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연속함수의 합과 차, 성분별 연속성 확인하기

“함수의 합이 연속이므로 두 함수도 각각 연속이다.” 이 판단은 항상 성립하지 않습니다. 대구불로동과외 수업에서는 합과 차의 성질을 적용하기 전에 각 함수가 해당 점에서 연속인지 먼저 확인하도록 풀이 순서를 점검합니다.

역문제에서 드러난 판단의 한계

다음과 같은 함수쌍을 생각해 봅시다.

\(f(x)=\begin{cases}1,&x\ne0\\0,&x=0\end{cases}\), \(g(x)=\begin{cases}-1,&x\ne0\\0,&x=0\end{cases}\)

\(x=0\)에서 \(f\)와 \(g\)는 모두 연속이 아닙니다. 실제로

\(\displaystyle \lim_{x\to0}f(x)=1\ne f(0)=0\), \(\displaystyle \lim_{x\to0}g(x)=-1\ne g(0)=0\)입니다.

합이 연속이어도 성분이 연속이라는 뜻은 아니다

하지만 \(f(x)+g(x)=0\)이므로 \(f+g\)는 \(x=0\)에서 연속입니다. 따라서 “합이 연속이면 각 함수도 연속이다”라는 역방향 추론은 잘못입니다.

이 장면에서 오답 원인은 합의 성질 자체가 아니라, 정리의 조건과 결론을 거꾸로 적용한 데 있습니다.

정방향 성질의 정확한 적용

합과 차의 연속성

함수 \(f\)와 \(g\)가 \(x=a\)에서 각각 연속이면, 다음 함수들도 \(x=a\)에서 연속입니다.

  • \(f+g\)
  • \(f-g\)

이는

\(\displaystyle \lim_{x\to a}(f(x)\pm g(x))=\lim_{x\to a}f(x)\pm\lim_{x\to a}g(x)=f(a)\pm g(a)\)

이기 때문입니다.

조각함수에 적용하는 순서

예를 들어

\(f(x)=\begin{cases}x+1,&x<1\\2x,&x\ge1\end{cases}\), \(g(x)=x^2\)

의 \(x=1\)에서 \(f+g\)의 연속성을 확인해 보겠습니다.

\(f\)는

\(\displaystyle \lim_{x\to1^-}f(x)=2,\quad \lim_{x\to1^+}f(x)=2,\quad f(1)=2\)

이므로 \(x=1\)에서 연속입니다. \(g(x)=x^2\)도 모든 실수에서 연속입니다. 따라서 \(f+g\)는 \(x=1\)에서 연속입니다.

실제로

\[ (f+g)(x)= \begin{cases} x^2+x+1,&x<1\\ x^2+2x,&x\ge1 \end{cases} \]

이고, 좌극한과 우극한 및 함수값은 모두 \(3\)입니다.

학생 풀이를 고치는 기준

다음 세 질문을 순서대로 확인하면 비슷한 오류를 줄일 수 있습니다.

  1. 각 함수가 문제의 점에서 연속인가?
  2. 연속이라면 합 또는 차의 성질을 적용할 수 있는가?
  3. 구하려는 대상이 각 함수인지, 합·차 함수인지 구분했는가?

대구고3수학과외에서 조각함수를 다룰 때도 먼저 좌극한, 우극한, 함수값을 비교한 뒤 성질을 사용합니다. 성질은 조건을 확인한 다음 적용해야 하며, 합이나 차의 연속성만으로 각 성분의 연속성을 결론 내릴 수는 없습니다.

최종 확인

두 함수가 \(x=a\)에서 연속이면 \(f+g\)와 \(f-g\)는 \(x=a\)에서 연속입니다. 그러나 \(f+g\) 또는 \(f-g\)가 연속이라는 사실만으로 \(f\)와 \(g\)가 각각 연속이라고 할 수는 없습니다.

