교재: OpenStax Calculus Volume 1–3 (공개 교재)
먼저 알아야 할 것
- 함수 (대학수학) → 극한
- 함수의 변환과 합성 (대학수학) → 연쇄 법칙
- 지수함수 (대학수학) → 수열의 극한과 e, 미분방정식과 오일러 방법
- 로그 (대학수학) → 미분 법칙
- 사인파 (대학수학) → 푸리에 급수
- 삼각함수 항등식 (대학수학) → 미분 법칙
- 극좌표와 매개변수 곡선 (대학수학) → 중적분과 변수변환
- 복소수의 극형식과 오일러 공식 (대학수학) → 푸리에 변환과 합성곱
- 수열과 합의 기호 (대학수학) → 수열의 극한과 e, 정적분과 리만 합
- 등비급수 (대학수학) → 급수의 수렴
- 합의 계산과 어림 (이산수학) → 합 ↔ 적분
- 벡터 (선형대수학) → 다변수 함수와 편미분
- 내적과 노름 (선형대수학) → 그래디언트와 방향도함수
- 행렬 곱셈과 전치 (선형대수학) → 다변수 연쇄 법칙과 야코비 행렬
- 행렬식 (선형대수학) → 중적분과 변수변환
- 직교성과 직교 사영 (선형대수학) → 푸리에 급수
- 최소제곱법 (선형대수학) → 행렬 미분
- 양의 정부호 행렬과 이차형식 (선형대수학) → 헤세 행렬과 극값 판정
1단원 · 극한과 연속
읽기 전에
- (x² − 1)/(x − 1)은 x = 1에서 값이 없다. 그 근처에서는 어떤 값에 가까워질까? → 극한
- x³ − x − 2 = 0의 근이 1과 2 사이에 있다는 것을 근을 구하지 않고 어떻게 알 수 있을까? → 연속과 사잇값 정리
- 걸음 폭이 점점 작아지면 결국 어딘가에 멈출까? → 수열의 극한과 e
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 01 | 극한 | 한없이 다가갈 때 가까워지는 값. ε-δ 정의 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 02 | 연속과 사잇값 정리 | 부호가 바뀌면 그 사이에 근이 있다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 03 | 수열의 극한과 e | 수열의 수렴, 단조 유계 수렴, (1 + 1/n)n → e | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 노트를 닫고 함수의 극한과 수열의 극한을 ε으로 쓴 두 정의를 나란히 적고, 연속의 세 조건과 이분법이 사잇값 정리에 기대는 이유를 덧붙인다.
2단원 · 미분
읽기 전에
- 수치 미분에서 h를 1e-15처럼 아주 작게 하면 더 정확해질까? → 도함수
- sin(x²)를 미분하면 cos(2x)일까? → 연쇄 법칙
- 도함수가 0인 점은 늘 봉우리나 골짜기일까? → 도함수의 활용과 최적화
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 04 | 도함수 | 순간 변화율 = 접선의 기울기 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 05 | 미분 법칙 | 합·곱·몫, ex·ln x·sin x의 도함수 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 06 | 연쇄 법칙 | 합성함수의 변화율은 변화율들의 곱. 역함수·음함수 미분 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | 미분 계산 예제 사다리 |
| 07 | 도함수의 활용과 최적화 | 증가·감소, 극값, 볼록성으로 최대·최소를 찾는다 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | 최적화 문제 예제 사다리 |
| 08 | 평균값 정리 | 평균 변화율과 같은 순간 변화율이 어딘가에 있다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 09 | 로피탈 정리와 증가 속도 | 0/0, ∞/∞ 꼴 극한. log ≪ 다항 ≪ 지수 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 10 | 선형 근사와 뉴턴 방법 | 곡선을 접선으로 근사하고, 접선의 영점으로 근을 빨리 찾는다 | 그림1 · 그림2 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 미분 법칙표를 빈 종이에 다시 쓰고, 연쇄 법칙으로 시그모이드의 도함수를 유도한 뒤, 최적화 문제의 네 하위목표를 적어 본다.
