다변수 연쇄 법칙

공식, 응용, 그리고 상세한 단계별 풀이

다변수 연쇄 법칙 소개

내부 변수 자체가 하나 이상의 독립 매개변수의 함수인 다변수 함수를 다룰 때, 다변수 연쇄 법칙을 사용하면 해당 매개변수에 대한 합성 함수의 도함수를 계산할 수 있습니다.

단일 독립 매개변수

\( x \), \( y \), \( z \)가 모두 단일 변수 \( t \)의 함수인 함수 \( f(x, y, z) \)가 주어졌을 때, \( t \)에 대한 \( f \)의 전도함수는 \( f \)의 편도함수와 내부 변수의 표준 도함수의 곱들의 합으로 계산됩니다:

\[ \dfrac{df}{dt} = \dfrac{\partial f}{\partial x}\dfrac{dx}{dt} + \dfrac{\partial f}{\partial y}\dfrac{dy}{dt} + \dfrac{\partial f}{\partial z}\dfrac{dz}{dt} \]

복수의 독립 매개변수 (확장된 연쇄 법칙)

함수 \( f(x, y) \)의 내부 변수 \( x \)와 \( y \)가 \( t \) 및 \( r \)과 같은 여러 매개변수의 함수인 경우, 확장된 연쇄 법칙을 사용하여 각 매개변수에 대한 \( f \)의 편도함을 구합니다:

\[ \dfrac{\partial f}{\partial t} = \dfrac{\partial f}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial t} + \dfrac{\partial f}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial t} \] \[ \dfrac{\partial f}{\partial r} = \dfrac{\partial f}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial r} + \dfrac{\partial f}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial r} \]

다변수 연쇄 법칙 활용 예제

각 예제를 클릭하여 단계별 상세 풀이를 확인하세요.

예제 1

\( U \)는 \( x \), \( y \), \( z \)의 함수이며 다음과 같이 주어집니다:

\[ U = e^{xy} - \frac{1}{z} \]

\( x \), \( y \), \( z \)는 \( t \)의 함수입니다:

\[ x = 2t^2 + t, \quad y = 2 + \ln(t), \quad z = t - 2 \]

\(\dfrac{dU}{dt}\)를 구하세요.

예제 1 풀이 보기

먼저 다변수 연쇄 법칙을 설정하여 \(\dfrac{dU}{dt}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{dU}{dt} = \dfrac{\partial U}{\partial x}\dfrac{dx}{dt} + \dfrac{\partial U}{\partial y}\dfrac{dy}{dt} + \dfrac{\partial U}{\partial z}\dfrac{dz}{dt} \]

다음으로 위 공식의 각 항을 계산합니다 (참고: \(-z^{-1}\)의 도함수는 \(+z^{-2}\)입니다):

\[ \dfrac{\partial U}{\partial x} = y e^{xy}, \quad \dfrac{\partial U}{\partial y} = x e^{xy}, \quad \dfrac{\partial U}{\partial z} = \frac{1}{z^2} \] \[ \dfrac{dx}{dt} = 4t + 1, \quad \dfrac{dy}{dt} = \frac{1}{t}, \quad \dfrac{dz}{dt} = 1 \]

이들을 연쇄 법칙 공식에 대입합니다:

\[ \dfrac{dU}{dt} = \left(y e^{xy}\right) (4t + 1) + \left(x e^{xy}\right) \left(\frac{1}{t}\right) + \left(\frac{1}{z^2}\right) (1) \]

\(e^{xy}\)로 묶고 \(x, y,\) 및 \(z\)를 \(t\)에 대한 함수로 바꿉니다:

\[ = \left(4ty + y + \frac{x}{t}\right)e^{(2t^2 + t)(2 + \ln(t))} + \frac{1}{(t - 2)^2} \]

괄호 안의 식을 전개하여 최종 결과를 구합니다:

\[ = (4t\ln(t) + \ln(t) + 10t + 3)e^{(2t^2 + t)(2 + \ln(t))} + \frac{1}{(t - 2)^2} \]

예제 2

\( W \)는 \( x \)와 \( y \)의 함수이며 다음과 같이 주어집니다:

\[ W = \sqrt{x^2+y^2} \]

\( x \)와 \( y \)는 \( r \)과 \( \theta \)의 함수로 다음과 같습니다:

\[ x = r \cos(\theta), \quad y = r \sin(\theta) \]

\( r \ge 0 \)이고 \( 0 \le \theta \le 2\pi \)일 때, \(\dfrac{\partial W}{\partial r}\)과 \(\dfrac{\partial W}{\partial \theta}\)를 구하세요.

