다. 절대 최댓값은 끝점을 포함한 구간 전체에서 가장 높은 값입니다.

배우는 곳

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