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심화 포락선 정리

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강의 노트

*최댓값과 최솟값의 변화

식에 들어 있는 상수의 값이 달라지면 그래프의 모양이나 위치가 바뀌고,최댓값과 그 값을 갖는 점도 달라질 수 있다.이때 최댓값이 얼마나 변하는지는, 그 점의 위치를 직접 구하지 않고도 알아낼 수 있는 경우가 있다.최솟값도 마찬가지이다. 그 이유를 합성함수의 미분법으로 살펴보자.

*최적값 함수와 포락선 정리

두 변수 x,t\displaystyle x,t를 포함한 식을 F(x,t)\displaystyle F(x,t)라 하자.t\displaystyle t를 고정하면 x\displaystyle x에 관한 함수가 되고, 그 최댓값 또는 최솟값을 V(t)\displaystyle V(t)라 한다.그 값을 만드는 점의 x\displaystyle x좌표를 u(t)\displaystyle u(t)라 하면V(t)=F(u(t),t)\displaystyle V(t)=F(u(t),t)이다. 최적점 u(t)\displaystyle u(t)와 최적값 V(t)\displaystyle V(t)를 구별한다.

Fx\displaystyle F_x는 t\displaystyle t를 상수로 보고 x\displaystyle x에 대하여 미분한 식,Ft\displaystyle F_t는 x\displaystyle x를 상수로 보고 t\displaystyle t에 대하여 미분한 식을 뜻한다.예를 들어 F(x,t)=−x2+2tx\displaystyle F(x,t)=-x^2+2tx이면 Fx=−2x+2t\displaystyle F_x=-2x+2t, Ft=2x\displaystyle F_t=2x이다.아래에서는 이렇게 얻은 두 함수 Fx\displaystyle F_x, Ft\displaystyle F_t가 모두 연속이고, u(t)\displaystyle u(t)가 미분가능하며,최적점이 x\displaystyle x의 정의역 내부에 있는 구간을 생각한다.

내부의 최적점에서는 Fx(u(t),t)=0\displaystyle F_x(u(t),t)=0이다.합성함수의 미분법으로V′(t)=Fx(u(t),t)u′(t)+Ft(u(t),t)\displaystyle V^{\prime}(t)=F_x(u(t),t)u^{\prime}(t)+F_t(u(t),t)이므로V′(t)=Ft(u(t),t)\displaystyle \boxed{V^{\prime}(t)=F_t(u(t),t)}를 얻는다. 이것이 여기서 사용할 포락선 정리이다.u(t)\displaystyle u(t)를 상수라고 가정한 것이 아니라, u′(t)\displaystyle u^{\prime}(t)의 계수가 0이 된 것이다.

Caution. 끝점에서 최적값을 가지면 내부 극값 조건을 적용하지 않는다. 예를 들어 0≤x≤t\displaystyle 0\le x\le t, t>0\displaystyle t>0에서 F(x,t)=x\displaystyle F(x,t)=x의 최댓값은 V(t)=t\displaystyle V(t)=t이다. 이때 Ft=0\displaystyle F_t=0이지만 V′(t)=1\displaystyle V^{\prime}(t)=1이다. 움직이는 끝점의 영향을 빼면 안 된다. 최적점이 바뀌는 곳에서는 좌우 변화율도 확인한다. max⁡(t,−t)=∣t∣\displaystyle \max(t,-t)=|t|는 t=0\displaystyle t=0에서 미분가능하지 않다.

