개념 해석 · Concepts
1변수 연쇄법칙은 합성함수를 미분하는 규칙이다. $y=f(x)$와 $x=g(t)$가 모두 미분가능하면 $y$는 간접적으로 $t$의 미분가능한 함수가 되고
이 절에서는 이 규칙을 여러 변수의 함수로 확장한다. 걸림돌은 다변수 합성함수가 여러 방식으로 조립될 수 있다는 점이다 — 바깥 함수의 중간변수가 둘일 수도, $n$개일 수도 있고, 그 중간변수들이 독립변수 하나에 의존할 수도, 여러 개에 의존할 수도 있다. 조립 방식마다 규칙의 모습이 달라지므로, 이 절은 경우 1, 경우 2, 그리고 이 둘을 특수한 경우로 포함하는 일반형까지 세 가지 버전을 제시한다.
For one variable the Chain Rule differentiates a composite function: if $y=f(x)$ and $x=g(t)$ are both differentiable, then $y$ is indirectly a differentiable function of $t$ and
This section carries that rule over to functions of more than one variable. The complication is that a composite function of several variables can be assembled in different ways — the outer function may have two intermediate variables or $n$ of them, and those may depend on one independent variable or on several. Each assembly produces its own version of the rule, so the section states three: Case 1, Case 2, and a general version that contains both as special cases.
경우 1은 $z=f(x,y)$의 두 인수가 그 자체로 한 변수 $t$의 함수인 경우를 다룬다. 즉 $z=f(g(t),h(t))$는 $t$ 하나에만 의존한다. 여기서 $f$의 미분가능성은 정의 14.4.7의 의미이며, 특히 $f_x,f_y$가 연속이면 (정리 14.4.8에 의해) 이 조건은 자동으로 성립한다.
정리 (연쇄법칙, 경우 1). $z=f(x,y)$가 $x,y$에 대해 미분가능한 함수이고, $x=g(t)$와 $y=h(t)$가 $t$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면 $z$는 $t$에 대해 미분가능한 함수이고
증명. 정의 14.4.7에 따르면 $f$가 $(x,y)$에서 미분가능하다는 것은 그 점에서의 증분이
로 쓰이고, $(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)$일 때 $\varepsilon_1\to0$, $\varepsilon_2\to0$이 됨을 뜻한다. ($\varepsilon_1,\varepsilon_2$가 $(0,0)$에서 정의되지 않는 경우에는 그 점에서의 값을 $0$으로 정해 둔다. $\Delta t\neq0$이어도 $\Delta x=\Delta y=0$일 수 있으므로 이 약속이 필요하다.) $t$에 임의의 증분 $\Delta t\neq0$을 주고 $\Delta x=g(t+\Delta t)-g(t)$, $\Delta y=h(t+\Delta t)-h(t)$, $\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$로 두면 위 식이 그대로 성립하고, 양변을 $\Delta t$로 나누면
를 얻는다. $g,h$가 $t$에서 미분가능하므로 그 점에서 연속이고, 따라서 $\Delta t\to0$이면 $\Delta x\to0$, $\Delta y\to0$이 되어 $\varepsilon_1\to0$, $\varepsilon_2\to0$이다. 또한 $\Delta x/\Delta t\to dx/dt$, $\Delta y/\Delta t\to dy/dt$는 유한한 극한이므로 $\varepsilon_1\,\Delta x/\Delta t\to0\cdot dx/dt=0$이고 같은 이유로 $\varepsilon_2\,\Delta y/\Delta t\to0$이다. $\Delta t\to0$에서 좌변 $\Delta z/\Delta t$의 극한이 존재하므로 $z$는 $t$의 미분가능한 함수이고, 위 식의 극한을 취하면
를 얻는다.
The first version treats a function $z=f(x,y)$ whose two arguments are themselves functions of a single variable $t$, so that $z=f(g(t),h(t))$ depends on $t$ alone. Differentiability of $f$ is understood in the sense of Definition 14.4.7, which holds in particular whenever $f_x$ and $f_y$ are continuous (Theorem 14.4.8).
