[미적분1] 항등식 미분, 함수와 도함수가 함께 나오면 차수부터 왜 찾아야 할까?

미적분1 : 3. 미분계수와 도함수 - 항등식에서 미분법의 활용

 

핵심 : 함수와 도함수가 함께 포함된 항등식 조건을 해결할 때는, 무작정 식을 대입하여 전개하기 전에 가장 먼저 다항함수의 차수를 $n$차로 설정하여 양변의 최고차항을 비교함으로써 함수 $f(x)$가 몇 차식인지 결정하는 방향으로 풀이 전략을 세워야 합니다.

포인트 : 학생들이 이 문제를 어려워하는 실제 이유는 문제 해결의 첫 단추인 차수 결정 원리를 모른 채 미정계수를 연립하려 들기 때문입니다. 차수를 먼저 결정하지 못하면 미정계수를 설정하는 단계조차 시작할 수 없어 무너지게 됩니다.

 

예시문제 1

다항함수 $f(x)$가 다음 조건을 만족시킬 때, $f(2)$의 값은?

(가) 모든 실수 $x$에 대하여 $\{f'(x)\}^2 = 12f(x) - 8$

(나) $f'(2) = 8$

 

학습 내용

함수와 도함수가 함께 나오는 항등식 문제는 처음 보면 조금 복잡해 보이지요. 조건식 (가)에 등장하는 도함수의 제곱과 본래 함수의 결합 형태를 마주하면 대부분의 학생들은 무엇을 해야할 지 갈피를 잡지 못합니다.

하지만 이 문제에서 실제로 중요한 것은 차수를 어떻게 찾느냐를 알면 생각보다 쉽게 풀 수 있음에도, 무작정 대입하려해서 문제를 풀지 못합니다.

결국 이 식은 완전히 새로운 암기 공식이 아니라, 다항함수를 미분할 때 차수가 하나 줄어든다는 가장 기초적인 성질을 이용해 양변의 최고차항을 맞춰 나가는 것입니다. 최고차항을 비교하는 원리를 명확히 안다면 복잡해 보이는 함수 방정식도 생각보다 쉽게 풀 수 있으니, 이번 기회에 항등식 미분 문제에서 다항함수의 차수를 찾아내는 두 가지 방법을 함께 완벽하게 정복해 봅시다.

 

무엇을 모르는 것인가?

문제집의 대표 유형에는 보통 다음과 같이 적혀 있습니다.

주어진 조건을 이용하여 f(x), f'(x)를 미정계수로 나타내어 주어진 항등식에 대입하여 미정계수를 결정한다.

그런데 문제가 하나 있습니다. 과연 $f(x)$를 몇 차 다항식으로 놓아야 할까요?

차수를 결정하지 못한다면 미정계수로 나타내는 것조차 시작할 수 없습니다. 따라서 이 유형에서 먼저 알아야 할 것은 미정계수를 구하는 방법이 아니라 $f(x)$의 차수를 결정하는 방법입니다. 요약본의 결과만 외워서는 시작도 할 수 없게 됩니다.

 

히즈매쓰 학원에서는?

히즈매쓰학원에서는 항등식과 미분을 이해하기 위해 먼저 차수만 비교하여 $n$을 구하는 방법을 살펴보고, 차수만으로 결정할 수 없을 때 최고차항의 계수까지 함께 비교하는 방법을 구분한 다음 실제 문제에 단계별로 적용합니다.

 

1. 차수 구하기 1

$$ \{f'(x)\}^2 = 12f(x) - 8 $$

주어진 다항식의 차수를 $n$ 이라 하면 미분한 $f'(x)$의 차수는 $n-1$ 이 됩니다.

그래서 좌변의 차수는 $(n-1) \times 2$ 인데, 우변의 차수는 $n$ 이므로

$$ (n-1) \times 2 = n $$

이 식에서 $n = 2$ 를 얻을 수 있습니다.

