곡선 위의 한 점에 접하는 직선이다. 곡선과 접선이 접하는 점을 접점이라 한다.
함수 y = f ( x ) y = f(x)y = f ( x ) 에서 x xx 가 Δ x \Delta xΔ x 만큼 변하는 동안 y yy 가 Δ y \Delta yΔ y 만큼 변할 때, Δ y Δ x \dfrac{\Delta y}{\Delta x}Δ x Δ y 를 평균변화율이라 한다.
함수 y = f ( x ) y = f(x)y = f ( x ) 에서 x xx 가 a aa 에서 b bb 로 변할 때,
Δ x = b − a \Delta x = b - aΔ x = b − a ,
Δ y = f ( b ) − f ( a ) \Delta y = f(b) - f(a)Δ y = f ( b ) − f ( a ) 이므로
f ( x ) f(x)f ( x ) 의 평균변화율은 Δ y Δ x = f ( b ) − f ( a ) b − a = f ( a + Δ x ) − f ( a ) Δ x \dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \dfrac{f(b) - f(a)}{b - a} = \dfrac{f(a + \Delta x) - f(a)}{\Delta x}Δ x Δ y = b − a f ( b ) − f ( a ) = Δ x f ( a + Δ x ) − f ( a ) 이다.
함수 f ( x ) = x 2 f(x) = x^{2}f ( x ) = x 2 에서 x xx 의 값이 2 22 에서 4 44 로 변할 때의 평균변화율의 값을 구해보자.
f ( x ) f(x)f ( x ) 에서 x xx 가 2 22 에서 4 44 로 변할 때,
Δ x = 4 − 2 = 2 \Delta x = 4 - 2 = 2Δ x = 4 − 2 = 2 ,
Δ y = f ( 4 ) − f ( 2 ) \Delta y = f(4) - f(2)Δ y = f ( 4 ) − f ( 2 ) 이므로
Δ y Δ x = f ( 4 ) − f ( 2 ) 2 \dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \dfrac{f(4) - f(2)}{2}Δ x Δ y = 2 f ( 4 ) − f ( 2 ) 이다.
이때 f ( 4 ) = 4 2 = 16 f(4) = 4^{2} = 16f ( 4 ) = 4 2 = 1 6 이고,
f ( 2 ) = 2 2 = 4 f(2) = 2^{2} = 4f ( 2 ) = 2 2 = 4 이므로
f ( x ) f(x)f ( x ) 의 평균변화율은 Δ y Δ x = \dfrac{\Delta y}{\Delta x} ={}Δ x Δ y = f ( 4 ) − f ( 2 ) 2 = \dfrac{f(4) - f(2)}{2} ={}2 f ( 4 ) − f ( 2 ) = 16 − 4 2 = \dfrac{16 - 4}{2} ={}2 1 6 − 4 = 12 2 = \dfrac{12}{2} ={}2 1 2 = 6 66 이다.
함수 y = f ( x ) y = f(x)y = f ( x ) 에서 x xx 가 a aa 에서 a + Δ x a + \Delta xa + Δ x 로 변할 때, 평균변화율 Δ y Δ x = f ( a + Δ x ) − f ( a ) Δ x \dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \dfrac{f(a + \Delta x) - f(a)}{\Delta x}Δ x Δ y = Δ x f ( a + Δ x ) − f ( a ) 에서 Δ x \Delta xΔ x 가 0 00 에 한없이 가까워질 때의 값이다.
이 값이 존재할 경우 이를 x = a x = ax = a 에서의 미분계수라 하고, 기호로 f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 로 나타낸다.
수식으로 정리하면 f ′ ( a ) = Δ x → 0 Δ y Δ x = Δ x → 0 f ( a + Δ x ) − f ( a ) Δ x f'(a) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(a + \Delta x) - f(a)}{\Delta x}f ′ ( a ) = Δ x → 0 lim Δ x Δ y = Δ x → 0 lim Δ x f ( a + Δ x ) − f ( a ) 이다.
f ′ ( a ) f'(a)f ′ ( a ) 는 아래 그림과 같이 점 P ( a , f ( a ) ) \mathrm{P}(a, f(a))P ( a , f ( a ) ) 에서의 접선의 기울기와 같다.
Δ x \Delta xΔ x 가 0 00 에 한없이 가까워질 때 Δ y Δ x \dfrac{\Delta y}{\Delta x}Δ x Δ y 는 d y d x \dfrac{dy}{dx}d x d y 로도 나타낼 수 있다.
함수 f ( x ) = x 2 f(x) = x^{2}f ( x ) = x 2 에 대하여 f ′ ( 1 ) f'(1)f ′ ( 1 ) 의 값을 구해보자.
f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 Δ y Δ x = Δ x → 0 f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) Δ x f'(1) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(1 + \Delta x) - f(1)}{\Delta x}f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 lim Δ x Δ y = Δ x → 0 lim Δ x f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) 이다.
