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합성함수의 연속성: 안쪽 함수의 값이 겉함수의 정의역에 들어가는가

학생 풀이 기록에는 다음과 같은 문장이 있었다.

“각 함수가 연속이면 합성함수도 정의역 조건 없이 연속이다.”

이 판단은 합성함수의 연속성을 확인할 때 가장 먼저 보완해야 할 부분이다. 겉함수와 안쪽 함수가 각각 연속이어도, 안쪽 함수의 값이 겉함수의 정의역에 들어가지 않으면 합성함수 자체가 정의되지 않을 수 있다.

하나의 식에서 출발하기

다음 함수를 보자.

\(f(t)=\sqrt{t-1}\), \(g(x)=\ln(2-x)\)

합성함수는

\[ (f\circ g)(x)=f(g(x))=\sqrt{\ln(2-x)-1} \]

정의역을 먼저 결정한다

로그가 정의되려면

\[ 2-x>0 \]

또한 제곱근 안이 0 이상이어야 하므로

\[ \ln(2-x)-1\ge 0 \]

따라서

\[ \ln(2-x)\ge1 \quad\Longleftrightarrow\quad 2-x\ge e \quad\Longleftrightarrow\quad x\le2-e \]

결국 합성함수의 정의역은 \((-\infty,2-e]\)이다. 로그함수는 \(x<2\)에서 연속이고, 제곱근함수는 \(t\ge1\)에서 연속이다. 안쪽 함수의 값이 \(t\ge1\)을 만족하는 구간에서만 합성이 가능하므로 \(f\circ g\)는 \((-\infty,2-e]\)에서 연속이다.

두 조건을 한 줄에 섞지 않기

함수별 연속성

안쪽 함수 \(g(x)=\ln(2-x)\)는 \(x<2\)에서 연속이다. 겉함수 \(f(t)=\sqrt{t-1}\)는 \(t\ge1\)에서 연속이다.

합성 가능 조건

하지만 합성함수의 연속성을 말하려면 다음 조건도 필요하다.

\[ g(x)\in\text{정의역}(f) \]

이 문제에서는

\[ \ln(2-x)\ge1 \]

이어야 한다. 단순히 두 함수가 연속이라는 사실만으로 모든 실수에서 합성함수가 연속이라고 할 수 없다.

교정된 판단과 새로운 적용

일반적으로 \(g\)가 \(x=a\)에서 연속이고, \(f\)가 \(g(a)\)에서 연속이며 \(g(a)\)가 \(f\)의 정의역에 속하면 \(f\circ g\)는 \(x=a\)에서 연속이다.

따라서 확인 순서는 다음과 같다.

  1. 안쪽 함수와 겉함수의 정의역을 각각 확인한다.
  2. 안쪽 함수의 값이 겉함수의 정의역에 들어가는 조건을 구한다.
  3. 그 조건을 만족하는 범위에서 합성함수의 연속성을 판단한다.

예를 들어 \(f(t)=\dfrac1{t-3}\), \(g(x)=x^2+3\)이면 두 함수는 각각 연속이지만 \(g(x)\ne3\)인 모든 \(x\)에서만 합성이 가능하다. 실제로 \(x^2+3=3\)인 \(x=0\)에서는 \(f(g(0))\)가 정의되지 않는다.

이처럼 만수지구과외에서 합성함수 문제를 정리할 때도 공식보다 먼저 안쪽 함수의 값과 겉함수의 정의역을 대조해야 한다. 최종 답에는 연속 구간뿐 아니라 합성함수가 정의되는 조건이 함께 포함되어야 한다.

수학 문장을 소리 내어 읽어 보기

작성한 풀이를 처음 보는 사람에게 설명하듯 읽어 보세요. 이 값, 여기, 이것처럼 가리키는 대상이 불분명한 표현이 있으면 어떤 식이나 조건을 뜻하는지 적어 줍니다. 고2 답안에서 설명을 길게 늘리지 않고 의미를 분명히 하는 연습으로 사용할 수 있습니다.

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