Theorem (Chain Rule, Case 1). Let $z=f(x,y)$ be a differentiable function of $x$ and $y$, and let $x=g(t)$ and $y=h(t)$ be differentiable functions of $t$. Then $z$ is a differentiable function of $t$, and
Proof. By Definition 14.4.7, differentiability of $f$ at $(x,y)$ means the increment there can be written
with $\varepsilon_1\to0$ and $\varepsilon_2\to0$ as $(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)$. (Where $\varepsilon_1$ and $\varepsilon_2$ are undefined at $(0,0)$, give them the value $0$ there; this is needed because $\Delta t\neq0$ may still leave $\Delta x=\Delta y=0$.) Give $t$ an increment $\Delta t\neq0$ and set $\Delta x=g(t+\Delta t)-g(t)$, $\Delta y=h(t+\Delta t)-h(t)$, $\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$; the identity above still holds, and dividing through by $\Delta t$ gives
Since $g$ and $h$ are differentiable at $t$, they are continuous there, so $\Delta t\to0$ forces $\Delta x\to0$ and $\Delta y\to0$, hence $\varepsilon_1\to0$ and $\varepsilon_2\to0$. Also $\Delta x/\Delta t\to dx/dt$ and $\Delta y/\Delta t\to dy/dt$ are finite limits, so $\varepsilon_1\,\Delta x/\Delta t\to0\cdot dx/dt=0$ and likewise $\varepsilon_2\,\Delta y/\Delta t\to0$. The limit of the left side as $\Delta t\to0$ therefore exists, so $z$ is a differentiable function of $t$, and passing to the limit in the displayed equation yields
$\partial f/\partial x$ 대신 $\partial z/\partial x$로 표기를 바꾸면 경우 1은 다음과 같은 꼴이 된다.
이는 전미분
의 각 항을 $dt$로 나눈 것과 같은 모양이다. 이 유사성은 공식을 외우는 데 쓸모 있는 기억법이지만 어디까지나 형식적인 유사일 뿐이다. 연쇄법칙은 합성함수의 도함수에 관한 명제이지, 미분 기호의 비를 다루는 계산이 아니다.
Writing $\partial z/\partial x$ in place of $\partial f/\partial x$ puts Case 1 in the form
which is the differential
with every term divided by $dt$. The resemblance is a useful mnemonic, but it is only formal: the Chain Rule is a statement about derivatives of a composite function, not a manipulation of ratios of differentials.
이번에는 $z=f(x,y)$의 두 인수가 두 변수에 의존하는 경우, 즉 $x=g(s,t)$, $y=h(s,t)$인 경우를 생각하자. 이때 $z$는 간접적으로 $s,t$의 함수가 되고, $\partial z/\partial s$와 $\partial z/\partial t$를 모두 구하고 싶다. 새로운 증명은 필요 없다. $\partial z/\partial t$를 구할 때는 $s$를 상수로 고정하므로 $t$에 대한 보통의 도함수만 남아 경우 1을 그대로 쓸 수 있고, $s$와 $t$의 역할을 바꾸면 나머지 공식도 같은 방식으로 나온다.
정리 (연쇄법칙, 경우 2). $z=f(x,y)$가 $x,y$에 대해 미분가능한 함수이고, $x=g(s,t)$와 $y=h(s,t)$가 $s,t$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면
Next let the two arguments of $z=f(x,y)$ depend on two variables, $x=g(s,t)$ and $y=h(s,t)$. Then $z$ is indirectly a function of $s$ and $t$, and both $\partial z/\partial s$ and $\partial z/\partial t$ are wanted. No new proof is needed: computing $\partial z/\partial t$ means holding $s$ fixed, which leaves an ordinary derivative in $t$ to which Case 1 applies; the same argument with the roles of $s$ and $t$ exchanged gives the other formula.
Theorem (Chain Rule, Case 2). Let $z=f(x,y)$ be a differentiable function of $x$ and $y$, and let $x=g(s,t)$ and $y=h(s,t)$ be differentiable functions of $s$ and $t$. Then
경우 2에는 세 종류의 변수가 등장한다. $s,t$는 독립변수, $x,y$는 중간변수, $z$는 종속변수이다. 정리 2는 중간변수 하나마다 항을 하나씩 내놓으며, 그 각 항은 1변수 연쇄법칙과 같은 모양을 하고 있다.
아래의 수형도는 이 구조를 그림으로 나타낸 것이다. 종속변수 $z$에서 중간변수 $x,y$로 가지가 뻗고, 다시 그로부터 독립변수 $s,t$로 가지가 뻗으며, 각 가지 위에는 위쪽 변수를 아래쪽 변수로 편미분한 도함수를 적는다. 이 그림만 보고도 규칙을 다음과 같이 읽어낼 수 있다.
