2025학년도 6월 모의평가 수학 13번 풀이 | 세로 차이와 부호 있는 넓이

2025학년도 6월 모의평가 수학 13번은 곡선과 직선의 세로 차이 D(x)=f(x)-g(x)를 잡아 왼쪽 넓이는 음수, 오른쪽 넓이는 양수로 읽고, ∫₀²D(x)dx=B-A를 계산해 m=-4/3을 얻는 풀이이다. 교점이 하나임을 증가성으로 확인한다.

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250613
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문제

2025학년도 6월 모의평가 수학 13번 곡선과 직선으로 둘러싸인 넓이 문제
2025학년도 6월 모의평가 수학 13번 문제 조건
문제 텍스트 객관식

곡선 y=14x3+12xy=\frac{1}{4}x^3+\frac{1}{2}x와 직선 y=mx+2y=mx+2yy축으로 둘러싸인 부분의 넓이를 AA, 곡선 y=14x3+12xy=\frac{1}{4}x^3+\frac{1}{2}x와 두 직선 y=mx+2, x=2y=mx+2,\ x=2로 둘러싸인 부분의 넓이를 BB라 하자. BA=23B-A=\frac{2}{3}일 때, 상수 mm의 값은? 단, m<1m<-1. [4점]

  1. 32-\frac{3}{2}
  2. 1712-\frac{17}{12}
  3. 43-\frac{4}{3}
  4. 54-\frac{5}{4}
  5. 76-\frac{7}{6}

정답

풀이

풀이 전략

두 넓이 AA, BB는 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<1m<-1에서 D(x)D(x)0x20\le x\le2에서 증가하고, D(0)<0<D(2)D(0)<0<D(2)이므로 교점은 하나다.
따라서 구간 [0,2][0,2] 전체의 부호 있는 적분이 BAB-A가 되고, 그 적분값으로 mm을 정한다.

세로 차이로 위아래 표시

곡선을 f(x)=14x3+12xf(x)=\frac14x^3+\frac12x, 직선을 g(x)=mx+2g(x)=mx+2라고 두자.
두 그래프의 세로 차이를

D(x)=f(x)g(x)=14x3+(12m)x2D(x)=f(x)-g(x)=\frac14x^3+\left(\frac12-m\right)x-2

로 잡는다.
D(x)>0D(x)>0이면 곡선이 위에 있고, D(x)<0D(x)<0이면 직선이 위에 있다.

아래 그림에서는 왼쪽 영역이 D(x)<0D(x)<0인 구간, 오른쪽 영역이 D(x)>0D(x)>0인 구간으로 표시되어 있다.
특히 D=fgD=f-g로 잡았기 때문에 왼쪽 넓이는 부호 있는 적분에서 A-A로 들어가고, 오른쪽 넓이는 BB로 들어간다.

D(x)=f(x)-g(x)의 부호로 왼쪽 넓이와 오른쪽 넓이를 부호 있는 적분에 연결한 그림
D(x)=f(x)g(x)D(x)=f(x)-g(x)의 부호가 왼쪽 넓이와 오른쪽 넓이에 붙는 부호를 정한다.

그림의 x=2x=2에서는 f(2)=3f(2)=3이고 g(2)=2m+2<0g(2)=2m+2<0이다.
따라서 오른쪽 끝에서는 곡선이 직선보다 위에 있는 상태와 맞는다.

교점이 하나인지 확인

양 끝값을 먼저 계산하면 D(0)=2<0D(0)=-2<0이고,

D(2)=3(2m+2)=12m>0D(2)=3-(2m+2)=1-2m>0

이다.
m<1m<-1이므로 오른쪽 끝에서 D(2)>0D(2)>0이 확실하다.

이제 변화 방향을 보면

D(x)=34x2+12mD'(x)=\frac34x^2+\frac12-m

이다.
m<1m<-1이므로 모든 xx에서 D(x)>0D'(x)>0이다.
따라서 D(x)D(x)0x20\le x\le2에서 계속 증가한다.

D(0)<0, D(2)>0, D'(x)>0에서 교점이 하나임을 보이는 부호표
D(x)D(x)가 증가하므로 0022 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)=0D(x)=0인 점은 (0,2)(0,2) 안에 하나 있다.
그 교점의 xx좌표를 α\alpha라 두면 0x<α0\le x<\alpha에서는 D(x)<0D(x)<0, α<x2\alpha<x\le2에서는 D(x)>0D(x)>0이다.

B-A를 전체 적분으로 묶기

앞에서 잡은 부호에 따라 왼쪽 영역의 적분값은 A-A, 오른쪽 영역의 적분값은 BB가 된다.
그래서 구간 [0,2][0,2] 전체에서 D(x)D(x)를 적분하면 두 넓이의 차가 한 번에 나온다.

02D(x)dx=0αD(x)dx+α2D(x)dx=A+B=BA\int_0^2 D(x)\,dx =\int_0^\alpha D(x)\,dx+\int_\alpha^2 D(x)\,dx =-A+B =B-A

문제에서 BA=23B-A=\frac23을 주었으므로, 이제 02D(x)dx\int_0^2D(x)\,dx를 계산하면 된다.

적분값으로 m 계산

계산의 시작식은

BA=02{14x3+(12m)x2}dxB-A=\int_0^2\left\{\frac14x^3+\left(\frac12-m\right)x-2\right\}\,dx

이다.
적분 전개는 아래 이미지처럼 원시함수에 0022를 대입해 정리한다.

B-A를 전체 구간 적분으로 계산해 m=-4/3을 얻는 과정
전체 구간 적분을 계산하면 BA=2m2B-A=-2m-2로 정리된다.

이미지의 정리 결과에 따라 BA=2m2B-A=-2m-2이다.
조건 BA=23B-A=\frac23을 대입하면 2m2=23-2m-2=\frac23이고, 따라서 2m=83-2m=\frac83, m=43m=-\frac43이다.

구한 값은 m<1m<-1을 만족한다.
정답은 ③이다.

이 문항에서 어려웠던 지점

이 문항에서 당황스러운 부분은 교점 α\alpha가 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 BB로 한 구간 안에 들어온다.

그래서 실제 계산은 교점의 좌표가 아니라 00부터 22까지의 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.

문항코드: 250613

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