0≤x≤t에서 f''(x)<0이므로 접선이 곡선 위에 있음을 확인하고, 부분적분으로 ∫f(x)dx를 x f'(x) 쪽으로 바꾸어 g(t)를 정리한다.
들어가기 앞서…
이 문제는 f(x)\(f(x)\)를 직접 구하는 문제가 아니다. f′(x)\(f'(x)\)에 e1−x2\(e^{1-x^2}\)가 들어 있어서 원함수를 먼저 찾으려 하면 계산이 막힌다.
먼저 해야 할 일은 접선과 곡선의 위아래를 정하는 것이다. 넓이를 절댓값 없이 적분식으로 쓰려면, 접선이 곡선보다 위에 있는지부터 확인해야 한다.
문제
2025학년도 대학수학능력시험 수학 미적분 28번 문제문제 텍스트객관식
실수 전체의 집합에서 미분가능한 함수 f(x)\(f(x)\)의 도함수 f′(x)\(f'(x)\)가
f′(x)=−x+e1−x2\[f'(x)=-x+e^{1-x^2}\]
이다. 양수 t\(t\)에 대하여 곡선 y=f(x)\(y=f(x)\) 위의 점 (t,f(t))\((t,f(t))\)에서의 접선과 곡선 y=f(x)\(y=f(x)\) 및 y\(y\)축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 g(t)\(g(t)\)라 하자. g(1)+g′(1)\(g(1)+g'(1)\)의 값은?
①21e+21\(\frac12e+\frac12\)
②21e+32\(\frac12e+\frac23\)
③21e+65\(\frac12e+\frac56\)
④32e+21\(\frac23e+\frac12\)
⑤32e+32\(\frac23e+\frac23\)
정답
②
풀이
접선이 곡선의 어느 쪽에 있는지 본다
주어진 도함수를 한 번 더 미분하면 다음과 같다.
f′′(x)=−1−2xe1−x2\[f''(x)=-1-2xe^{1-x^2}\]
t>0\(t>0\)이고 왼쪽 경계가 y\(y\)축이므로 넓이를 보는 구간은 0≤x≤t\(0\le x\le t\)이다. 이 구간에서는 x≥0\(x\ge0\)이므로 f′′(x)<0\(f''(x)<0\)이다.
따라서 0≤x≤t\(0\le x\le t\)에서 그래프는 위로 볼록하지 않고 아래로 휘어 있으며, 접선은 곡선 위쪽에 놓인다. 이제 넓이는 접선에서 곡선을 뺀 값으로 잡을 수 있다.
이계도함수의 부호로 접선과 곡선의 위치를 먼저 정한다.
넓이를 g(t)로 정리한다
점 (t,f(t))\((t,f(t))\)에서의 접선을 Tt(x)\(T_t(x)\)라고 하면
접선과 곡선으로 둘러싸인 넓이가 나오면, 먼저 접선과 곡선의 위아래를 확인한다. 이 문제에서는 t>0\(t>0\)과 y\(y\)축이 구간을 [0,t]\([0,t]\)로 고정했고, 그 구간에서 f′′(x)<0\(f''(x)<0\)이므로 접선이 위에 있음을 빠르게 알 수 있었다.
또 도함수는 주어졌지만 원함수가 불편한 형태이면, 원함수를 직접 구하려 하지 않는다. 넓이식에 ∫f(x)dx\(\int f(x)\,dx\)가 남는 순간, 부분적분으로 f′(x)\(f'(x)\) 쪽으로 돌릴 수 있는지 확인한다.