3단원 · 적분
읽기 전에
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 11 | 정적분과 리만 합 | 잘게 나눈 직사각형 넓이 합의 극한 = 누적량 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 12 | 미적분의 기본정리 | 적분과 미분은 서로를 되돌린다 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 13 | 치환적분 | 연쇄 법칙을 거꾸로 쓴다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 14 | 부분적분 | 곱의 미분을 거꾸로 쓴다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | 적분 계산 예제 사다리 |
| 15 | 이상적분 | 무한 구간과 무한 값을 극한으로 다룬다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 16 | 합 ↔ 적분 | 넓이로 합을 위아래에서 끼운다. Hn ≈ ln n, ln n! ≈ n ln n − n | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 노트를 닫고 리만 합의 정의, 기본정리의 두 부분, 치환과 부분적분을 가르는 신호를 적고, 조화수를 적분으로 끼우는 그림을 그려 본다.
4단원 · 급수
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 17 | 급수의 수렴 | 무한히 더해도 유한한 조건. 비교·비·적분 판정 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 18 | 테일러 급수 | 한 점의 미분 정보로 함수를 다항식으로 근사. 오차 한계 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 판정법 다섯 가지를 언제 쓰는지와 함께 적고, e^x·sin x·cos x·ln(1+x)의 급수와 성립 범위, 테일러 나머지 한계를 써 본다.
5단원 · 다변수 미분
읽기 전에
- 산 위에서 가장 가파르게 오르는 방향은 어떻게 알 수 있을까? → 그래디언트와 방향도함수
- 신경망은 수백만 개 가중치의 기울기를 왜 한 번의 역방향 계산으로 다 얻을까? → 연쇄 법칙 ↔ 역전파
- 기울기가 0인 점은 늘 꼭대기나 바닥일까? → 헤세 행렬과 극값 판정
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 19 | 다변수 함수와 편미분 | 다른 변수는 고정하고 한 방향으로만 미분 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 20 | 그래디언트와 방향도함수 | 가장 가파르게 오르는 방향과 그 기울기 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 21 | 다변수 연쇄 법칙과 야코비 행렬 | 변환의 미분은 행렬이고, 합성은 야코비의 곱 (무거움) | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 22 | 연쇄 법칙 ↔ 역전파 | 계산 그래프를 거꾸로 훑으며 야코비를 곱하는 것이 역전파 | 구현 · 검증 | — |
| 23 | 헤세 행렬과 극값 판정 | 2차 도함수 행렬의 부호로 최소·최대·안장점을 가린다 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 24 | 행렬 미분 | ∇(xᵀAx) = (A + Aᵀ)x 같은 규칙으로 벡터식을 한 번에 미분 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 25 | 중적분과 변수변환 | 넓이 위의 누적. 좌표를 바꾸면 야코비안만큼 보정. 가우스 적분 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 노트를 닫고 편미분·그래디언트·야코비 행렬·헤세 행렬이 각각 무엇의 모음인지 적고, 연쇄 법칙이 행렬 곱이 되는 이유와 극좌표 적분에 r이 붙는 이유를 한 줄씩 붙인다.
6단원 · 최적화
읽기 전에
- 학습률을 두 배로 키우면 학습도 두 배 빨라질까? → 경사 하강법
- 경사 하강법이 멈춘 곳이 가장 낮은 곳이라고 언제 믿을 수 있을까? → 볼록 함수와 볼록 최적화
- 둘레가 정해진 울타리로 가장 넓은 땅을 두르려면, 제약을 어떻게 식에 넣을까? → 라그랑주 승수법
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 26 | 경사 하강법 | 기울기 반대로 조금씩 내려간다. 학습률이 성패를 가른다 (무거움) | 그림1 · 그림2 · 구현 · 그림 코드 · 검증 | 경사 하강법 예제 사다리 |
| 27 | 볼록 함수와 볼록 최적화 | 그릇 모양 함수에서는 지역 최소 = 전역 최소 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 28 | 라그랑주 승수법 | 제약 위 최적점에서는 두 그래디언트가 평행하다 | 그림1 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 노트를 닫고 경사 하강법의 갱신 식과 학습률의 안정 조건, 볼록 함수의 정의와 판정법, 라그랑주 조건을 적고, 셋이 ‘기울기가 0인 점’ 이야기로 어떻게 이어지는지 한 문단으로 쓴다.
