일 때, 실수 t\(t\)에 대하여 f(x)=t\(f(x)=t\)를 만족시키는 x\(x\)의 최솟값을 g(t)\(g(t)\)라 하자.
함수 g(t)\(g(t)\)가 t=12\(t=12\)에서만 불연속일 때, g′(f(a+6))g′(f(a+2))\(\dfrac{g'(f(a+2))}{g'(f(a+6))}\)의 값은?
(단, a\(a\)는 상수이다.) [4점]
①6e4\(6e^4\)
②9e4\(9e^4\)
③12e4\(12e^4\)
④8e6\(8e^6\)
⑤10e6\(10e^6\)
정답
④
풀이
풀이 전략
g(t)\(g(t)\)는 f(x)=t\(f(x)=t\)의 해 중 가장 왼쪽 해를 고르는 함수이다. 수평선 y=t\(y=t\)를 움직이며 왼쪽 직선 조각이 만드는 높이와 오른쪽 곡선 조각의 증가·감소를 함께 보면, g(t)\(g(t)\)가 끊어지는 높이가 4ea\(4e^a\)로 정해진다. 이후 f(a+2)\(f(a+2)\)와 f(a+6)\(f(a+6)\)이 어느 조각의 역함수로 들어가는지 확인하고, 선택된 해에서 원래 함수의 기울기를 뒤집어 두 미분계수의 비를 계산한다.
수평선으로 가장 왼쪽 해 보기
g(t)\(g(t)\)는 f(x)=t\(f(x)=t\)를 만족시키는 x\(x\) 중 최솟값을 고르는 함수이다. 수평선 y=t\(y=t\)를 그었을 때, 그래프와 만나는 점들 중 가장 왼쪽 교점의 x\(x\)좌표를 고르는 상황으로 보면 된다.
문제의 식은 x<a\(x<a\)와 x≥a\(x\ge a\)에서 서로 다른 모양을 가진다. 왼쪽 조각은 직선이고, 오른쪽 조각은 한 번 내려갔다가 올라가는 곡선이다. 가장 왼쪽 해를 고르는 문제이므로, 왼쪽 조각이 어떤 높이까지 해를 만들어 주는지부터 확인한다.
x<a\(x<a\)에서 f(x)=e2a(x−a)+4ea\(f(x)=e^{2a}(x-a)+4e^a\)이다. 기울기 e2a\(e^{2a}\)가 양수인 직선이므로 증가하고, x→−∞\(x\to-\infty\)이면 f(x)→−∞\(f(x)\to-\infty\), x→a−\(x\to a-\)이면 f(x)→4ea\(f(x)\to4e^a\)이다. 따라서 왼쪽 조각이 만드는 값의 범위는 (−∞,4ea)\((-\infty,4e^a)\)이다.
이 관찰 하나로 t<4ea\(t<4e^a\)일 때의 g(t)\(g(t)\)가 정해진다. 이때는 왼쪽 조각에서 이미 f(x)=t\(f(x)=t\)의 해가 생기고, 그 해가 a\(a\)보다 왼쪽에 있으므로 가장 작은 해가 된다.
따라서 0<u<2\(0<u<2\)에서는 감소하고, u>2\(u>2\)에서는 증가한다. 즉 오른쪽 조각은 x=a\(x=a\)에서 4ea\(4e^a\)를 지나고, x=a+2\(x=a+2\)에서 0\(0\)까지 내려간 뒤 다시 올라간다.
이제 수평선 y=t\(y=t\)를 움직여 보면 세 구간이 자연스럽게 나뉜다.
t<4ea\(t<4e^a\)이면 왼쪽 직선 조각의 해가 가장 왼쪽 해가 된다.
t=4ea\(t=4e^a\)이면 x=a\(x=a\)가 해이고, 이 값이 가장 왼쪽 해이다.
t>4ea\(t>4e^a\)이면 왼쪽 직선 조각에는 해가 없고, 오른쪽 증가 조각에서 생기는 해가 선택된다.
따라서 g(t)\(g(t)\)가 고르는 그래프 조각은 높이 4ea\(4e^a\)를 기준으로 바뀐다.
수평선의 높이가 4ea\(4e^a\)보다 낮을 때와 높을 때를 나누어 보면, 가장 왼쪽 교점이 서로 다른 조각에서 선택된다.
수평선 높이에 따라 g(t)가 선택하는 가장 왼쪽 교점
불연속 높이를 12와 맞추기
이제 경계 높이 t=4ea\(t=4e^a\) 근처에서 g(t)\(g(t)\)의 움직임을 조금 더 자세히 본다. t<4ea\(t<4e^a\)일 때는 왼쪽 직선 조각의 해가 선택되고, t\(t\)가 4ea\(4e^a\)에 가까워지면 그 해는 a\(a\)에 가까워진다. 실제로 t=4ea\(t=4e^a\)에서는 x=a\(x=a\)가 해이므로 g(4ea)=a\(g(4e^a)=a\)이다.
