2025학년도 6월 모의평가 수학 미적분 28번 풀이 | 가장 왼쪽 해와 역함수 미분

2025학년도 6월 모의평가 수학 미적분 28번은 수평선 교점 중 가장 왼쪽 해를 따라가며 g(t)의 불연속 높이 4e^a=12를 찾는 문제다. f(a+2)와 f(a+6)이 서로 다른 조각의 역함수 미분으로 이어져 정답 8e^6을 얻는 선택 조각 판정까지 정리한다.

문항코드
250628c
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문제

2025학년도 6월 모의평가 수학 미적분 28번 조각함수와 역함수 미분 문제
2025학년도 6월 모의평가 수학 미적분 28번 문제 조건
문제 텍스트 객관식

함수 f(x)f(x)

f(x)={(xa2)2ex(xa)e2a(xa)+4ea(x<a)f(x)= \begin{cases} (x-a-2)^2e^x & (x\ge a)\\ e^{2a}(x-a)+4e^a & (x<a) \end{cases}

일 때, 실수 tt에 대하여 f(x)=tf(x)=t를 만족시키는 xx의 최솟값을 g(t)g(t)라 하자.

함수 g(t)g(t)t=12t=12에서만 불연속일 때, g(f(a+2))g(f(a+6))\dfrac{g'(f(a+2))}{g'(f(a+6))}의 값은?

(단, aa는 상수이다.) [4점]

  1. 6e46e^4
  2. 9e49e^4
  3. 12e412e^4
  4. 8e68e^6
  5. 10e610e^6

정답

풀이

풀이 전략

g(t)g(t)f(x)=tf(x)=t의 해 중 가장 왼쪽 해를 고르는 함수이다.
수평선 y=ty=t를 움직이며 왼쪽 직선 조각이 만드는 높이와 오른쪽 곡선 조각의 증가·감소를 함께 보면, g(t)g(t)가 끊어지는 높이가 4ea4e^a로 정해진다.
이후 f(a+2)f(a+2)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)f(x)=tf(x)=t를 만족시키는 xx 중 최솟값을 고르는 함수이다.
수평선 y=ty=t를 그었을 때, 그래프와 만나는 점들 중 가장 왼쪽 교점의 xx좌표를 고르는 상황으로 보면 된다.

문제의 식은 x<ax<axax\ge a에서 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<ax<a에서 f(x)=e2a(xa)+4eaf(x)=e^{2a}(x-a)+4e^a이다.
기울기 e2ae^{2a}가 양수인 직선이므로 증가하고, xx\to-\infty이면 f(x)f(x)\to-\infty, xax\to a-이면 f(x)4eaf(x)\to4e^a이다.
따라서 왼쪽 조각이 만드는 값의 범위는 (,4ea)(-\infty,4e^a)이다.

이 관찰 하나로 t<4eat<4e^a일 때의 g(t)g(t)가 정해진다.
이때는 왼쪽 조각에서 이미 f(x)=tf(x)=t의 해가 생기고, 그 해가 aa보다 왼쪽에 있으므로 가장 작은 해가 된다.

오른쪽 조각의 증가와 감소 확인

오른쪽 조각은 xax\ge a에서 f(x)=(xa2)2exf(x)=(x-a-2)^2e^x이다.
xax-a가 반복해서 보이므로 u=xau=x-a로 두면 u0u\ge0이고 f(x)=ea(u2)2euf(x)=e^a(u-2)^2e^u이다.

수평선을 움직일 때 교점 위치가 어떻게 바뀌는지 알려면 이 조각의 증가·감소를 보면 된다.

ddu{(u2)2eu}=euu(u2)\frac{d}{du}\{(u-2)^2e^u\}=e^uu(u-2)

따라서 0<u<20<u<2에서는 감소하고, u>2u>2에서는 증가한다.
즉 오른쪽 조각은 x=ax=a에서 4ea4e^a를 지나고, x=a+2x=a+2에서 00까지 내려간 뒤 다시 올라간다.

이제 수평선 y=ty=t를 움직여 보면 세 구간이 자연스럽게 나뉜다.

  • t<4eat<4e^a이면 왼쪽 직선 조각의 해가 가장 왼쪽 해가 된다.
  • t=4eat=4e^a이면 x=ax=a가 해이고, 이 값이 가장 왼쪽 해이다.
  • t>4eat>4e^a이면 왼쪽 직선 조각에는 해가 없고, 오른쪽 증가 조각에서 생기는 해가 선택된다.

따라서 g(t)g(t)가 고르는 그래프 조각은 높이 4ea4e^a를 기준으로 바뀐다.

수평선의 높이가 4ea4e^a보다 낮을 때와 높을 때를 나누어 보면, 가장 왼쪽 교점이 서로 다른 조각에서 선택된다.

수평선 y=t와 조각함수의 교점 중 가장 왼쪽 해를 선택하는 구조
수평선 높이에 따라 g(t)가 선택하는 가장 왼쪽 교점

불연속 높이를 12와 맞추기

이제 경계 높이 t=4eat=4e^a 근처에서 g(t)g(t)의 움직임을 조금 더 자세히 본다.
t<4eat<4e^a일 때는 왼쪽 직선 조각의 해가 선택되고, tt4ea4e^a에 가까워지면 그 해는 aa에 가까워진다.
실제로 t=4eat=4e^a에서는 x=ax=a가 해이므로 g(4ea)=ag(4e^a)=a이다.