$z$를 어떤 한 독립변수로 미분한 도함수를 구하려면, $z$에서 그 변수까지 내려가는 각 경로를 따라 편도함수들을 곱하고, 그렇게 얻은 값을 모든 경로에 걸쳐 더한다.
$z$에서 $s$로 가는 두 경로를 따라가면 $\partial z/\partial s$의 공식이, $z$에서 $t$로 가는 두 경로를 따라가면 $\partial z/\partial t$의 공식이 그대로 재현된다.
Case 2 involves three kinds of variable. Here $s$ and $t$ are the independent variables, $x$ and $y$ are the intermediate variables, and $z$ is the dependent variable. Theorem 2 contributes one term for each intermediate variable, and each such term looks like the one-variable Chain Rule.
The tree diagram below records this structure. Branches run from the dependent variable $z$ to the intermediate variables $x$ and $y$, and from those to the independent variables $s$ and $t$; on each branch one writes the partial derivative of the upper variable with respect to the lower one. The rule is then read off the picture:
To find the derivative of $z$ with respect to one independent variable, multiply the partial derivatives along each path from $z$ down to that variable, then add the products over all such paths.
Following the two paths from $z$ to $s$ reproduces the formula for $\partial z/\partial s$, and the two paths from $z$ to $t$ reproduce the formula for $\partial z/\partial t$.
경우 1과 경우 2는 하나의 규칙이 $(n,m)=(2,1)$과 $(n,m)=(2,2)$인 특수한 경우일 뿐이다. 이 규칙에서는 종속변수 $u$가 $n$개의 중간변수로 이루어지고, 그 중간변수들이 다시 $m$개의 독립변수에 의존한다.
정리 (연쇄법칙, 일반형). $u$가 $n$개의 변수 $x_1,x_2,\dots,x_n$에 대해 미분가능한 함수이고, 각 $x_j$가 $m$개의 변수 $t_1,t_2,\dots,t_m$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면 $u$는 $t_1,t_2,\dots,t_m$의 함수이고, 각 $i=1,2,\dots,m$에 대해
이 합에는 정확히 $n$개의 항이 있으며, 이는 중간변수 하나당 하나씩 — 다시 말해 수형도에서 $u$부터 $t_i$까지 이어지는 경로 하나당 하나씩에 해당한다.
증명: 경우 1의 증명과 같은 방식이다.
Cases 1 and 2 are the instances $(n,m)=(2,1)$ and $(n,m)=(2,2)$ of one rule, in which a dependent variable $u$ is built from $n$ intermediate variables that in turn depend on $m$ independent variables.
Theorem (Chain Rule, General Version). Let $u$ be a differentiable function of the $n$ variables $x_1,x_2,\dots,x_n$, and let each $x_j$ be a differentiable function of the $m$ variables $t_1,t_2,\dots,t_m$. Then $u$ is a function of $t_1,t_2,\dots,t_m$ and, for every $i=1,2,\dots,m$,
The sum has exactly $n$ terms, one per intermediate variable — equivalently, one per path from $u$ to $t_i$ in the tree diagram.
Proof: the argument is the same as for Case 1.
연쇄법칙은 §2.6과 §14.3에서 다룬 음함수 미분법의 근거를 설명해 준다. 방정식 $F(x,y)=0$이 $y$를 미분가능한 함수 $y=f(x)$로 결정한다고, 즉 $f$의 정의역에 속한 모든 $x$에 대해 $F(x,f(x))=0$이라고 하자. $F$가 미분가능하면 양변을 $x$에 대해 미분하되, $x$와 $y$를 모두 $x$의 함수로 보고 경우 1을 적용한다.
$dx/dx=1$이므로 $\partial F/\partial y\neq0$일 때 $dy/dx$에 대해 풀면 본문 식 (5)가 나온다.