그런데 t\(t\)가 4ea\(4e^a\)를 넘으면 왼쪽 직선 조각에서 해가 사라진다. 오른쪽 조각의 감소 구간은 0\(0\)부터 4ea\(4e^a\)까지의 높이만 만들기 때문에, t>4ea\(t>4e^a\)에서는 x>a+2\(x>a+2\)의 증가 구간에서만 해가 나온다. 그러면 가장 왼쪽 해가 오른쪽 조각의 증가 부분에서 잡힌다. 수평선이 4ea\(4e^a\)를 넘는 순간 g(t)\(g(t)\)의 값이 a\(a\)에서 오른쪽 조각의 증가 부분으로 건너뛰므로 이 높이에서 불연속이 생긴다.
문제에서 불연속이 t=12\(t=12\)에서만 일어난다고 했으므로 4ea=12\(4e^a=12\)이다. 따라서 ea=3\(e^a=3\)이다.
경계 높이에서 선택되는 교점은 x=a\(x=a\)에서 오른쪽 증가 조각으로 건너뛴다.
t=4e^a에서 선택점이 점프하므로 불연속 높이는 12와 일치한다
그림에서 함께 확인해야 할 점은 오른쪽 조각의 최솟값이 0\(0\)이어도 새 불연속이 생기지 않는다는 것이다. 0<4ea\(0<4e^a\)이므로 t=0\(t=0\)에서는 왼쪽 직선 조각에도 해가 있다. g(0)\(g(0)\)은 그 왼쪽 해를 고르기 때문에 x=a+2\(x=a+2\)에서 생기는 오른쪽 꼭짓점은 g(0)\(g(0)\)의 선택값이 아니다. 그래서 t=0\(t=0\)은 불연속점으로 추가되지 않는다.
두 입력값이 들어가는 조각 표시
구해야 할 값은 g′(f(a+6))g′(f(a+2))\(\dfrac{g'(f(a+2))}{g'(f(a+6))}\)이다. 앞에서 g(t)\(g(t)\)가 선택하는 조각을 높이로 나누었으므로, 이제 f(a+2)\(f(a+2)\)와 f(a+6)\(f(a+6)\)이 어느 높이에 있는지만 확인한다.
먼저 f(a+2)=0\(f(a+2)=0\)이다. 이 값은 4ea=12\(4e^a=12\)보다 작으므로, t=0\(t=0\) 근처에서 g(t)\(g(t)\)는 왼쪽 직선 조각의 역함수로 움직인다.
왼쪽 조각을 h2(x)=e2a(x−a)+4ea\(h_2(x)=e^{2a}(x-a)+4e^a\)라고 두면 h2′(x)=e2a\(h_2'(x)=e^{2a}\)이다. 역함수의 미분 관계에 따라 g′(f(a+2))=e2a1\(g'(f(a+2))=\dfrac1{e^{2a}}\)이다.
여기서 f(a+2)=0\(f(a+2)=0\)이라는 값만 보고 오른쪽 조각의 꼭짓점 x=a+2\(x=a+2\)를 선택하면 흐름이 틀어진다. 높이 0\(0\)에서는 왼쪽 직선 조각의 해가 더 왼쪽에 있으므로 그 해를 따라간다.
오른쪽 증가 조각의 기울기 읽기
다음으로 a+6\(a+6\)은 오른쪽 조각의 증가 구간에 있다. 실제로 f(a+6)=(a+6−a−2)2ea+6=16ea+6\(f(a+6)=(a+6-a-2)^2e^{a+6}=16e^{a+6}\)이고, 이 값은 4ea\(4e^a\)보다 크다. 따라서 f(a+6)\(f(a+6)\) 근처에서 g\(g\)는 오른쪽 증가 조각의 역함수이다.
오른쪽 조각을 h1(x)=(x−a−2)2ex\(h_1(x)=(x-a-2)^2e^x\)라고 두면 h1′(x)=ex(x−a−2)(x−a)\(h_1'(x)=e^x(x-a-2)(x-a)\)이다. 그러므로 h1′(a+6)=ea+6⋅4⋅6=24ea+6\(h_1'(a+6)=e^{a+6}\cdot4\cdot6=24e^{a+6}\)이고, g′(f(a+6))=24ea+61\(g'(f(a+6))=\dfrac1{24e^{a+6}}\)이다.
선택된 해의 위치가 정해졌으므로, 역함수 미분에서는 그 위치에서 원래 함수의 기울기를 읽으면 된다.
ea=3\(e^a=3\)이므로 e−a=31\(e^{-a}=\dfrac13\)이다. 따라서 24e6−a=8e6\(24e^{6-a}=8e^6\)이다.
정답은 8e6\(\boxed{8e^6}\), ④이다.
이 문항에서 어려웠던 지점
처음 갈리는 지점은 g(t)\(g(t)\)가 어떤 해를 선택하는지 확인하는 데 있다. f(a+2)=0\(f(a+2)=0\)을 보면 오른쪽 조각의 꼭짓점이 먼저 눈에 들어오지만, 같은 높이 0\(0\)을 왼쪽 직선 조각도 만든다. g(t)\(g(t)\)는 가장 왼쪽 해를 고르는 함수이므로 이때는 왼쪽 직선 조각의 역함수를 따라간다.
비슷한 조각함수 문제에서는 f(x)=t\(f(x)=t\)를 수평선으로 생각하고, 가장 왼쪽 교점이 어느 조각에서 나오는지 먼저 표시한다. 그 다음에 역함수 미분을 적용하면 계산해야 할 원래 함수의 기울기가 자연스럽게 정해진다.