7. 미분 공식 (Differentiation Formulas)
에서 함수의 합에 대한 미분법칙, 곱에 대한 미분법칙, 차에 대한 미분법칙 등등
함수들의 대수적인 연산에 대한 미분법칙에 대해 알아보았었다.
이번 포스팅에서는 합성함수에 대한 미분법칙을 다루려고 한다.
참고로 이번 글은 평소보다 부연설명을 더욱 자세히 적어서
초보자들이 잘 이해 못하는 점들을 모두 해결해주는데 집중하였다.
핵심만 찾고자 한다면 전공책을 보는것이 나을 수도 있다.
미분계수는 그 점에서의
5. 함수의 기울기와 미분계수, 6. 도함수와 미분가능성 에서 알아보았었다.
이제 합성함수
한편
이 미분계수를 분수처럼 본다면 다음과 같이 두 미분계수의 곱으로 적을 수 있을것처럼 보인다.
사실 여부를 확인하기 위해 다음과 같은 예를 들어보자.
합성함수의 미분법을 제쳐두고 원래 방법대로 먼저 계산해보자.
한편
위에서 추측한대로라면
즉
그리고
따라서 위의 추측은 타당해보이고 실제로도 타당하며 아래에서 증명할 것이다.
이처럼 합성함수의 미분을 두 함수의 증가율의 곱으로 표현하는 법칙을 연쇄법칙이라 부른다.
연쇄법칙
와 가 모두 미분가능하고 가 로 정의된 합성함수라면, 는 에서 미분 가능하고, 는 다음과 같은 곱으로 주어진다.
라이프니츠 기호로 나타내면,와 가 모두 미분가능한 함수일 때 다음이 성립한다.
이 법칙의 완벽한 증명을 적기 전에 다음과 같이 생각하여보자.
완벽한 증명만 바로 보고 싶다면 넘어가도 되지만, 한 번 쯤은 보고 넘어가자.
불완전한 증명
사전 작업
일반적으로
(미분계수의 정의 설명하는 과정에서
마찬가지로
또
본론
이것을 이용해 원하는 연쇄법칙을 유도해보자.
여기서
이제 왼쪽 부분인 다음의 식도 수렴하는지 살펴보자.
우선
그리고
따라서 연속의 정의에 의해
즉,
극한법칙이 적용될 수 있다는것을 알았으니 원래 하던 계산으로 돌아오면
이로써 연쇄법칙이
이는 고등학교 교과서에 나와있는 증명법(에다가 부연설명을 잔뜩 넣었지만)인데, 완벽한 증명이라고 할 수는 없지만 대충 옳은 법칙임을 암시해주는 역할은 한다.
참고로 미분계수의 정의로 직접 계산을 해보면 알겠지만 이 함수는

합성함수
위에서 언급한 증명법을 따라가는 도중
왜냐하면
고교과정에서 나오는 단순한 함수들에 대해서는 별 문제가 되지 않지만 이런 함수들이 존재하기 때문에 위의 증명법은 완벽하다고 할 수 없다.
연쇄법칙은
이를 위해서는 위의 증명 방식처럼
본격적으로 증명으로 들어가기 이전에 그런 상황을 방지하기 위한 유용한 표현법을 하나 알아보고 가자.
그리고
한편
정리하면,
그리고 이렇게 표현함으로써
참고로 이 표현법이 나중에 다변수함수의 미분가능성, 연쇄법칙 얘기할 때 또 나오므로 잘 기억해두자.

연쇄 법칙의 증명
그러면 바로 위에서 언급한
여기서
같은 방법으로
여기서
양변을
여기서
따라서
이것으로 연쇄법칙이 증명되었다.
예제
풀이
곱의 미분을 적용하면
한편
따라서 연쇄법칙을 적용하면
이것을
풀이
한편
위에서 구한
+ (
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