The Chain Rule explains the implicit differentiation introduced in §2.6 and §14.3. Suppose an equation $F(x,y)=0$ determines $y$ as a differentiable function $y=f(x)$, meaning $F(x,f(x))=0$ for every $x$ in the domain of $f$. If $F$ is differentiable, differentiate both sides with respect to $x$ using Case 1, treating both $x$ and $y$ as functions of $x$:
Since $dx/dx=1$, solving for $dy/dx$ — which requires $\partial F/\partial y\neq0$ — gives the formula labelled (5) in the text:
식 (5)는 $F(x,y)=0$이 실제로 $y$를 $x$의 함수로 정의한다는 가정 아래 유도한 것이다. 고급 미적분학에서 증명하는 음함수 정리는 이 가정이 언제 정당한지를 알려준다.
음함수 정리. $F$가 $(a,b)$를 포함하는 원판에서 정의되어 있고, $F(a,b)=0$, $F_y(a,b)\neq0$이며, $F_x$와 $F_y$가 그 원판에서 연속이라 하자. 그러면 $(a,b)$ 근방에서 방정식 $F(x,y)=0$은 $y$를 $x$의 함수로 정의하며, 그 함수의 도함수는 식 (5)로 주어진다.
Formula (5) was derived under the assumption that $F(x,y)=0$ really does define $y$ as a function of $x$. The Implicit Function Theorem, proved in advanced calculus, says when that assumption is legitimate.
Implicit Function Theorem. Suppose $F$ is defined on a disk containing $(a,b)$, that $F(a,b)=0$ and $F_y(a,b)\neq0$, and that $F_x$ and $F_y$ are continuous on the disk. Then near $(a,b)$ the equation $F(x,y)=0$ defines $y$ as a function of $x$, and the derivative of that function is given by (5).
이번에는 방정식 $F(x,y,z)=0$이 $z$를 음함수로 $z=f(x,y)$로 결정한다고, 즉 $f$의 정의역 전체에서 $F(x,y,f(x,y))=0$이라고 하자. $F$와 $f$가 미분가능할 때 이 항등식을 $x$에 대해 연쇄법칙으로 미분하면
여기서 $x,y$는 독립변수이므로 $\partial x/\partial x=1$, $\partial y/\partial x=0$이 되어 두 항만 남는다. $\partial F/\partial z\neq0$일 때 $\partial z/\partial x$에 대해 풀고, $y$에 대해서도 같은 계산을 되풀이하면 식 (6)의 두 공식을 얻는다.
Now let an equation $F(x,y,z)=0$ determine $z$ implicitly as a function $z=f(x,y)$, so that $F(x,y,f(x,y))=0$ throughout the domain of $f$. With $F$ and $f$ differentiable, apply the Chain Rule to differentiate that identity with respect to $x$:
Because $x$ and $y$ are the independent variables here, $\partial x/\partial x=1$ and $\partial y/\partial x=0$, so only two terms survive; solving for $\partial z/\partial x$ when $\partial F/\partial z\neq0$, and repeating the computation in $y$, gives the pair of formulas labelled (6):
같은 정리를 세 변수로 확장한 판본이 식 (6)의 배경에 있는 가정을 정당화해 준다.
음함수 정리 (세 변수). $F$가 $(a,b,c)$를 포함하는 구 내부에서 정의되어 있고, $F(a,b,c)=0$, $F_z(a,b,c)\neq0$이며, $F_x,F_y,F_z$가 그 구 내부에서 연속이라 하자. 그러면 $(a,b,c)$ 근방에서 방정식 $F(x,y,z)=0$은 $z$를 $x,y$에 대해 미분가능한 함수로 정의하며, 그 편도함수는 식 (6)으로 주어진다.
A three-variable version of the same theorem licenses the assumption behind (6).
Implicit Function Theorem (three variables). Suppose $F$ is defined inside a sphere containing $(a,b,c)$, that $F(a,b,c)=0$ and $F_z(a,b,c)\neq0$, and that $F_x$, $F_y$ and $F_z$ are continuous inside the sphere. Then near $(a,b,c)$ the equation $F(x,y,z)=0$ defines $z$ as a differentiable function of $x$ and $y$, whose partial derivatives are given by (6).
예제 답안 · Worked Examples
$z=x^2y+3xy^4$ 이고 $x=\sin 2t$, $y=\cos t$ 일 때, $t=0$ 에서의 $dz/dt$ 의 값을 구하라.