*접선 조건을 최적값으로 읽기

직선 y=tx+b\displaystyle y=tx+b와 곡선 y=f(x)\displaystyle y=f(x)의 교점은b=f(x)−tx\displaystyle b=f(x)-tx를 만족한다. 접점의 x\displaystyle x좌표를 u(t)\displaystyle u(t)라 하면 f′(u(t))=t\displaystyle f^{\prime}(u(t))=t이고,접선의 절편 B(t)=f(u(t))−tu(t)\displaystyle B(t)=f(u(t))-tu(t)를 미분하면B′(t)={f′(u(t))−t}u′(t)−u(t)=−u(t)\displaystyle B^{\prime}(t)=\{f^{\prime}(u(t))-t\}u^{\prime}(t)-u(t)=-u(t)이다. 접점이 미분가능하게 움직이는 구간에서는 극대·극소 어느 가지에도 같은 계산을 쓸 수 있다.

고정된 점 (a,b)\displaystyle (a,b)와 곡선 y=f(x,t)\displaystyle y=f(x,t) 위의 점을 잇는 직선의 기울기는M(x,t)=f(x,t)−bx−a(x≠a)\displaystyle M(x,t)=\frac{f(x,t)-b}{x-a}\quad(x\ne a)이다. Mx=0\displaystyle M_x=0은 할선의 기울기와 곡선의 접선 기울기가 같다는 조건이다.다만 한 점에서 만난다는 말만으로 접한다고 단정하지 않는다.함수의 증가·감소와 양 끝에서의 극한을 조사하여 교점 개수가 바뀌는 이유를 먼저 확인한다.

연결 예제 1 · 하나의 교점과 최솟값2020학년도 수능 가형 30번 · 조건 재구성
문제

t>0\displaystyle t>0에서 두 곡선 y=t3ln⁡(x−t)\displaystyle y=t^3\ln(x-t), y=2ex−a\displaystyle y=2e^{x-a}의 교점이 하나가 되게 하는 a\displaystyle a를 f(t)\displaystyle f(t)로 정한다. {f′(1/3)}2\displaystyle \{f^{\prime}(1/3)\}^2을 계산하여라.

해설

교점의 높이는 양수이므로 x−t>1\displaystyle x-t>1이다. 교점 조건을 a\displaystyle a에 대하여 정리하면a=A(x,t)=x+ln⁡2−3ln⁡t−ln⁡(ln⁡(x−t))\displaystyle a=A(x,t)=x+\ln2-3\ln t-\ln(\ln(x-t))이다. s=x−t>1\displaystyle s=x-t>1로 놓으면Ax=1−1sln⁡s\displaystyle A_x=1-\frac1{s\ln s}이다. sln⁡s\displaystyle s\ln s는 0에서 ∞\displaystyle \infty까지 엄격히 증가하므로 sln⁡s=1\displaystyle s\ln s=1인 s=c\displaystyle s=c가 유일하다.따라서 A\displaystyle A는 x=t+c\displaystyle x=t+c까지 감소하고 그 뒤 증가하며, 정의역의 양 끝에서 ∞\displaystyle \infty로 간다.교점이 하나인 경우는 정확히 a=min⁡xA(x,t)\displaystyle a=\min_x A(x,t)일 때이다.

최적점 u(t)=t+c\displaystyle u(t)=t+c에서 (u−t)ln⁡(u−t)=1\displaystyle (u-t)\ln(u-t)=1이므로f′(t)=At(u(t),t)=−3t+1(u−t)ln⁡(u−t)=1−3t\displaystyle f^{\prime}(t)=A_t(u(t),t)=-\frac3t+\frac1{(u-t)\ln(u-t)}=1-\frac3t이다. 따라서{f′(1/3)}2=(−8)2=64\displaystyle \{f^{\prime}(1/3)\}^2=(-8)^2=64이다.

Comment. c\displaystyle c의 값을 구할 필요가 없다. x=t+c\displaystyle x=t+c를 대입하면f(t)=t−3ln⁡t+c+ln⁡2−ln⁡(ln⁡c)\displaystyle f(t)=t-3\ln t+c+\ln2-\ln(\ln c)이므로 t\displaystyle t에 대하여 바로 미분해도 같은 결과를 얻는다.