예제 2 풀이 보기

확장된 다변수 연쇄 법칙을 사용하여 두 편도함수를 모두 구합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial r} = \dfrac{\partial W}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial r} + \dfrac{\partial W}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial r} \] \[ \dfrac{\partial W}{\partial \theta} = \dfrac{\partial W}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial \theta} + \dfrac{\partial W}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial \theta} \]

모든 개별 구성 요소를 계산합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}, \quad \dfrac{\partial x}{\partial r} = \cos(\theta) \] \[ \dfrac{\partial W}{\partial y} = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}, \quad \dfrac{\partial y}{\partial r} = \sin(\theta) \] \[ \dfrac{\partial x}{\partial \theta} = -r \sin(\theta), \quad \dfrac{\partial y}{\partial \theta} = r \cos(\theta) \]

대입하고 정리하여 \(\dfrac{\partial W}{\partial r}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial r} = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}} \cos(\theta) + \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} \sin(\theta) \]

\(x = r \cos(\theta)\), \(y = r \sin(\theta)\), 그리고 \(\sqrt{x^2+y^2} = r\)이므로 다음과 같이 됩니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial r} = \frac{r \cos(\theta)}{r} \cos(\theta) + \frac{r \sin(\theta)}{r} \sin(\theta) = \cos^2(\theta) + \sin^2(\theta) = 1 \]

대입하고 정리하여 \(\dfrac{\partial W}{\partial \theta}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial \theta} = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}} (-r \sin(\theta)) + \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}} (r \cos(\theta)) \] \[ \dfrac{\partial W}{\partial \theta} = \frac{r \cos(\theta)}{r} (-r \sin(\theta)) + \frac{r \sin(\theta)}{r} (r \cos(\theta)) = -r\cos(\theta)\sin(\theta) + r\cos(\theta)\sin(\theta) = 0 \]

참고: 위 과정은 처음부터 \(x\)와 \(y\)를 \(W\)에 직접 대입하여 훨씬 더 빠르게 풀 수도 있습니다:

\[ W = \sqrt{x^2+y^2} = \sqrt{(r\cos \theta)^2+(r\sin \theta)^2} = \sqrt{r^2(\cos^2 \theta + \sin^2 \theta)} = r \]

이로부터 \(\dfrac{\partial W}{\partial r} = 1\)과 \(\dfrac{\partial W}{\partial \theta} = 0\)임을 쉽게 얻을 수 있습니다. 이 예제는 연쇄 법칙이 직접 대입 결과와 일치함을 검증하는 역할을 합니다.

예제 3

\( W \)는 \( x \)와 \( y \)의 함수이며 다음과 같이 주어집니다:

\[ W = \ln(x + y) - \sin(x + y) \]

\( x \)와 \( y \)는 \( u \)와 \( v \)의 함수로 다음과 같습니다:

\[ x = u^2 + v^2, \quad y = u + v \]

\(\dfrac{\partial W}{\partial u}\)와 \(\dfrac{\partial W}{\partial v}\)를 구하세요.

예제 3 풀이 보기

\(u\)와 \(v\)에 대한 확장된 다변수 연쇄 법칙은 다음과 같습니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial u} = \dfrac{\partial W}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial u} + \dfrac{\partial W}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial u} \] \[ \dfrac{\partial W}{\partial v} = \dfrac{\partial W}{\partial x} \dfrac{\partial x}{\partial v} + \dfrac{\partial W}{\partial y} \dfrac{\partial y}{\partial v} \]

필요한 편도함수들을 계산합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial x} = \frac{1}{x+y} - \cos(x + y), \quad \dfrac{\partial x}{\partial u} = 2u \] \[ \dfrac{\partial W}{\partial y} = \frac{1}{x+y} - \cos(x + y), \quad \dfrac{\partial y}{\partial u} = 1 \] \[ \dfrac{\partial x}{\partial v} = 2v, \quad \dfrac{\partial y}{\partial v} = 1 \]

항들을 대입하여 \(\dfrac{\partial W}{\partial u}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial u} = \left(\frac{1}{x+y} - \cos(x + y)\right) 2u + \left(\frac{1}{x+y} - \cos(x + y)\right) (1) \] \[ = (2u + 1) \frac{1}{x+y} - (2u + 1) \cos(x + y) \]

항들을 대입하여 \(\dfrac{\partial W}{\partial v}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{\partial W}{\partial v} = \left(\frac{1}{x+y} - \cos(x + y)\right) 2v + \left(\frac{1}{x+y} - \cos(x + y)\right) (1) \] \[ = (2v + 1) \frac{1}{x+y} - (2v + 1) \cos(x + y) \]