풀이. $x,y$가 모두 한 변수 $t$의 함수이므로 경우 1이 적용된다. $z_x=2xy+3y^4$, $z_y=x^2+12xy^3$이고, $dx/dt=2\cos 2t$, $dy/dt=-\sin t$이므로
$t=0$일 때 $x=\sin 0=0$, $y=\cos 0=1$이다. 이 값을 대입하면 첫째 괄호는 $2(0)(1)+3(1)^4=3$, 둘째 괄호는 $0^2+12(0)(1)^3=0$이 되므로
따라서 $dz/dt|_{t=0}=6$이다.
Let $z=x^2y+3xy^4$, where $x=\sin 2t$ and $y=\cos t$. Evaluate $dz/dt$ at $t=0$.
Solution. Since $x$ and $y$ are both functions of the single variable $t$, Case 1 applies. Here $z_x=2xy+3y^4$, $z_y=x^2+12xy^3$, while $dx/dt=2\cos 2t$ and $dy/dt=-\sin t$, so
At $t=0$, $x=\sin 0=0$ and $y=\cos 0=1$. Substituting, the first bracket becomes $2(0)(1)+3(1)^4=3$ and the second becomes $0^2+12(0)(1)^3=0$, so
Hence $dz/dt|_{t=0}=6$.
1몰의 이상기체에서 압력 $P$ (킬로파스칼), 부피 $V$ (리터), 온도 $T$ (켈빈) 사이에는 관계식 $PV=8.31T$ 가 성립한다. 온도가 $300$ K이고 초당 $0.1$ K의 비율로 오르며, 같은 순간 부피가 $100$ L이고 초당 $0.2$ L의 비율로 늘어나고 있을 때, 압력이 변하는 비율을 구하라.
풀이. $PV=8.31T$에서 $P=8.31T/V$이고, $T,V$가 모두 시간 $t$의 함수이므로 경우 1을 적용하면
주어진 순간에 $T=300$, $dT/dt=0.1$, $V=100$, $dV/dt=0.2$이므로 대입하면
값이 음수이므로 그 순간 압력은 초당 $0.04155$ kPa, 곧 약 $0.042$ kPa의 비율로 감소하고 있다.
For one mole of an ideal gas the pressure $P$ (in kilopascals), the volume $V$ (in liters) and the temperature $T$ (in kelvins) are related by $PV=8.31T$. Find the rate at which the pressure is changing at the instant when the temperature is $300$ K and rising at $0.1$ K/s while the volume is $100$ L and increasing at $0.2$ L/s.
Solution. From $PV=8.31T$, $P=8.31T/V$, and since both $T$ and $V$ are functions of time $t$, Case 1 gives
At the instant in question $T=300$, $dT/dt=0.1$, $V=100$, $dV/dt=0.2$, so
The value is negative, so at that instant the pressure is falling at $0.04155$ kPa/s, about $0.042$ kPa/s.
$z=e^{x}\sin y$ 이고 $x=st^2$, $y=s^2t$ 일 때, 두 편도함수 $\partial z/\partial s$ 와 $\partial z/\partial t$ 를 $s,t$ 만의 식으로 구하라.
풀이. $x,y$가 모두 $s,t$의 함수이므로 경우 2를 적용한다. $z_x=e^x\sin y$, $z_y=e^x\cos y$이고, $x=st^2$에서 $x_s=t^2$, $x_t=2st$, $y=s^2t$에서 $y_s=2st$, $y_t=s^2$이므로
$x=st^2$, $y=s^2t$를 대입하여 $s,t$만의 식으로 정리하면
Let $z=e^{x}\sin y$, where $x=st^2$ and $y=s^2t$. Find $\partial z/\partial s$ and $\partial z/\partial t$, expressed in terms of $s$ and $t$ alone.
Solution. Since $x$ and $y$ are both functions of $s$ and $t$, Case 2 applies. Here $z_x=e^x\sin y$, $z_y=e^x\cos y$, and from $x=st^2$, $x_s=t^2$, $x_t=2st$, while from $y=s^2t$, $y_s=2st$, $y_t=s^2$, so
Substituting $x=st^2$ and $y=s^2t$ to express the result in terms of $s$ and $t$ alone gives
$w=f(x,y,z,t)$ 이고 네 변수 $x,y,z,t$ 가 각각 $u$ 와 $v$ 의 함수 $x=x(u,v)$, $y=y(u,v)$, $z=z(u,v)$, $t=t(u,v)$ 일 때, 이 경우에 해당하는 연쇄법칙을 모두 써 내라. (모든 함수는 미분가능하다고 가정한다.)