연결 예제 2 · 원점에서 그은 접선2024학년도 수능 미적분 27번 · 조건 재구성
문제

곡선 y=e−x+et\displaystyle y=e^{-x}+e^t에 원점에서 그은 접선의 기울기를 f(t)\displaystyle f(t)로 정한다. f(a)=−ee\displaystyle f(a)=-e\sqrt e인 a\displaystyle a에서 f′(a)\displaystyle f^{\prime}(a)를 계산하여라.

  • ① −13ee\displaystyle -\frac13e\sqrt e
  • ② −12ee\displaystyle -\frac12e\sqrt e
  • ③ −23ee\displaystyle -\frac23e\sqrt e
  • ④ −56ee\displaystyle -\frac56e\sqrt e
  • ⑤ −ee\displaystyle -e\sqrt e
해설

접점의 x\displaystyle x좌표를 u\displaystyle u라 하면 접선이 원점을 지나므로−ue−u=e−u+et,et=−(u+1)e−u\displaystyle -ue^{-u}=e^{-u}+e^t,\qquad e^t=-(u+1)e^{-u}이다. 따라서 u<−1\displaystyle u<-1이다. −(u+1)e−u\displaystyle -(u+1)e^{-u}는 u<−1\displaystyle u<-1에서 도함수가 ue−u<0\displaystyle ue^{-u}<0이고,양 끝에서의 극한이 각각 ∞\displaystyle \infty, 0이므로 접점은 유일하며 t\displaystyle t에 따라 미분가능하게 움직인다.

M(x,t)=(e−x+et)/x\displaystyle M(x,t)=(e^{-x}+e^t)/x라 하면 접점에서 Mx=0\displaystyle M_x=0이다.따라서f(t)=−e−u(t),f′(t)=etu(t)\displaystyle f(t)=-e^{-u(t)},\qquad f^{\prime}(t)=\frac{e^t}{u(t)}이다. 주어진 기울기에서 u(a)=−32\displaystyle u(a)=-\frac32이고, 접선 조건에서 ea=12e3/2\displaystyle e^a=\frac12e^{3/2}이다.그러므로f′(a)=e3/2/2−3/2=−13ee\displaystyle f^{\prime}(a)=\frac{e^{3/2}/2}{-3/2}=-\frac13e\sqrt e이므로 정답은 ①이다.

연결 예제 3 · 끝점과 내부 최적점2018학년도 수능 가형 21번 · 조건 재구성
문제

양수 t\displaystyle t마다 다음 함수를 생각하자.f(x)={ln⁡x(1≤x<e),ln⁡x−t(x≥e).\displaystyle f(x)=\begin{cases}\ln x&(1\le x<e),\\\ln x-t&(x\ge e).\end{cases}

일차함수 g(x)\displaystyle g(x)는 1≤x<e\displaystyle 1\le x<e에서 g(x)≤f(x)\displaystyle g(x)\le f(x), x≥e\displaystyle x\ge e에서 g(x)≥f(x)\displaystyle g(x)\ge f(x)를 만족한다. 가능한 g\displaystyle g의 기울기 중 최솟값이 h(t)\displaystyle h(t)이다. 미분가능한 h\displaystyle h에 대하여 h(a)=1/(e+2)\displaystyle h(a)=1/(e+2)일 때, h′(1/(2e))h′(a)\displaystyle h^{\prime}(1/(2e))h^{\prime}(a)를 계산하여라.

해설

g(x)=m(x−1)+b\displaystyle g(x)=m(x-1)+b라 하면 b=g(1)≤0\displaystyle b=g(1)\le0이다. x≥e\displaystyle x\ge e에서의 조건으로부터m≥ln⁡x−t−bx−1≥ln⁡x−tx−1\displaystyle m\ge\frac{\ln x-t-b}{x-1}\ge\frac{\ln x-t}{x-1}이다. 따라서 H=max⁡x≥e(ln⁡x−t)/(x−1)\displaystyle H=\max_{x\ge e}(\ln x-t)/(x-1)보다 작은 기울기는 불가능하다.