그런데 tt4ea4e^a를 넘으면 왼쪽 직선 조각에서 해가 사라진다.
오른쪽 조각의 감소 구간은 00부터 4ea4e^a까지의 높이만 만들기 때문에, t>4eat>4e^a에서는 x>a+2x>a+2의 증가 구간에서만 해가 나온다.
그러면 가장 왼쪽 해가 오른쪽 조각의 증가 부분에서 잡힌다.
수평선이 4ea4e^a를 넘는 순간 g(t)g(t)의 값이 aa에서 오른쪽 조각의 증가 부분으로 건너뛰므로 이 높이에서 불연속이 생긴다.

문제에서 불연속이 t=12t=12에서만 일어난다고 했으므로 4ea=124e^a=12이다.
따라서 ea=3e^a=3이다.

경계 높이에서 선택되는 교점은 x=ax=a에서 오른쪽 증가 조각으로 건너뛴다.

t=4e^a 경계에서 g(t)의 선택점이 x=a에서 오른쪽 증가 조각으로 점프하는 모습
t=4e^a에서 선택점이 점프하므로 불연속 높이는 12와 일치한다

그림에서 함께 확인해야 할 점은 오른쪽 조각의 최솟값이 00이어도 새 불연속이 생기지 않는다는 것이다.
0<4ea0<4e^a이므로 t=0t=0에서는 왼쪽 직선 조각에도 해가 있다.
g(0)g(0)은 그 왼쪽 해를 고르기 때문에 x=a+2x=a+2에서 생기는 오른쪽 꼭짓점은 g(0)g(0)의 선택값이 아니다.
그래서 t=0t=0은 불연속점으로 추가되지 않는다.

두 입력값이 들어가는 조각 표시

구해야 할 값은 g(f(a+2))g(f(a+6))\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)f(a+6)f(a+6)이 어느 높이에 있는지만 확인한다.

먼저 f(a+2)=0f(a+2)=0이다.
이 값은 4ea=124e^a=12보다 작으므로, t=0t=0 근처에서 g(t)g(t)는 왼쪽 직선 조각의 역함수로 움직인다.

왼쪽 조각을 h2(x)=e2a(xa)+4eah_2(x)=e^{2a}(x-a)+4e^a라고 두면 h2(x)=e2ah_2'(x)=e^{2a}이다.
역함수의 미분 관계에 따라 g(f(a+2))=1e2ag'(f(a+2))=\dfrac1{e^{2a}}이다.

여기서 f(a+2)=0f(a+2)=0이라는 값만 보고 오른쪽 조각의 꼭짓점 x=a+2x=a+2를 선택하면 흐름이 틀어진다.
높이 00에서는 왼쪽 직선 조각의 해가 더 왼쪽에 있으므로 그 해를 따라간다.

오른쪽 증가 조각의 기울기 읽기

다음으로 a+6a+6은 오른쪽 조각의 증가 구간에 있다.
실제로 f(a+6)=(a+6a2)2ea+6=16ea+6f(a+6)=(a+6-a-2)^2e^{a+6}=16e^{a+6}이고, 이 값은 4ea4e^a보다 크다.
따라서 f(a+6)f(a+6) 근처에서 gg는 오른쪽 증가 조각의 역함수이다.

오른쪽 조각을 h1(x)=(xa2)2exh_1(x)=(x-a-2)^2e^x라고 두면 h1(x)=ex(xa2)(xa)h_1'(x)=e^x(x-a-2)(x-a)이다.
그러므로 h1(a+6)=ea+646=24ea+6h_1'(a+6)=e^{a+6}\cdot4\cdot6=24e^{a+6}이고, g(f(a+6))=124ea+6g'(f(a+6))=\dfrac1{24e^{a+6}}이다.

선택된 해의 위치가 정해졌으므로, 역함수 미분에서는 그 위치에서 원래 함수의 기울기를 읽으면 된다.

미분계수의 비 정리

앞에서 얻은 두 식을 나누면 다음과 같다.

g(f(a+2))g(f(a+6))=1/e2a1/(24ea+6)=24ea+6e2a=24e6a\frac{g'(f(a+2))}{g'(f(a+6))} =\frac{1/e^{2a}}{1/(24e^{a+6})} =\frac{24e^{a+6}}{e^{2a}} =24e^{6-a}

ea=3e^a=3이므로 ea=13e^{-a}=\dfrac13이다.
따라서 24e6a=8e624e^{6-a}=8e^6이다.

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)=0f(a+2)=0을 보면 오른쪽 조각의 꼭짓점이 먼저 눈에 들어오지만, 같은 높이 00을 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)=tf(x)=t를 수평선으로 생각하고, 가장 왼쪽 교점이 어느 조각에서 나오는지 먼저 표시한다.
그 다음에 역함수 미분을 적용하면 계산해야 할 원래 함수의 기울기가 자연스럽게 정해진다.

문항코드: 250628c

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