풀이. 이 상황은 일반형 연쇄법칙에서 중간변수가 $n=4$개($x,y,z,t$), 독립변수가 $m=2$개($u,v$)인 경우이다. 종속변수 $w$에서 각 중간변수로 가지가 뻗고, 그 네 중간변수 각각에서 다시 $u$와 $v$로 가지가 뻗는 위 그림의 수형도를 보면, $w$에서 $u$로 가는 경로가 넷, $w$에서 $v$로 가는 경로도 넷임을 알 수 있다. 정리 3에 따라 각 경로의 편도함수 곱을 모두 더하면
를 얻는다. 각 식에는 중간변수의 개수와 같은 네 항이 있다.
Suppose $w=f(x,y,z,t)$, where each of the four variables is a function of $u$ and $v$: $x=x(u,v)$, $y=y(u,v)$, $z=z(u,v)$ and $t=t(u,v)$. Assuming all the functions are differentiable, write out the Chain Rule for this case.
Solution. This is the general Chain Rule with $n=4$ intermediate variables ($x,y,z,t$) and $m=2$ independent variables ($u,v$). The tree above, with branches from the dependent variable $w$ to each intermediate variable and from each of those four to $u$ and to $v$, shows there are four paths from $w$ to $u$ and four from $w$ to $v$. Theorem 3 sums the product of partial derivatives along each path:
Each equation has four terms, one per intermediate variable.
$u=x^4y+y^2z^3$ 이고 $x=rse^{t}$, $y=rs^2e^{-t}$, $z=r^2s\sin t$ 일 때, $r=2$, $s=1$, $t=0$ 에서의 $\partial u/\partial s$ 의 값을 구하라.
풀이. 중간변수가 $x,y,z$ 셋, 독립변수가 $r,s,t$ 셋인 경우이다. 위 수형도에서 색으로 강조한 것처럼 $u$에서 $s$로 가는 경로는 $u\to x\to s$, $u\to y\to s$, $u\to z\to s$의 셋이고, 일반형 연쇄법칙은 그 세 경로 각각의 편도함수 곱을 더한다.
필요한 도함수는 $\partial u/\partial x=4x^3y$, $\partial u/\partial y=x^4+2yz^3$, $\partial u/\partial z=3y^2z^2$이고, $\partial x/\partial s=re^{t}$, $\partial y/\partial s=2rse^{-t}$, $\partial z/\partial s=r^2\sin t$이다.
$r=2,\,s=1,\,t=0$에서는 $x=2,\,y=2,\,z=0$이므로 $\partial u/\partial x=4(2)^3(2)=64$, $\partial u/\partial y=2^4+2(2)(0)^3=16$, $\partial u/\partial z=3(2)^2(0)^2=0$이고, $\partial x/\partial s=2e^{0}=2$, $\partial y/\partial s=2(2)(1)e^{0}=4$, $\partial z/\partial s=2^2\sin 0=0$이다.
세 경로의 값을 곱하여 더하면
따라서 $\partial u/\partial s=192$이다.
Let $u=x^4y+y^2z^3$, where $x=rse^{t}$, $y=rs^2e^{-t}$ and $z=r^2s\sin t$. Find the value of $\partial u/\partial s$ when $r=2$, $s=1$ and $t=0$.
Solution. There are three intermediate variables $x,y,z$ and three independent variables $r,s,t$. As the highlighted branches in the tree diagram above show, the paths from $u$ to $s$ are $u\to x\to s$, $u\to y\to s$ and $u\to z\to s$, and the general Chain Rule adds the product of partial derivatives along each of the three.
The derivatives needed are $\partial u/\partial x=4x^3y$, $\partial u/\partial y=x^4+2yz^3$, $\partial u/\partial z=3y^2z^2$, together with $\partial x/\partial s=re^{t}$, $\partial y/\partial s=2rse^{-t}$, $\partial z/\partial s=r^2\sin t$.
At $r=2,\,s=1,\,t=0$ we have $x=2,\,y=2,\,z=0$, so $\partial u/\partial x=4(2)^3(2)=64$, $\partial u/\partial y=2^4+2(2)(0)^3=16$, $\partial u/\partial z=3(2)^2(0)^2=0$, while $\partial x/\partial s=2e^{0}=2$, $\partial y/\partial s=2(2)(1)e^{0}=4$, $\partial z/\partial s=2^2\sin 0=0$.