실제로 m=H\displaystyle m=H, b=0\displaystyle b=0을 택할 수 있다. H>0\displaystyle H>0이고,x≥e\displaystyle x\ge e에서 ln⁡x/(x−1)≤1/(e−1)\displaystyle \ln x/(x-1)\le1/(e-1)이므로 H≤1/(e−1)\displaystyle H\le1/(e-1)이다.또 1<x<e\displaystyle 1<x<e에서 ln⁡x/(x−1)≥1/(e−1)\displaystyle \ln x/(x-1)\ge1/(e-1)이므로 H(x−1)≤ln⁡x\displaystyle H(x-1)\le\ln x이다.따라서 왼쪽 조건도 만족하며h(t)=max⁡x≥eF(x,t),F(x,t)=ln⁡x−tx−1\displaystyle h(t)=\max_{x\ge e}F(x,t),\qquad F(x,t)=\frac{\ln x-t}{x-1}이다.

Fx\displaystyle F_x의 부호는 N(x)=1−1/x−ln⁡x+t\displaystyle N(x)=1-1/x-\ln x+t의 부호와 같다.N′(x)=−(x−1)/x2<0\displaystyle N^{\prime}(x)=-(x-1)/x^2<0, N(e)=t−1/e\displaystyle N(e)=t-1/e이다.(i) 0<t≤1/e\displaystyle 0<t\le1/e이면 끝점 x=e\displaystyle x=e에서 최대이므로h(t)=1−te−1,h′(t)=−1e−1(0<t<1/e)\displaystyle h(t)=\frac{1-t}{e-1},\qquad h^{\prime}(t)=-\frac1{e-1}\quad(0<t<1/e)이다.(ii) t>1/e\displaystyle t>1/e이면 N(u)=0\displaystyle N(u)=0인 유일한 u>e\displaystyle u>e에서 최대이고t=ln⁡u−1+1u,h(t)=1u,h′(t)=−1u−1\displaystyle t=\ln u-1+\frac1u,\qquad h(t)=\frac1u,\qquad h^{\prime}(t)=-\frac1{u-1}이다. t\displaystyle t를 u\displaystyle u로 미분한 값 (u−1)/u2\displaystyle (u-1)/u^2이 양수이므로 이 구간에서 u(t)\displaystyle u(t)는 미분가능하다.

h(1/e)=1/e\displaystyle h(1/e)=1/e이고 1/(e+2)<1/e\displaystyle 1/(e+2)<1/e이므로 a>1/e\displaystyle a>1/e이다.따라서 u(a)=e+2\displaystyle u(a)=e+2이고h′(1/(2e))h′(a)=(−1e−1)(−1e+1)=1e2−1\displaystyle h^{\prime}(1/(2e))h^{\prime}(a)=\left(-\frac1{e-1}\right)\left(-\frac1{e+1}\right)=\frac1{e^2-1}이다. 경계 t=1/e\displaystyle t=1/e에서는 두 식의 함수값과 좌우 미분계수가 일치한다.

연결 예제 4 · 두 임계 절편의 일치2025년 7월 고3 전국연합학력평가 미적분 28번 · 조건 재구성
문제

a\displaystyle a를 실수라 하고f(x)={ln⁡(−x)x(x<0),−x2+2x+a(x≥0)\displaystyle f(x)=\begin{cases}\dfrac{\ln(-x)}x&(x<0),\\-x^2+2x+a&(x\ge0)\end{cases}로 정한다. 0<t<2\displaystyle 0<t<2에서 f′(x)=t\displaystyle f^{\prime}(x)=t인 음수 해를 g(t)\displaystyle g(t)라 하자.

k≥a\displaystyle k\ge a인 모든 높이 k\displaystyle k에서 직선 y=tx+k\displaystyle y=tx+k가 y=f(x)\displaystyle y=f(x)와 정확히 두 교점을 갖도록 a=h(t)\displaystyle a=h(t)를 정한다. g(1)+h′(1)\displaystyle g(1)+h^{\prime}(1)을 계산하여라. lim⁡x→∞ln⁡x/x=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\ln x/x=0을 이용해도 좋다.