 

2. 차수 구하기 2

$f(x)$를 $n$ 차라 두는데 좌, 우변의 차수를 비교하면 같은 경우가 있습니다.

이 경우는 다음과 같이 $f(x)$를 둡니다.

$$ f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_0 $$

(단, $a_n \neq 0$)

이제 좌, 우변의 최고차항을 비교합니다.

좌변은

$$ \{f'(x)\}^2 = (n a_n x^{n-1} + \cdots)^2 $$

$$ = n^2 a_n^2 x^{2n-2} + \cdots $$

우변은

$$ 12f(x) = 12 a_n x^n + \cdots $$

비교하면 $2n-2 = n$ 에서 $n = 2$ 이고

$$ 4 a_n^2 = 12 a_n $$

$$ 4 a_n (a_n - 3) = 0 $$

이 식에서 $a_n = 3$ 을 얻을 수 있습니다.

물론 이상의 차수 구하는 방법은 문제에서 $f(x)$ 가 다항함수라 했기에 가능한 것입니다.

그렇다면 두 방법은 언제 구분해서 사용해야 할까요?

양변의 차수를 비교했을 때 $n$에 대한 식이 만들어진다면 차수만 비교하면 됩니다. 하지만 양변의 차수가 똑같이 $n$으로 나타나 차수만으로는 $n$을 결정할 수 없다면 최고차항의 계수까지 비교해야 합니다.

 

3. 예시문제 1 풀이

첫 번째 차수를 구한 방법으로 풀어봅니다.

다항식 $f(x)$가 2차식이므로

$$ f(x) = ax^2 + bx + c \ (a \neq 0) $$

이라 두면

좌변은

$$ (2ax + b)^2 = 4a^2 x^2 + 4abx + b^2 $$

우변은

$$ 12(ax^2 + bx + c) - 8 $$

$$ = 12ax^2 + 12bx + 12c - 8 $$

주어진 식이 항등식이므로 계수를 비교하면

$$ 4a^2 = 12a $$

$$ 4a(a-3) = 0 $$

이 식에서 $a \neq 0$ 이므로 $a = 3$ 이 됩니다.

$$ b^2 = 12c - 8 \quad \cdots \text{①} $$

한편, $f'(2) = 8$ 에서

$$ [6x + b]_{x=2} = 12 + b = 8 $$

$$ \therefore b = -4 $$

①에서 $16 = 12c - 8$ 이므로 $c = 2$ 가 됩니다.

따라서 $f(x) = 3x^2 - 4x + 2$ 이므로 $f(2) = 6$ 이 됩니다.

두 번째 차수 구하는 방법으로는 2차항의 계수까지 구했으니 좀 더 빠른 계산이 될 수도 있겠습니다. 

이 문제는 앞에서 설명한 차수 구하기 방법을 이용하면 양변의 최고차항 비교와 미정계수 연립과 같이 명확하게 해결할 수 있습니다.

 

예시문제 2

다항함수 $f(x)$가 모든 실수 $x$에 대하여 다음을 만족할 때, $f(2)$의 값은?

(가) $2f(x) = (x+1)f'(x) + 1$

 
(나) $f(0) = 0$

 

 

문제 풀이 :

예시문제 1에서 다룬 차수 결정 원리를 확장하여 푸는 응용 문항입니다. 양변의 차수를 먼저 비교해 봅니다.

$f(x)$를 $n$차 다항식이라 하면 좌변의 차수는 $n$차입니다. 우변은 $(x+1)$이라는 1차식에 $(n-1)$차식인 $f'(x)$를 곱한 구조이므로 우변의 차수 역시 $1 + (n-1) = n$차가 됩니다. 즉, 양변의 차수가 똑같이 $n$으로 나타나 차수만으로는 $n$을 결정할 수 없는 구조입니다.