Multiplying and adding along the three paths,
Hence $\partial u/\partial s=192$.
미분가능한 함수 $f$ 에 대하여 $g(s,t)=f(s^2-t^2,\;t^2-s^2)$ 로 정의하자. 이때 $g$ 가 다음 등식을 만족함을 보여라.
증명. $x=s^2-t^2$, $y=t^2-s^2$로 두면 $g(s,t)=f(x,y)$이고 $x,y$는 모두 $s,t$의 함수이므로 경우 2가 적용된다. $x_s=2s$, $y_s=-2s$, $x_t=-2t$, $y_t=2t$이므로
따라서
Let $f$ be differentiable and put $g(s,t)=f(s^2-t^2,\;t^2-s^2)$. Show that $g$ satisfies the equation
Proof. Write $x=s^2-t^2$ and $y=t^2-s^2$, so $g(s,t)=f(x,y)$ with $x,y$ both functions of $s,t$, and Case 2 applies. Since $x_s=2s$, $y_s=-2s$, $x_t=-2t$, $y_t=2t$,
Hence
$z=f(x,y)$ 의 이계 편도함수가 모두 연속이라 하고 $x=r^2+s^2$, $y=2rs$ 라 하자. 다음을 $z$ 의 편도함수들로 나타내라.
(a) $\dfrac{\partial z}{\partial r}$
(b) $\dfrac{\partial^2 z}{\partial r^2}$
(a) $x,y$가 모두 $r,s$의 함수이므로 경우 2가 적용된다. $x_r=2r$, $y_r=2s$이므로
(b) 위 식을 다시 $r$에 대해 미분한다. $z_x,z_y$는 여전히 $x,y$의 함수이므로 이들도 경우 2로 $r$에 대해 미분해야 한다. 곱미분법과 연쇄법칙을 함께 쓰면
여기서 $\partial z/\partial x$를 하나의 새 함수로 보고 경우 2를 적용하면 $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial x}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x^2}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}(2s)$이고, 같은 방식으로 $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial y}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y^2}(2s)$이다. $z$의 이계 편도함수가 모두 연속이므로 클레로 정리에 의해 $\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}$이고, 이를 대입해 정리하면
Suppose $z=f(x,y)$ has continuous second-order partial derivatives, and let $x=r^2+s^2$ and $y=2rs$. Find expressions, in terms of the partial derivatives of $z$, for
(a) $\dfrac{\partial z}{\partial r}$
(b) $\dfrac{\partial^2 z}{\partial r^2}$
(a) Since $x$ and $y$ are both functions of $r$ and $s$, Case 2 applies. With $x_r=2r$ and $y_r=2s$,
(b) Differentiate the last expression in $r$ once more. Since $z_x$ and $z_y$ are themselves functions of $x$ and $y$, they too must be differentiated in $r$ via Case 2. Combining the product rule with the Chain Rule,
Treating $\partial z/\partial x$ as a new function and applying Case 2 gives $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial x}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x^2}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}(2s)$, and likewise $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial y}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y^2}(2s)$. Because the second-order partials of $z$ are continuous, Clairaut's Theorem gives $\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}$, and substituting this and simplifying leaves
방정식 $x^3+y^3=6xy$ 가 $y$ 를 $x$ 의 함수로 정의한다고 할 때, 공식 (5)를 이용하여 $y'$ 을 구하라.
풀이. $F(x,y)=x^3+y^3-6xy$로 두면 주어진 방정식은 $F(x,y)=0$이다. $F_x=3x^2-6y$, $F_y=3y^2-6x$이고, 공식 (5)는 $F_y\neq0$인 점, 곧 $y^2\neq2x$인 점에서 쓸 수 있다. 그런 점에서
따라서 $y'=-\dfrac{x^2-2y}{y^2-2x}$이다.
The equation $x^3+y^3=6xy$ defines $y$ implicitly as a function of $x$. Use formula (5) to find $y'$.
Solution. Let $F(x,y)=x^3+y^3-6xy$, so the given equation reads $F(x,y)=0$. Here $F_x=3x^2-6y$ and $F_y=3y^2-6x$, and formula (5) is available at any point where $F_y\neq0$, that is, where $y^2\neq2x$. At such a point
Hence $y'=-\dfrac{x^2-2y}{y^2-2x}$.
