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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.

만수지구 고2수학과외 학부모 후기

수학 문제집을 펼쳐 보니 수열 문제 옆에 숫자가 한 줄로만 적혀 있지 않고, 항 번호와 값이 따로 나뉘어 있더라고요. 지나가다 잠깐 본 건데, 두 항 사이를 먼저 살펴본 흔적이 눈에 띄었어요. 새 학기 첫 시험을 앞둔 시기라 그런지 문제를 보는 순서가 예전과 달라 보였습니다. 예전에는 공부를 끝내고도 헷갈린 부분을 따로 남겨 두는 일이 거의 없었거든요. 그런데 이번에는 항 번호와 값을 구분해서 적은 뒤, 두 항 사이의 간격부터 확인하고 있었습니다. 만수지구 수학과외라는 말을 찾아보던 때에도 이런 구체적인 장면을 보게 될 줄은 몰랐어요. 수학 수업이 없는 평일 저녁에는 다른 수열 문제를 풀고 나서도 번호와 값을 나누어 적어 두었어요. 확인하면서 남은 흔적을 지우지 않은 채 책을 덮어 둔 모습이 그대로 보였습니다.

★★★★☆학부모 후기

주말에 교과서 다음 단원을 다시 보던 아이가 계산하다가 멈추더니, 자꾸 반복되는 실수를 짧게 적어 두더라고요. 예전처럼 그냥 넘어간 게 아니라 왜 확인했는지 알 수 있게 한두 단어를 곁에 남겨 놓았어요. 같은 계산에서 또 헷갈린 부분을 표시한 것 같았습니다. 방학 중 평일 오전에도 별말 없이 문제집을 펼쳐 놓고 있길래 지나가며 봤는데, 맨 뒤쪽에 자주 틀리는 계산 습관을 간단히 적어 둔 게 보이더라고요. 예전에는 오답을 볼 때 어디서 잘못 시작했는지보다 마지막 답만 먼저 확인하곤 했거든요. 만수지구 수학과외 관련해서 이야기를 나누던 때에도 이런 모습은 생각하지 못했는데, 이번에는 결과만 보는 대신 반복되는 계산을 따로 남겨 두고 있었습니다. 문제집 뒤에 적힌 짧은 문장이 눈에 띄었어요.

★★★★★학부모 후기

모의고사를 본 날 밤, 책상 주변을 치우다가 아이가 서술형 답안을 통째로 지운 흔적을 보게 됐어요. 답만 고친 게 아니라 중간에 적었던 식부터 다시 써 놓았더라고요. 어디서부터 잘못됐는지 확인하려고 한 것 같아 잠깐 눈길이 갔습니다. 만수지구 수학과외 이야기를 나누던 때에도 이 부분이 기억에 남았어요. 예전에는 다시 살펴볼 문제여도 표시를 따로 해두지 않아 나중에 찾기 어려웠는데, 이번 자료에는 다시 볼 곳이 구체적으로 남아 있었습니다. 답안 전체를 건드리기보다 틀린 중간식부터 손본 점도 전과 달랐고요. 학교 숙제를 하던 날에는 그 모습이 더 분명했어요. 풀이를 처음부터 다시 쓰지 않고 잘못된 식이 있는 자리부터 고친 뒤, 나중에 확인할 자료가 한눈에 보이도록 따로 정리해 두었더라고요.

★★★★★학부모 후기

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만수지구에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 모르는 문제를 혼자 붙잡고 있다가 질문할 생각조차 못 했습니다. 시험이 다가와 마음이 조급했던 어느 날 처음으로 수업 중에 막힌 부분을 물었고, 선생님은 진도를 멈추지 않으면서도 이해할 때까지 차분히 들어 주셨습니다. 숙제도 늦은 시간까지 무리하게 남지 않도록 할 수 있는 양으로 나눠 주셔서, 요즘은 밀린 날에도 포기하지 않고 쉬운 문제부터 시작합니다.

★★★★★학부모 후기

만수지구에서 수학과외를 시작하기 전에는 책상에 앉아도 그날 공부할 분량을 정하지 못하고 막연히 시간을 보내곤 했습니다. 두세 번 수업이 이어지자 선생님이 복습할 부분과 다음 공부를 차분히 정해 주셨고, 모르는 내용을 말해도 괜찮다며 스스로 생각할 시간을 기다려 주셨습니다. 이제는 두 번째 수업을 기다리며 지난 내용을 먼저 펼쳐 보고, 질문할 때도 전보다 눈치를 덜 보게 됐습니다.

★★★★★학부모 후기