나뭇잎 교과서

지수·로그함수의 극한과 미분

미적분Ⅰ에서는 다항함수만 미분했습니다. 이 절에서는 지수함수와 로그함수를 미분합니다. 먼저 \((1 + h)^{\frac{1}{h}}\)의 극한으로 새로운 수 \(e\)를 정의하고, 밑이 \(e\)인 자연로그 \(\ln x\)를 도입합니다. 그러면 \(e^x\)는 도함수가 자기 자신인 함수가 되고, \(\ln x\)의 도함수는 \(\frac{1}{x}\)가 됩니다. 다른 밑의 지수·로그함수는 \(\ln a\)를 곱하거나 나누어 처리합니다.

본문

지수·로그함수의 극한과 미분

본문

은행에 1원을 맡기고 1년 이자율이 100%라면 1년 뒤 2원이 된다. 이자를 반년마다 50%씩 두 번 주면 \(1.5^2 = 2.25\)원, 한 달마다 주면 \(\left(1 + \frac{1}{12}\right)^{12} \approx 2.61\)원이 된다. 이자를 더 자주, 매 순간 준다면 1년 뒤 금액은 끝없이 커질까? 이 물음의 답이 미분에서 특별한 수 \(e\)이다.

그림 1. \(y = (1 + h)^{\frac{1}{h}}\)의 그래프. \(h\)가 양쪽에서 0에 가까워지면 값이 \(e \approx 2.71828\)에 한없이 가까워진다.
먼저 알아야 할 것지수함수와 로그함수(대수), 함수의 극한, 미분계수와 도함수(미적분Ⅰ).

2.1.1무리수 \(e\)와 자연로그

이자를 \(n\)번 나누어 주면 1년 뒤 금액은 \(\left(1 + \frac{1}{n}\right)^n\)이다. \(h = \frac{1}{n}\)로 놓으면 \((1 + h)^{\frac{1}{h}}\)이고, \(n\)이 커질수록 \(h\)는 0에 가까워진다. 그림 1에서 \(h\)를 0에 가깝게 해 보면 값은 커지기는 하지만 2.718…을 넘지 않는다.

정의 2.1.1 \(e\)와 자연로그

\[e = \lim_{h \to 0} (1 + h)^{\frac{1}{h}} = 2.71828\ldots\] 은 무리수이다. \(e\)를 밑으로 하는 로그 \(\log_e x\)를 자연로그라 하고 \(\ln x\)로 쓴다.

이자율이 100%가 아니어도 같은 생각을 쓸 수 있다. 연 이자율 \(r\)을 \(n\)번 나누어 주면 1년 뒤 금액은 \(\left(1 + \frac{r}{n}\right)^n\)이고, \(\frac{r}{n} = h\)로 놓으면 \(\left\{(1 + h)^{\frac{1}{h}}\right\}^r\)이므로 매 순간 줄 때 \(e^r\)이 된다. 이것을 \(t\)년 동안 하면 \(e^{rt}\)이다. 그래서 \(e\)의 지수는 '성장률 × 시간'을 뜻하고, 거꾸로 자연로그는 불어난 배수에서 이 값을 꺼내 준다. 가령 매 순간 복리로 2배가 되었다면 \(rt = \ln 2 \approx 0.69\)이므로, 연 이자율 10%이면 약 6.9년이 걸린다.

이 극한에서 두 가지 기본 극한이 나온다. 양변에 자연로그를 취하면 \(\lim_{h \to 0} \dfrac{\ln(1 + h)}{h} = 1\)이고, \(e^h - 1 = t\)로 치환하면 \(\lim_{h \to 0} \dfrac{e^h - 1}{h} = 1\)이다.1

2.1.2지수함수와 로그함수의 도함수

\(y = e^x\)의 도함수를 정의대로 구하면 \[\lim_{h \to 0} \frac{e^{x+h} - e^x}{h} = e^x \lim_{h \to 0} \frac{e^h - 1}{h} = e^x\] 이다. \(e^x\)는 어느 점에서나 접선의 기울기가 그 점의 높이와 같은 유일한 지수함수이다. 이것이 처음 질문의 답이다.