방정식 $x^3+y^3+z^3+6xyz+4=0$ 이 $z$ 를 $x,y$ 의 함수로 정의한다고 할 때, 공식 (6)을 이용하여 $\partial z/\partial x$ 와 $\partial z/\partial y$ 를 구하라.
풀이. $F(x,y,z)=x^3+y^3+z^3+6xyz+4$로 두면 주어진 방정식은 $F(x,y,z)=0$이다. 편도함수는 $F_x=3x^2+6yz$, $F_y=3y^2+6xz$, $F_z=3z^2+6xy$이고, 공식 (6)은 $F_z\neq0$인 점, 곧 $z^2+2xy\neq0$인 점에서 쓸 수 있다. 그런 점에서
같은 곡면을 §14.3 예제 5에서는 양변을 직접 편미분해 풀었다. 결과가 일치하며, 공식 (6)은 그 계산을 한 번에 정리한 것이다.
The equation $x^3+y^3+z^3+6xyz+4=0$ defines $z$ implicitly as a function of $x$ and $y$. Use formulas (6) to find $\partial z/\partial x$ and $\partial z/\partial y$.
Solution. Let $F(x,y,z)=x^3+y^3+z^3+6xyz+4$, so the given equation reads $F(x,y,z)=0$. Its partial derivatives are $F_x=3x^2+6yz$, $F_y=3y^2+6xz$, $F_z=3z^2+6xy$, and formulas (6) are available wherever $F_z\neq0$, that is, wherever $z^2+2xy\neq0$. At such a point
The same surface was handled in §14.3, Example 5 by differentiating the equation directly; the answers agree, and formulas (6) simply package that computation.
연결 · Links
(a) 강의 노트 대응 — 미적분학 2 단원 06
- 연쇄법칙 경우 1·경우 2·일반형 — ex03, yu03-1, yu03-2, yu03-3 (부분 대응: 계산 예제만 있고 정리·증명은 서술되지 않음)
- 수형도와 중간변수 용어 — 대응 없음 (강의 노트에는 그림이 없다)
- 음함수 미분 공식 (5)·(6) — ex04, yu04 (부분 대응: 매번 양변을 직접 미분할 뿐 공식으로 정리하지 않음)
- 이계 편도함수의 연쇄법칙 (예제 7) — pr07 (부분 대응: 일계까지만)
- 관련 변화율 응용 (예제 2 계열) — yu03-4 (부분 대응: 옴의 법칙 한 문항)
- 극좌표 항등식 (연습문제 49) — pr07 (완전 대응)
- 동차함수 (연습문제 56–58) — pr09 (완전 대응)
(b) 공통과제 (§14.5)
제출 문항: 12, 19, 27, 38, 49 / 학습 참고: 3–8, 11–16, 17–20, 25–30, 31–34, 35–38, 49–50, 51–55
(c) 이웃 절 — 이전: §14.4 접평면과 선형근사 / 다음: §14.6 방향도함수와 기울기 벡터
(a) Corresponding lecture notes — Calculus II, Unit 06
- Chain Rule, Cases 1 and 2 and the general version — ex03, yu03-1, yu03-2, yu03-3 (partial: worked computations only, with no statement or proof of the theorems)
- Tree diagrams and the term "intermediate variable" — no match (the lecture notes carry no figures)
- Implicit differentiation formulas (5) and (6) — ex04, yu04 (partial: both sides are differentiated directly each time, never packaged as a formula)
- Chain Rule for a second derivative (Example 7) — pr07 (partial: first order only)
- Related rates applications (the Example 2 type) — yu03-4 (partial: a single problem on Ohm's law)
- Polar-coordinate identity (Exercise 49) — pr07 (full match)
- Homogeneous functions (Exercises 56–58) — pr09 (full match)
(b) Assignment (§14.5)
Problems to submit: 12, 19, 27, 38, 49 / Recommended practice: 3–8, 11–16, 17–20, 25–30, 31–34, 35–38, 49–50, 51–55
(c) Neighboring sections — Previous: §14.4 Tangent Planes and Linear Approximations / Next: §14.6 Directional Derivatives and the Gradient Vector