이때 f ( 1 + Δ x ) = f(1 + \Delta x) ={}f ( 1 + Δ x ) = ( 1 + Δ x ) 2 = (1 + \Delta x)^{2} ={}( 1 + Δ x ) 2 = ( 1 + Δ x ) ( 1 + Δ x ) = (1 + \Delta x)(1 + \Delta x) ={}( 1 + Δ x ) ( 1 + Δ x ) = 1 + Δ x + Δ x + ( Δ x ) 2 = 1 + \Delta x + \Delta x + (\Delta x)^{2} ={}1 + Δ x + Δ x + ( Δ x ) 2 = ( Δ x ) 2 + 2 Δ x + 1 (\Delta x)^{2} + 2\Delta x + 1( Δ x ) 2 + 2 Δ x + 1 이고,
f ( 1 ) = 1 2 = 1 f(1) = 1^{2} = 1f ( 1 ) = 1 2 = 1 이므로
f ′ ( 1 ) = f'(1) ={}f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) Δ x = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(1 + \Delta x) - f(1)}{\Delta x} ={}Δ x → 0 lim Δ x f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) = Δ x → 0 ( Δ x ) 2 + 2 Δ x + 1 − 1 Δ x = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{(\Delta x)^{2} + 2\Delta x + 1 - 1}{\Delta x} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( Δ x ) 2 + 2 Δ x + 1 − 1 = Δ x → 0 ( Δ x ) 2 + 2 Δ x Δ x = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{(\Delta x)^{2} + 2\Delta x}{\Delta x} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( Δ x ) 2 + 2 Δ x = Δ x → 0 ( Δ x + 2 ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}(\Delta x + 2) ={}Δ x → 0 lim ( Δ x + 2 ) = 2 22 이다.
1번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $4$
f ( x ) f(x)f ( x ) 에서 x xx 가 1 11 에서 3 33 으로 변할 때,
Δ x = 3 − 1 = 2 \Delta x = 3 - 1 = 2Δ x = 3 − 1 = 2 ,
Δ y = f ( 3 ) − f ( 1 ) \Delta y = f(3) - f(1)Δ y = f ( 3 ) − f ( 1 ) 이므로
Δ y Δ x = f ( 3 ) − f ( 1 ) 2 \dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \dfrac{f(3) - f(1)}{2}Δ x Δ y = 2 f ( 3 ) − f ( 1 ) 이다.
이때 f ( 3 ) = f(3) ={}f ( 3 ) = 3 3 − 2 = 3^{3} - 2 ={}3 3 − 2 = 27 − 2 = 27 - 2 ={}2 7 − 2 = 25 252 5 이고,
f ( 1 ) = f(1) ={}f ( 1 ) = 1 3 − 2 = 1^{3} - 2 ={}1 3 − 2 = 1 − 2 = 1 - 2 ={}1 − 2 = − 1 -1− 1 이므로
f ( x ) f(x)f ( x ) 의 평균변화율은 Δ y Δ x = \dfrac{\Delta y}{\Delta x} ={}Δ x Δ y = f ( 3 ) − f ( 1 ) 2 = \dfrac{f(3) - f(1)}{2} ={}2 f ( 3 ) − f ( 1 ) = 25 − ( − 1 ) 2 = \dfrac{25 - (-1)}{2} ={}2 2 5 − ( − 1 ) = 25 + 1 2 = \dfrac{25 + 1}{2} ={}2 2 5 + 1 = 26 2 = \dfrac{26}{2} ={}2 2 6 = 13 131 3 이다.
따라서 정답은 4 44 번이다.
2번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $2$
f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 Δ y Δ x = Δ x → 0 f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) Δ x f'(1) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{\Delta y}{\Delta x} = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(1 + \Delta x) - f(1)}{\Delta x}f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 lim Δ x Δ y = Δ x → 0 lim Δ x f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) 이다.
이때 f ( 1 + Δ x ) = 1 1 + Δ x f(1 + \Delta x) = \dfrac{1}{1 + \Delta x}f ( 1 + Δ x ) = 1 + Δ x 1 이고,
f ( 1 ) = 1 1 = 1 f(1) = \dfrac{1}{1} = 1f ( 1 ) = 1 1 = 1 이므로
f ′ ( 1 ) = f'(1) ={}f ′ ( 1 ) = Δ x → 0 f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) Δ x = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{f(1 + \Delta x) - f(1)}{\Delta x} ={}Δ x → 0 lim Δ x f ( 1 + Δ x ) − f ( 1 ) = Δ x → 0 1 1 + Δ x − 1 Δ x = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{\dfrac{1}{1 + \Delta x} - 1}{\Delta x} ={}Δ x → 0 lim Δ x 1 + Δ x 1 − 1 = Δ x → 0 ( 1 1 + Δ x − 1 ) ( 1 + Δ x ) Δ x ( 1 + Δ x ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{\left(\dfrac{1}{1 + \Delta x} - 1\right)(1 + \Delta x)}{\Delta x(1 + \Delta x)} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( 1 + Δ x ) ( 1 + Δ x 1 − 1 ) ( 1 + Δ x ) = Δ x → 0 1 − ( 1 + Δ x ) Δ x ( 1 + Δ x ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{1 - (1 + \Delta x)}{\Delta x(1 + \Delta x)} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( 1 + Δ x ) 1 − ( 1 + Δ x ) = Δ x → 0 1 − 1 − Δ x Δ x ( 1 + Δ x ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{1 - 1 - \Delta x}{\Delta x(1 + \Delta x)} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( 1 + Δ x ) 1 − 1 − Δ x = Δ x → 0 − Δ x Δ x ( 1 + Δ x ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{-\Delta x}{\Delta x(1 + \Delta x)} ={}Δ x → 0 lim Δ x ( 1 + Δ x ) − Δ x = Δ x → 0 − 1 ( 1 + Δ x ) = \lim\limits_{\Delta x \to 0}\dfrac{-1}{(1 + \Delta x)} ={}Δ x → 0 lim ( 1 + Δ x ) − 1 = − 1 -1− 1 이다.
따라서 정답은 2 22 번이다.