따라서 배운 대로 '두 번째 차수 구하기 방법'을 적용하여 최고차항의 계수까지 함께 비교해야 합니다. $f(x) = a_n x^n + \cdots \ (a_n \neq 0)$ 이라 두면

좌변의 최고차항은 $2 a_n x^n$ 이고, 우변의 최고차항은 $x \times n a_n x^{n-1} = n a_n x^n$ 이 됩니다. 항등식이므로 두 최고차항의 계수가 같아야 합니다.

$$ 2 a_n = n a_n $$

$a_n \neq 0 $ 이므로 $ \ n = 2 $가 됩니다.

다항함수 $f(x)$가 \(2\)차식임을 알아냈으므로 $f(x) = ax^2 + bx + c \ (a \neq 0)$ 라 둡니다. 조건 (나)에서 $f(0) = 0$ 이므로 상수항 $c = 0$ 이 고정됩니다. 즉, $f(x) = ax^2 + bx$ 이고 $f'(x) = 2ax + b$ 입니다.

이 식들을 조건 (가)의 항등식에 대입하여 계수를 비교합니다.

$$ 2(ax^2 + bx) = (x+1)(2ax + b) + 1 $$

$$ 2ax^2 + 2bx $$

$$ = 2ax^2 + (2a+b)x + b + 1 $$

양변의 \(1\)차항과 상수항을 비교하면 다음과 같은 관계식이 만들어집니다.

$$ 2b = 2a + b \implies b = 2a $$

$$ 0 = b + 1 \implies b = -1 $$

두 식을 연립하면 $b = -1$, $a = -0.5$ 를 얻을 수 있습니다. 따라서 완성된 2차함수는 $f(x) = -0.5x^2 - x$ 이며, 구하고자 하는 최종 값은 $f(2) = -2 - 2 = -4$ 가 도출됩니다.

 

오늘의 핵심 정리

함수와 도함수가 결합한 항등식 문제에서 다항함수를 유도해내는 방법은 다음과 같습니다.

 

① 다항함수 $f(x)$의 차수를 $n$차로 설정하고 미분했을 때 차수가 $n-1$차가 됨을 인지합니다.

 

② 주어진 항등식 좌변과 우변의 최고차항 위치를 찾아내어 $n$에 관한 차수 방정식이 성립하는지 먼저 확인합니다.

 

③ 만약 양변의 차수가 똑같이 $n$으로 표현되어 차수만으로 결정을 지을 수 없다면 최고차항의 계수식까지 연립하여 차수 $n$과 최고차항 계수 $a_n$을 동시에 추적합니다.

 

④ 결정된 차수에 맞추어 미정계수 식을 세운 뒤 항등식의 계수비교법과 수치대입법을 결합하여 최종 미지수를 계산합니다.

 

핵심 사고 순서 : 다항식 차수 $n$ 설정 $\to$ 좌우변 최고차항 차수 비교 $\to$ 차수 결정 불가 시 최고차항 계수 연립 $\to$ 미정계수 식 세우기 $\to$ 계수 비교 및 최종 계산 $\to$ 정답

 

마무리

미정계수를 구하는 방법은 문제집에 적혀 있습니다. "왜 이렇게 놓아야 하지?", "차수는 어떻게 결정하지?" 생각할 수 있어야 한다는 것입니다.

다음에 문제집이나 시험지에서 함수와 도함수가 복잡하게 엉켜 있는 항등식 조건을 다시 만난다면, 무작정 끼워 맞추려 하지 말고 "이 다항함수는 도대체 몇 차식인가?"를 먼저 생각해 보세요. 양변의 최고차항을 맞춰 차수부터 스스로 찾아낼 수 있는 순간, 복잡해 보이던 대입 연산이 차근차근 순서대로 풀어지는 놀라운 경험을 하게 될 것입니다. 외우고 오답을 반복한 수학 학습 오래갈 수 없습니다.

 

Lists

Please Wait ...