  • ① 13\displaystyle \frac13
  • ② 12\displaystyle \frac12
  • ③ 23\displaystyle \frac23
  • ④ 56\displaystyle \frac56
  • ⑤ 1\displaystyle 1
해설

음수 쪽에서 q(x)=ln⁡(−x)/x\displaystyle q(x)=\ln(-x)/x라 놓고 L(x)=q(x)−tx\displaystyle L(x)=q(x)-tx를 생각하자.q′(x)=(1−ln⁡(−x))/x2\displaystyle q^{\prime}(x)=(1-\ln(-x))/x^2는 x≤−e\displaystyle x\le-e에서 0 이하이고,−e<x<0\displaystyle -e<x<0에서는 q′′(x)={2ln⁡(−x)−3}/x3>0\displaystyle q^{\prime\prime}(x)=\{2\ln(-x)-3\}/x^3>0이다.따라서 L\displaystyle L은 x=g(t)\displaystyle x=g(t)까지 감소하고 그 뒤 증가한다.양 끝에서 L\displaystyle L이 ∞\displaystyle \infty로 가므로 최솟값B(t)=q(g(t))−tg(t)\displaystyle B(t)=q(g(t))-tg(t)보다 작은 높이에서는 교점이 0개, 같은 높이에서는 1개, 큰 높이에서는 2개이다.

양수 쪽을 포함한 x≥0\displaystyle x\ge0에서는f(x)−tx=−x2+(2−t)x+a\displaystyle f(x)-tx=-x^2+(2-t)x+a이고, 꼭짓점 v=(2−t)/2>0\displaystyle v=(2-t)/2>0에서 최댓값C(t)=a+(2−t)24>a\displaystyle C(t)=a+\frac{(2-t)^2}{4}>a를 갖는다. a≤k<C(t)\displaystyle a\le k<C(t)에서 교점은 2개, k=C(t)\displaystyle k=C(t)에서 1개, k>C(t)\displaystyle k>C(t)에서 0개이다.모든 k≥a\displaystyle k\ge a에서 두 쪽의 교점 수 합이 2가 되려면, 또 그러기 위해서는 B(t)=C(t)\displaystyle B(t)=C(t)여야 한다.실제로 두 임계 높이가 다르면 그 사이의 k>a\displaystyle k>a에서 합이 0개 또는 4개가 된다.

따라서h(t)=B(t)−(2−t)24\displaystyle h(t)=B(t)-\frac{(2-t)^2}{4}이다. q′(g(t))=t\displaystyle q^{\prime}(g(t))=t이고 그 점에서 q′′>0\displaystyle q^{\prime\prime}>0이므로 g\displaystyle g는 미분가능하다.절편의 미분 공식으로 B′(t)=−g(t)\displaystyle B^{\prime}(t)=-g(t)이므로h′(t)=−g(t)+2−t2\displaystyle h^{\prime}(t)=-g(t)+\frac{2-t}{2}이다. 그러므로g(1)+h′(1)=12\displaystyle g(1)+h^{\prime}(1)=\frac12이므로 정답은 ②이다.

*적용할 때 확인할 것

먼저 최댓값이나 최솟값을 갖는 점이 어디에 있는지 확인한다.그 점이 정의역 내부에 있으면 미분계수가 0이라는 조건을 이용한다.최적점이 미분가능하게 움직이는 구간에서 합성함수를 미분하면, 그 점의 변화율이 곱해진 항이 사라진다.끝점에서 최적값을 갖거나 최적점이 바뀌는 곳은 따로 살핀다.

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