예제 4

치수가 각각 \( L \), \( W \), \( H \)인 직육면체의 부피 공식은 다음과 같습니다:

\[ V = LWH \]

길이 \( L = 50\text{ cm} \)이고 \( 0.2\text{ cm/s} \)의 비율로 증가하며, 너비 \( W = 40\text{ cm} \)이고 \( 0.1\text{ cm/s} \)의 비율로 증가하고, 높이 \( H = 30\text{ cm} \)이고 \( 0.1\text{ cm/s} \)의 비율로 감소할 때, 부피 \( V \)가 변하는 비율(\(\text{cm}^3/\text{s}\))을 구하세요.

예제 4 풀이 보기

치수 \( L \), \( W \), \( H \)는 시간 \( t \)에 따라 변하므로 부피 \( V \) 역시 시간에 따라 변합니다. 연쇄 법칙을 사용하여 \(\dfrac{dV}{dt}\)를 구합니다:

\[ \dfrac{dV}{dt} = \dfrac{\partial V}{\partial L}\dfrac{dL}{dt} + \dfrac{\partial V}{\partial W}\dfrac{dW}{dt} + \dfrac{\partial V}{\partial H}\dfrac{dH}{dt} \]

편도함수를 구하고 변화율을 확인합니다:

\[ \dfrac{\partial V}{\partial L} = WH, \quad \dfrac{dL}{dt} = 0.2 \] \[ \dfrac{\partial V}{\partial W} = LH, \quad \dfrac{dW}{dt} = 0.1 \] \[ \dfrac{\partial V}{\partial H} = LW, \quad \dfrac{dH}{dt} = -0.1 \]

주어진 순간 값(\(L=50, W=40, H=30\))을 대입하여 \(\dfrac{dV}{dt}\)를 계산합니다:

\[ \dfrac{dV}{dt} = (40)(30)(0.2) + (50)(30)(0.1) + (50)(40)(-0.1) \] \[ \dfrac{dV}{dt} = 240 + 150 - 200 = 190 \text{ cm}^3/\text{s} \]

예제 5

저항이 각각 \( R_1 \)인 것과 \( R_2 \)인 두 저항이 병렬로 연결되어 있을 때의 합성 저항 \( R \)은 다음과 같습니다:

\[ R = \frac{R_1 R_2}{R_1+R_2} \]

저항 \( R_1 \)과 \( R_2 \)는 온도 \( T \)에 따라 다음 공식을 따릅니다:

\[ R_1 = R_{10}(1 + \alpha(T - T_0)), \quad R_2 = R_{20}(1 + \beta(T - T_0)) \]

여기서 \( R_{10} \), \( R_{20} \), \( \alpha \), \( \beta \), 및 \( T_0 \)는 상수입니다. 변화율 \(\dfrac{dR}{dT}\)를 구하세요.

예제 5 풀이 보기

\(\dfrac{dR}{dT}\)는 연쇄 법칙에 의해 다음과 같이 구해집니다:

\[ \dfrac{dR}{dT} = \dfrac{\partial R}{\partial R_1}\dfrac{dR_1}{dT} + \dfrac{\partial R}{\partial R_2}\dfrac{dR_2}{dT} \]

몫의 미분법을 사용하여 \(R\)의 편도함수를 구하고, \(T\)에 대한 \(R_1\)과 \(R_2\)의 도함수를 구합니다:

\[ \dfrac{\partial R}{\partial R_1} = \frac{R_2(R_1+R_2) - R_1 R_2(1)}{(R_1+R_2)^2} = \frac{R_2^2}{(R_1+R_2)^2}, \quad \dfrac{dR_1}{dT} = R_{10} \alpha \] \[ \dfrac{\partial R}{\partial R_2} = \frac{R_1(R_1+R_2) - R_1 R_2(1)}{(R_1+R_2)^2} = \frac{R_1^2}{(R_1+R_2)^2}, \quad \dfrac{dR_2}{dT} = R_{20} \beta \]

이 항들을 연쇄 법칙 방정식에 다시 대입합니다:

\[ \dfrac{dR}{dT} = \frac{R_2^2}{(R_1+R_2)^2} (R_{10} \alpha) + \frac{R_1^2}{(R_1+R_2)^2} (R_{20} \beta) \]

하나의 분수로 합칩니다:

\[ \dfrac{dR}{dT} = \frac{R_2^2 R_{10} \alpha + R_1^2 R_{20} \beta}{(R_1+R_2)^2} \]

더 많은 참고 자료 및 링크