정리 2.1.2 지수·로그함수의 도함수

\[(e^x)' = e^x,\quad (a^x)' = a^x \ln a,\quad (\ln x)' = \frac{1}{x},\quad (\log_a x)' = \frac{1}{x \ln a}\]

\(a^x = e^{x \ln a}\)이므로 \(a^x\)의 기울기는 높이에 \(\ln a\)를 곱한 것이다. 밑이 2이면 \(\ln 2 \approx 0.69\)배, 밑이 3이면 \(\ln 3 \approx 1.10\)배로, 그 사이의 \(e\)에서 정확히 1배가 된다. \(\ln x\)의 도함수는 \(\dfrac{\ln(x + h) - \ln x}{h} = \dfrac{1}{x} \cdot \dfrac{\ln(1 + h/x)}{h/x}\)에서 \(\dfrac{1}{x}\)이다.

밑 a(aˣ)′ ÷ aˣ = ln a 2약 0.69 e ≈ 2.718정확히 1 3약 1.10
그림 2. 지수함수 \(a^x\)의 기울기는 높이의 \(\ln a\)배이다. \(a = e\)일 때 기울기와 높이가 같다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.3

\(\lim_{x \to 0} \dfrac{e^{3x} - 1}{x}\)을 구하여라. 또 곡선 \(y = \ln x\) 위의 점 \((e, 1)\)에서의 접선의 방정식을 구하여라.

\(\dfrac{e^{3x} - 1}{x} = 3 \times \dfrac{e^{3x} - 1}{3x}\)이고, \(x \to 0\)이면 \(3x \to 0\)이므로 \(\dfrac{e^{3x} - 1}{3x} \to 1\)이다. 따라서 극한은 3이다.

\(y' = \dfrac{1}{x}\)이므로 \(x = e\)에서 기울기는 \(\dfrac{1}{e}\)이다. 접선은 \(y - 1 = \dfrac{1}{e}(x - e)\), 곧 \(y = \dfrac{x}{e}\)이다. 이 접선은 원점을 지난다. 원점에서 \(y = \ln x\)에 그은 접선의 접점이 바로 \((e, 1)\)이라는 뜻이다.

아래 탐구 카드에서 \(e\)의 극한, 기울기와 높이가 같은 지수함수, \(\ln x\)의 기울기를 직접 확인해 보자.

  1. \(e^h - 1 = t\)로 놓으면 \(h = \ln(1 + t)\)이고 \(h \to 0\)일 때 \(t \to 0\)이므로 \(\dfrac{e^h - 1}{h} = \dfrac{t}{\ln(1 + t)} \to 1\)이다.
마무리

\(e = \lim_{h \to 0}(1 + h)^{1/h}\)는 약 2.718인 무리수이며, 이 극한에서 \(\lim \frac{e^h - 1}{h} = 1\)이 나온다. 그 결과 \((e^x)' = e^x\), \((\ln x)' = \frac{1}{x}\)이다. 그래서 처음 질문의 이자를 매 순간 주어도 1년 뒤 금액은 끝없이 커지지 않고 \(e\)원에 다가가며, 이 \(e\)가 기울기와 높이가 같은 지수함수의 밑이다.

탐구 1

\((1 + h)^{\frac{1}{h}}\)는 \(h\)가 0에 가까워지면 어디로 갈까?

자연상수 \(e\) · 자연로그
\((1+h)^{\frac{1}{h}}\)
—
\(e - (1+h)^{\frac{1}{h}}\)
—
\(\frac{\ln(1+h)}{h}\)
—
\(\frac{e^h - 1}{h}\)
—

—

\(h = \frac{1}{n}\)로 놓으면 \((1 + h)^{\frac{1}{h}} = (1 + \frac{1}{n})^n\)이다. 그림을 가로로 끌어도 \(h\)가 바뀌며, \(e = 2.718281828\cdots\)이다.

