이계도함수와 그래프의 오목·볼록

위로 볼록의 뜻을 떠올려요. 위로 볼록은 $f''<0$ 이라는 뜻이에요. 그래프가 모양만 위로 볼록할 뿐, 높이가 어디에 있는지는 정해 주지 않아요.

반례를 찾아요. $y=-x^2-1$ 을 보세요. $y''=-2<0$ 이라 어디서나 위로 볼록이지만, $-x^2-1\le -1<0$ 이라 $x$ 축 아래에만 있어서 $y=0$ 을 지나지 않아요. 또 $y=\sqrt{x}$ 도 $x>0$ 에서 $y''<0$ 으로 위로 볼록이지만 $x>0$ 인 부분에서는 $y>0$ 이라 $y=0$ 을 지나지 않아요.

결론을 내려요. 반례가 있으므로 위로 볼록한 함수가 반드시 $y=0$ 을 지나는 것은 아니에요.

왜 이렇게 할까요? 그래프가 $f$ 가 아니라 $f'$ 예요. $f''$ 은 $f'$ 를 미분한 것이니, $f'$ 그래프가 오르는지 내리는지(기울기의 부호)만 보면 돼요.

그래프를 읽어요. $f'(x)$ 는 원점을 지나는 직선이고 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 올라가요. 즉 기울기가 양수인 일차함수 모양이에요.

$f''$ 의 부호를 알아내요. 직선의 기울기는 어디서나 같고 양수이므로 모든 $x$ 에서 $f''(x)>0$ 이에요.

결론을 내려요. $f''>0$ 이면 $f$ 는 아래로 볼록해요. 모든 $x$ 에서 부호가 같으므로 $f''$ 의 부호가 바뀌는 곳이 없고, 변곡점도 없어요. (참고로 $f'$ 가 $x=0$ 에서 0 이므로 $x=0$ 은 $f$ 의 극소점이지만, 변곡점은 아니에요.)

이계도함수를 구해요. $f'(x)=3x^2-8x+1$ 이고 다시 미분하면 $$f''(x)=6x-8$$

$f''=0$ 인 점을 찾아요. $6x-8=0$ 에서 $x=\dfrac43$ 이에요.

a: 부호를 구간별로 살펴요. $x>\tfrac43$ 이면 $f''(x)>0$ 이라 아래로 볼록이고, $x<\tfrac43$ 이면 $f''(x)<0$ 이라 위로 볼록이에요.

b: 변곡점이에요. $x=\tfrac43$ 의 앞뒤에서 $f''$ 의 부호가 바뀌므로 변곡점이에요. $y$ 좌표는 $f\!\left(\tfrac43\right)=\tfrac{64}{27}-\tfrac{64}{9}+\tfrac43+2=-\tfrac{38}{27}$ 이므로 변곡점은 $\left(\tfrac43,-\tfrac{38}{27}\right)$ 예요.

왜 이렇게 할까요? 증가·감소는 $f'$ 의 부호, 오목·볼록은 $f''$ 의 부호로 알 수 있어요. 먼저 두 도함수를 구해요.

일계도함수. $f(x)=(1-x)^{-1}$ 이므로 $$f'(x)=(1-x)^{-2}=\frac{1}{(1-x)^2}$$ 분모가 제곱이라 $x\ne1$ 인 모든 $x$ 에서 $f'(x)>0$ 이에요. 따라서 $f$ 는 정의된 모든 곳에서 증가하고, $f'=0$ 이 되는 점이 없으니 극값도 없어요.

이계도함수. $$f''(x)=\frac{2}{(1-x)^3}$$ 분자는 양수이므로 부호는 $(1-x)^3$ 이 정해요. $x<1$ 이면 $1-x>0$ 이라 $f''>0$ (아래로 볼록), $x>1$ 이면 $1-x<0$ 이라 $f''<0$ (위로 볼록) 이에요.

변곡점을 따져요. $f''$ 의 부호가 $x=1$ 에서 바뀌지만, $x=1$ 은 정의역에 없어서 곡선 위의 점이 아니에요(수직 점근선). 그래서 변곡점은 없어요.

그래프 모양. $x=1$ 이 수직 점근선이고 $y=0$ 이 수평 점근선이에요. 왼쪽 가지는 위로 올라가다 아래로 볼록하고, 오른쪽 가지는 음수 쪽에서 올라가며 위로 볼록해요.