D(x)=f(x)-g(x)를 두고 증가성으로 교점이 하나임을 확인한 뒤, ∫₀²D(x)dx=B-A를 계산해 -2m-2=2/3, m=-4/3을 얻는다.
문제
2025학년도 6월 모의평가 수학 13번 문제 조건문제 텍스트객관식
곡선 y=41x3+21x\(y=\frac{1}{4}x^3+\frac{1}{2}x\)와 직선 y=mx+2\(y=mx+2\) 및 y\(y\)축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 A\(A\), 곡선 y=41x3+21x\(y=\frac{1}{4}x^3+\frac{1}{2}x\)와 두 직선 y=mx+2,x=2\(y=mx+2,\ x=2\)로 둘러싸인 부분의 넓이를 B\(B\)라 하자. B−A=32\(B-A=\frac{2}{3}\)일 때, 상수 m\(m\)의 값은? 단, m<−1\(m<-1\). [4점]
①−23\(-\frac{3}{2}\)
②−1217\(-\frac{17}{12}\)
③−34\(-\frac{4}{3}\)
④−45\(-\frac{5}{4}\)
⑤−67\(-\frac{7}{6}\)
정답
③
풀이
풀이 전략
두 넓이 A\(A\), B\(B\)는 곡선과 직선 사이의 세로 간격에서 나온다. 곡선에서 직선을 뺀 함수 D(x)\(D(x)\)를 잡으면, D(x)\(D(x)\)의 부호가 어느 그래프가 위에 있는지 알려 준다. m<−1\(m<-1\)에서 D(x)\(D(x)\)는 0≤x≤2\(0\le x\le2\)에서 증가하고, D(0)<0<D(2)\(D(0)<0<D(2)\)이므로 교점은 하나다. 따라서 구간 [0,2]\([0,2]\) 전체의 부호 있는 적분이 B−A\(B-A\)가 되고, 그 적분값으로 m\(m\)을 정한다.
세로 차이로 위아래 표시
곡선을 f(x)=41x3+21x\(f(x)=\frac14x^3+\frac12x\), 직선을 g(x)=mx+2\(g(x)=mx+2\)라고 두자. 두 그래프의 세로 차이를
로 잡는다. D(x)>0\(D(x)>0\)이면 곡선이 위에 있고, D(x)<0\(D(x)<0\)이면 직선이 위에 있다.
아래 그림에서는 왼쪽 영역이 D(x)<0\(D(x)<0\)인 구간, 오른쪽 영역이 D(x)>0\(D(x)>0\)인 구간으로 표시되어 있다. 특히 D=f−g\(D=f-g\)로 잡았기 때문에 왼쪽 넓이는 부호 있는 적분에서 −A\(-A\)로 들어가고, 오른쪽 넓이는 B\(B\)로 들어간다.
D(x)=f(x)−g(x)\(D(x)=f(x)-g(x)\)의 부호가 왼쪽 넓이와 오른쪽 넓이에 붙는 부호를 정한다.
그림의 x=2\(x=2\)에서는 f(2)=3\(f(2)=3\)이고 g(2)=2m+2<0\(g(2)=2m+2<0\)이다. 따라서 오른쪽 끝에서는 곡선이 직선보다 위에 있는 상태와 맞는다.
교점이 하나인지 확인
양 끝값을 먼저 계산하면 D(0)=−2<0\(D(0)=-2<0\)이고,
D(2)=3−(2m+2)=1−2m>0\[D(2)=3-(2m+2)=1-2m>0\]
이다. m<−1\(m<-1\)이므로 오른쪽 끝에서 D(2)>0\(D(2)>0\)이 확실하다.
이제 변화 방향을 보면
D′(x)=43x2+21−m\[D'(x)=\frac34x^2+\frac12-m\]
이다. m<−1\(m<-1\)이므로 모든 x\(x\)에서 D′(x)>0\(D'(x)>0\)이다. 따라서 D(x)\(D(x)\)는 0≤x≤2\(0\le x\le2\)에서 계속 증가한다.
D(x)\(D(x)\)가 증가하므로 0\(0\)과 2\(2\) 사이에서 부호가 한 번만 바뀐다.
부호표처럼 D(0)<0<D(2)\(D(0)<0<D(2)\)이고 D(x)\(D(x)\)가 증가하므로, D(x)=0\(D(x)=0\)인 점은 (0,2)\((0,2)\) 안에 하나 있다. 그 교점의 x\(x\)좌표를 α\(\alpha\)라 두면 0≤x<α\(0\le x<\alpha\)에서는 D(x)<0\(D(x)<0\), α<x≤2\(\alpha<x\le2\)에서는 D(x)>0\(D(x)>0\)이다.
B-A를 전체 적분으로 묶기
앞에서 잡은 부호에 따라 왼쪽 영역의 적분값은 −A\(-A\), 오른쪽 영역의 적분값은 B\(B\)가 된다. 그래서 구간 [0,2]\([0,2]\) 전체에서 D(x)\(D(x)\)를 적분하면 두 넓이의 차가 한 번에 나온다.
이다. 적분 전개는 아래 이미지처럼 원시함수에 0\(0\)과 2\(2\)를 대입해 정리한다.
전체 구간 적분을 계산하면 B−A=−2m−2\(B-A=-2m-2\)로 정리된다.
이미지의 정리 결과에 따라 B−A=−2m−2\(B-A=-2m-2\)이다. 조건 B−A=32\(B-A=\frac23\)을 대입하면 −2m−2=32\(-2m-2=\frac23\)이고, 따라서 −2m=38\(-2m=\frac83\), m=−34\(m=-\frac43\)이다.
구한 값은 m<−1\(m<-1\)을 만족한다. 정답은 ③이다.
이 문항에서 어려웠던 지점
이 문항에서 당황스러운 부분은 교점 α\(\alpha\)가 식에 남을 것처럼 보인다는 점이다. 그런데 D(x)=f(x)−g(x)\(D(x)=f(x)-g(x)\)를 잡으면 왼쪽 영역은 음수 적분값 −A\(-A\), 오른쪽 영역은 양수 적분값 B\(B\)로 한 구간 안에 들어온다.
그래서 실제 계산은 교점의 좌표가 아니라 0\(0\)부터 2\(2\)까지의 전체 적분으로 이어진다. 비슷한 넓이 차 조건에서는 먼저 두 그래프의 세로 차이를 어느 순서로 잡을지 정하고, 원하는 넓이 차와 부호 있는 적분의 부호가 같은지 확인하면 계산 구조가 선명해진다.