  1. 질문연이율 100%를 1년에 \(n\)번 나누어 복리로 주면 원금 1은 1년 뒤 \((1 + \frac{1}{n})^n\)이 된다. \(n\)을 한없이 키우면 원리합계도 한없이 커질까?
  2. 복원\(\lim_{h\to 0}\)는 \(h = 0\)에서의 값이 아니라, \(h\)가 0에 한없이 가까워질 때 값이 다가가는 곳이다. 그리고 로그에서는 \(\log_a M^k = k \log_a M\), \(\log_a a = 1\)이다.
  3. 설명\(h \to 0\)일 때 \((1 + h)^{\frac{1}{h}}\)은 한 값 \(2.71828\cdots\)에 수렴하고, 이 값을 \(e\)로 나타낸다. 곧 \(e = \lim_{h\to 0} (1 + h)^{\frac{1}{h}} = \lim_{n\to \infty} (1 + \frac{1}{n})^n\)이고, \(e\)는 무리수이다. 밑이 \(e\)인 로그 \(\log_e x\)를 자연로그라 하고 \(\ln x\)로 쓰면, \(\frac{\ln(1 + h)}{h} = \ln (1 + h)^{\frac{1}{h}} \to \ln e = 1\)이다. 또 \(e^h - 1 = t\)로 놓으면 \(h = \ln(1 + t)\)이고, \(h \to 0\)일 때 \(t \to 0\)이므로 \(\frac{e^h - 1}{h} = \frac{t}{\ln(1 + t)} \to 1\)이다. 같은 방법으로 \(a > 0\), \(a \ne 1\)일 때 \(\frac{a^h - 1}{h} \to \ln a\), \(\frac{\log_a(1 + h)}{h} \to \frac{1}{\ln a}\)이다.
  4. 연결\(\frac{e^h - 1}{h}\)는 곡선 \(y = e^x\) 위의 점 \((0, 1)\)에서 그은 할선의 기울기이다. 그래서 이 극한이 1이라는 것은 \(y = e^x\)의 \(x = 0\)에서의 접선의 기울기가 1이라는 뜻이고, 이 사실에서 \(e^x\)와 \(\ln x\)의 도함수가 나온다.
  5. 적용‘\(h \div 10\)’을 여러 번 누르며 \(e\)와의 차이가 어떻게 줄어드는지, \(h\)가 10분의 1이 되면 차이가 대략 얼마가 되는지 보자. 그리고 부호를 바꾸어 \(h < 0\)에서도 같은 값으로 가는지, 아래 두 칸의 값이 어디로 가는지 확인해 보자.
  6. 판단밑 \(1 + h\)가 1로 가니까 1을 몇 번 곱해도 1이라는 추론은 틀린다. 밑이 1로 가는 동안 지수 \(\frac{1}{h}\)는 한없이 커지므로, 이런 \(1^\infty\) 꼴은 값이 미리 정해지지 않기 때문이다. 또 \(h = 0\)을 넣을 수는 없으므로 그래프에서 \(x = 0\)은 빈 점이며, \(e\)는 함숫값이 아니라 극한값이다.

확인조건이 달라지면

\(\lim_{x\to 0} (1 + 2x)^{\frac{1}{x}}\)의 값은?

탐구 2

접선의 기울기가 높이와 같은 지수함수의 밑은?

지수함수의 도함수 · 조작
높이 \(a^x\)
—
접선의 기울기
—
기울기 ÷ 높이
—
\(\ln a\)
—

—

접선의 기울기는 아주 작은 \(h(0.00001)\)로 잰 할선의 기울기이다. 점 \(P\)는 그림을 가로로 끌어도 움직인다.

  1. 질문지수함수 \(y = a^x\)는 높을수록 가파르다. 접선의 기울기와 높이 사이에는 어떤 관계가 있을까? 기울기가 높이와 꼭 같은 밑도 있을까?
  2. 복원도함수는 \(f'(x) = \lim_{h\to 0} \frac{f(x + h) - f(x)}{h}\)이다. 그리고 앞에서 \(\lim_{h\to 0} \frac{e^h - 1}{h} = 1\), \(\lim_{h\to 0} \frac{a^h - 1}{h} = \ln a\)를 얻었다.
  3. 설명\(\frac{a^{x+h} - a^x}{h} = a^x \cdot \frac{a^h - 1}{h}\)이고, \(a^x\)는 \(h\)와 관계없으므로 극한을 취하면 \((a^x)' = a^x \ln a\)이다. 곧 어느 점에서나 기울기 ÷ 높이가 같은 값 \(\ln a\)이다. 그리고 \(\ln e = 1\)이므로 밑이 \(e\)이면 \((e^x)' = e^x\)여서 기울기가 높이와 같다.
  4. 연결세균의 증식이나 방사성 붕괴처럼 변화율이 지금의 양에 비례하는 현상이 지수함수로 표현되는 까닭이 여기에 있다. 이 성질 때문에 미적분에서는 밑이 \(e\)인 지수함수를 주로 쓴다.
  5. 적용밑을 2로 두고 점 \(P\)를 여러 곳으로 옮기며 기울기 ÷ 높이가 바뀌는지, 그 값이 \(\ln 2\)와 같은지 보자. 이번에는 밑을 움직여 기울기 ÷ 높이가 1이 되는 \(a\)를 찾고, 그 값이 어떤 수에 가까운지 확인해 보자.
  6. 판단\((a^x)'\)을 \(x\cdot a^{x-1}\)로 쓰는 실수가 흔하다. 거듭제곱 공식 \((x^n)' = nx^{n-1}\)은 밑이 변수이고 지수가 상수일 때의 공식이고, 지수함수는 반대로 밑이 상수이고 지수가 변수이다.