7단원 · 미분방정식과 푸리에
읽기 전에
- 게임은 매 프레임 물체 위치를 어떻게 계산할까? 프레임 간격이 커지면 무슨 일이 생길까? → 미분방정식과 오일러 방법
- 뚝 끊기는 사각파를 매끄러운 사인파만으로 만들 수 있을까? → 푸리에 급수
- 여러 통화를 전선 하나로 동시에 보내도 섞이지 않는 이유는? → 푸리에 변환과 합성곱
| 번호 | 개념 | 한 줄 | 개념 코드 | 연습 |
|---|---|---|---|---|
| 29 | 미분방정식과 오일러 방법 | 변화의 규칙에서 미래를 계산한다. 작은 걸음으로 시뮬레이션 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 30 | 푸리에 급수 | 주기 신호 = 사인파들의 합. 계수는 내적(사영)으로 구한다 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
| 31 | 푸리에 변환과 합성곱 | 신호를 주파수별 세기로. 합성곱은 곱이 된다 | 그림1 · 그림2 · 그림 코드 · 검증 | — |
떠올려 보기: 오일러 방법의 한 걸음과 안정 조건, 푸리에 계수 공식과 그것이 사영인 이유, 합성곱 정리와 변조 성질을 빈 종이에 쓰고, 경사 하강법과 오일러 방법이 같은 식인 이유를 덧붙인다.
다른 과목과의 연결
- 합 ↔ 적분 (미분적분학): 넓이로 합을 위아래에서 끼운다. H_n ≈ ln n, ln n! ≈ n ln n − n
- 연쇄 법칙 ↔ 역전파 (미분적분학): 계산 그래프를 거꾸로 훑으며 야코비를 곱하는 것이 역전파
- 정적분과 리만 합 ↔ 삼색 이론 (4-1학기 휴먼 인터페이스 미디어): 추상체 반응 r_k = ∫ i(λ) σ_k(λ) dλ
- 그래디언트와 방향도함수 ↔ 이미지 함수 (4-1학기 휴먼 인터페이스 미디어): 이미지 기울기 ∇i
- 푸리에 변환과 합성곱 ↔ 주파수 분할 다중화 (4-1학기 컴퓨터 통신): 주파수 대역 나누기
- 연속과 사잇값 정리 ↔ 매개변수 탐색 ↔ 사잇값 정리 (알고리즘 3.개념집): 참과 거짓이 바뀌는 경계를 반씩 좁힌다(이분법)
흐름
점선 테두리는 아직 작성하지 않은 개념이다.
graph TD
n01["01 극한"]
n02["02 연속과 사잇값 정리"]
n03["03 수열의 극한과 e"]
n04["04 도함수"]
n05["05 미분 법칙"]
n06["06 연쇄 법칙"]
n07["07 도함수의 활용과 최적화"]
n08["08 평균값 정리"]
n09["09 로피탈 정리와 증가 속도"]
n10["10 선형 근사와 뉴턴 방법"]
n11["11 정적분과 리만 합"]
n12["12 미적분의 기본정리"]
n13["13 치환적분"]
n14["14 부분적분"]
n15["15 이상적분"]
n16["16 합 ↔ 적분"]
n17["17 급수의 수렴"]
n18["18 테일러 급수"]
n19["19 다변수 함수와 편미분"]
n20["20 그래디언트와 방향도함수"]
n21["21 다변수 연쇄 법칙과 야코비 행렬"]
n22["22 연쇄 법칙 ↔ 역전파"]
n23["23 헤세 행렬과 극값 판정"]
n24["24 행렬 미분"]
n25["25 중적분과 변수변환"]
n26["26 경사 하강법"]
n27["27 볼록 함수와 볼록 최적화"]
n28["28 라그랑주 승수법"]
n29["29 미분방정식과 오일러 방법"]
n30["30 푸리에 급수"]
n31["31 푸리에 변환과 합성곱"]
n01 --> n02
n01 --> n03
n01 --> n04
n04 --> n05
n05 --> n06
n06 --> n07
n02 --> n07
n07 --> n08
n08 --> n09
n07 --> n10
n01 --> n11
n11 --> n12
n08 --> n12
n12 --> n13
n06 --> n13
n12 --> n14
n13 --> n15
n14 --> n15
n09 --> n15
n12 --> n16
n03 --> n17
n15 --> n17
n17 --> n18
n05 --> n18
n04 --> n19
n19 --> n20
n20 --> n21
n06 --> n21
n21 --> n22
n20 --> n23
n21 --> n24
n12 --> n25
n23 --> n26
n23 --> n27
n20 --> n28
n10 --> n29
n14 --> n30
n30 --> n31
n15 --> n31
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