한양과학기술고등학교

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도함수 그래프와 함수의 증감

도함수 그래프와 함수의 증감

미적분1 · 미분  |  접선의 기울기를 x축을 따라 훑으면, 그 값들이 모여 또 하나의 함수 그래프가 된다.

원함수 f(x)의 각 점에서 접선을 그으면 기울기 하나가 나온다. 이 기울기를 x에 대응시켜 모으면 도함수 f′(x)의 그래프가 완성된다. 이 그래프의 부호만 봐도 원함수가 어디서 오르고 내리는지, 어디서 봉우리(극대)와 골짜기(극소)를 만드는지 전부 읽어낼 수 있다. 아래에서 접선을 직접 스캔해 f′(x)를 그려 보자.

1. 직접 해보기 — 접선을 훑어 f′(x) 그리기

함수를 고르고 스캔 시작을 누르면 위 그래프의 접선(노란 선)이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하며, 그 순간의 기울기가 아래 그래프에 점으로 찍힌다. x 슬라이더로 직접 위치를 옮길 수도 있다. f′(x)=0인 곳에는 세로 안내선이 서고, f′>0 구간은 초록(증가), f′<0 구간은 빨강(감소)으로 칠해진다.

위: 원함수 f(x)  ·  노란 접선이 스캔 중
아래: 도함수 f′(x)  ·  접선 기울기가 점으로 쌓임
f(x) 접선 (기울기 = f′(x)) f′(x) 그래프 f′ > 0 : 증가 f′ < 0 : 감소
현재 x
–
f(x)
–
f′(x) = 접선 기울기
–
상태
–

극대 (f′: + → −)

    극소 (f′: − → +)

      변곡점 (f″ = 0, 오목·볼록 바뀜)

        2. 도함수의 부호와 증감

        어떤 구간에서 f′(x) > 0이면 접선이 오른쪽 위를 향하므로 함수는 그 구간에서 증가한다. 반대로 f′(x) < 0이면 감소한다. 그래서 도함수 그래프가 x축 위에 있는 구간 = 원함수가 증가하는 구간이다.

        f′(x) 부호접선 방향f(x) 의 증감
        +↗ 오른쪽 위증가
        0→ 수평증가·감소가 바뀌는 후보 (정류점)
        −↘ 오른쪽 아래감소
        주의 — f′(a) = 0이라고 해서 반드시 극값은 아니다. f(x) = x³은 x = 0에서 f′ = 0이지만 좌우 모두 f′ > 0이라 계속 증가한다. 극값이 되려면 f′의 부호가 실제로 바뀌어야 한다.

        3. 극값의 판정 — 1계·2계 도함수

        1계 도함수 판정법: f′(a) = 0인 점 a의 좌우에서 f′의 부호를 본다.

        + → − 이면 x = a 에서 극대   |   − → + 이면 x = a 에서 극소

        2계 도함수 판정법: f′(a) = 0이고 f″(a)의 부호를 알면 더 빠르다.

        f″(a) < 0 → 극대 (위로 볼록)   |   f″(a) > 0 → 극소 (아래로 볼록)

        예를 들어 f(x) = x³ − 3x는 f′(x) = 3x² − 3 = 3(x−1)(x+1)이므로 x = ±1이 후보다. f″(x) = 6x이니 f″(−1) = −6 < 0 → x = −1에서 극대(f = 2), f″(1) = 6 > 0 → x = 1에서 극소(f = −2). (단, f″(a) = 0이면 2계 판정법은 결론을 못 내리고 1계 판정법으로 돌아가야 한다.)

        4. 오목·볼록과 변곡점

        f″(x)는 접선 기울기(f′)가 어떻게 변하는지를 알려준다. f″(x) > 0이면 기울기가 점점 커져 곡선이 아래로 볼록(∪ 모양), f″(x) < 0이면 위로 볼록(∩ 모양)이다.

        변곡점 : f″(x) = 0 이면서 그 좌우에서 f″의 부호가 바뀌는 점 (오목·볼록 방향 전환)

        f(x) = x³ − 3x에서 f″(x) = 6x는 x = 0에서 부호가 −에서 +로 바뀌므로 (0, 0)이 변곡점이다. 위젯에서 f″ 표시를 켜면 위 그래프에 변곡점 세로선이, 아래 그래프에 f″(x) 곡선이 함께 나타난다.

        5. 증감표 그리는 법

        구한 정보를 한 표에 정리하면 그래프 개형이 바로 보인다. f(x) = x³ − 3x의 증감표:

        x··· −1···1···
        f′(x)+0−0+
        f(x)↗극대 2↘극소 −2↗

        순서는 ① f′(x) = 0 푸는 값으로 구간을 나눈다 → ② 각 구간에서 f′ 부호를 조사한다 → ③ 부호에 따라 ↗ / ↘를 적고 극대·극소를 표시한다 → ④ 필요하면 f″ 행을 추가해 오목·볼록과 변곡점까지 넣는다.

        한 줄 요약 — f′(x)의 부호가 증감을, f′(x)=0에서의 부호 변화가 극대·극소를, f″(x)의 부호가 오목·볼록을, f″(x)=0에서의 부호 변화가 변곡점을 결정한다. 도함수 그래프 한 장에 원함수의 모양이 전부 담겨 있다.