확인조건이 달라지면

\(f(x) = 2^x\)일 때 \(f'(3)\)의 값은?

탐구 3

\(y = \ln x\)의 접선의 기울기는 왜 \(\frac{1}{x}\)일까?

로그함수의 도함수 · 조작
\(x\)
—
높이 \(f(x)\)
—
접선의 기울기
—
\(x\) × 기울기
—

—

접선의 기울기는 아주 작은 \(h(0.00001)\)로 잰 할선의 기울기이다. 점 \(P\)는 그림을 가로로 끌어도 움직인다.

  1. 질문\(y = \ln x\)는 \(x\)가 커질수록 점점 완만해진다. 접선의 기울기는 \(x\)와 어떤 관계로 줄어들까?
  2. 복원\(\lim_{t\to 0} \frac{\ln(1 + t)}{t} = 1\)이었다. 그리고 로그의 성질 \(\ln M - \ln N = \ln(\frac{M}{N})\)과 밑 변환 공식 \(\log_a x = \frac{\ln x}{\ln a}\)도 쓴다.
  3. 설명\(x > 0\)일 때 \(\frac{\ln(x + h) - \ln x}{h} = (\frac{1}{x}) \cdot \frac{\ln(1 + \frac{h}{x})}{\frac{h}{x}}\)이고, \(h \to 0\)이면 \(t = \frac{h}{x} \to 0\)이므로 뒤의 분수는 1로 간다. 그래서 \((\ln x)' = \frac{1}{x}\)이고, 밑 변환 공식으로 \((\log_a x)' = \frac{1}{x \ln a}\)이다. 또 \(x < 0\)이면 \(\ln|x| = \ln(-x)\)이고 그래프가 \(\ln x\)를 \(y\)축에 대칭시킨 것이므로, \((\ln|x|)' = \frac{1}{x}\)가 \(x \ne 0\)인 모든 곳에서 성립한다.
  4. 연결\(x\) × 기울기가 일정하다는 것은, \(x\)를 몇 배로 늘리든 \(\ln x\)가 같은 양만큼 늘어난다는 로그의 성질과 같은 이야기이다. \(\frac{1}{x}\)는 미적분Ⅰ의 거듭제곱 공식으로는 얻을 수 없던 도함수이며, 적분에서 \(\int(\frac{1}{x})\,dx = \ln|x| + C\)로 다시 만난다.
  5. 적용\(\ln x\)에서 점 \(P\)를 옮기며 \(x\) × 기울기가 어떤 값으로 일정한지 보자. \(\log_2 x\)로 바꾸면 그 값이 무엇이 되는지 \(\frac{1}{\ln 2}\)와 비교하고, \(\ln|x|\)에서 \(P\)를 음수 쪽으로 옮기면 기울기의 부호가 어떻게 되는지 확인해 보자.
  6. 판단\((\ln|x|)'\)을 \(\frac{1}{|x|}\)로 쓰는 실수가 흔한데, \(x < 0\)인 쪽에서는 \(x\)가 커질수록 그래프가 내려가므로 기울기가 음수이다. 또 \(\ln x\)는 \(x > 0\)에서만 정의되므로, \(\frac{1}{x}\)라는 식이 음수에서도 계산된다고 해서 \(\ln x\)의 도함수가 음수 쪽에 있는 것은 아니다.

확인조건이 달라지면

\(f(x) = \log_3 x\)일 때 \(f'(2)\)의 값은?

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