대구불로동 고2수학과외 학부모 후기

교과서 복습을 하던 밤에 아이가 숫자 몇 개를 손가락으로 가린 채 문제를 다시 풀고 있더라고요. 답을 외워서 적는 건가 싶었는데, 숫자가 달라져도 앞에서 했던 판단이 그대로 맞는지 확인하려는 모습이었어요. 확인한 자리에는 연필로 짧게 표시도 남겨 두었고요. 주말 늦은 오후에 같은 장면을 한 번 더 봤습니다. 예전에는 결과가 틀리면 풀이 전체를 지우고 처음부터 다시 시작했거든요. 그런데 이번에는 숫자 부분만 가린 뒤 자기 풀이의 판단을 따로 점검하고 있더라고요. 대구불로동 수학과외를 알아보며 기대했던 건 이런 거창한 변화가 아니라, 틀린 답 앞에서 무작정 처음으로 돌아가지 않는 모습이었는데 그 차이가 눈에 띄었습니다. 마지막까지 가린 숫자를 다시 확인하며 풀이를 이어가더라고요.

★★★★★학부모 후기

교과서 다음 단원을 복습하던 주말, 아이가 풀이를 살펴보다가 계산이 어긋난 줄 바로 앞에 연필을 대고 그 지점부터 다시 이어 가더라고요. 다 푼 부분을 전부 지우지 않고 오류가 생긴 곳만 거슬러 올라간 뒤, 옆에 왜 다시 보는지 짧게 적어 두는 모습이 눈에 띄었어요. 방학 중 평일 오전에도 긴 계산 문제를 풀다가 비슷한 장면이 있더라고요. 예예전에는 답이 틀리면 마지막 결과부터 확인하고 처음부터 새로 풀곤 했는데, 그날에는 틀린 줄 앞에서 풀이를 멈춘 뒤 그다음 계산만 차례로 다시 살폈습니다. 대구불로동 수학과외를 찾아보며 보게 된 변화라기보다, 집에서 문제를 대하는 방식이 달라진 순간이 선명했어요. calc?

★★★★★학부모 후기

월요일 아침 가방을 챙기다가 책상 위 서술형 풀이를 보게 됐어요. 답안을 통째로 지운 게 아니라 중간에 적어 둔 식부터 다시 써 본 흔적이 남아 있더라고요. 어디서부터 손댔는지 한눈에 보여서 잠깐 멈춰서 보게 됐습니다. 예전에는 틀린 답을 발견해도 앞뒤 과정을 이어서 살피기보다는 그 부분만 지우거나 답을 다시 적는 경우가 많았거든요. 그런데 이번에는 서술형 전체를 처음부터 고친 게 아니라, 잘못된 중간식이 있는 지점부터 차근차근 다시 적어 놓았어요. 대구불로동 수학과외 이야기를 나누던 중에도 이런 변화가 집에서 보인다는 점을 말하게 됐습니다. 그날 밤 숙제할 때도 같은 방식으로 쓰고 있었습니다. 중간식이 맞지 않는 부분부터 고쳐 적은 뒤, 확인한 곳에는 짧게 표시만 해 두었어요. 답안 전체를 지우지 않고 필요한 자리부터 다시 살피는 모습이 전과 달랐습니다.

★★★★★학부모 후기

대구불로동에서 수학 과외를 시작한 뒤, 숙제를 마치면 아이가 먼저 오늘 배운 내용을 제게 설명해 주는 일이 잦아졌습니다. 예전에는 틀릴까 봐 어려운 문제 하나를 붙잡고 계획한 시간까지 넘기곤 했는데, 선생님께서는 충분히 생각할 시간을 주고 무리하게 진도를 나가지 않으셨다고 합니다. 수업이 있는 날에도 부담스러워하지 않는 모습이 성적보다 먼저 느껴져 좋게 느껴집니다.

★★★★☆학부모 후기

대구불로동에서 수학 과외를 시작한 뒤, 아이가 책상에 앉기 전 복습할 범위를 먼저 정하는 모습도 조금씩 생겼습니다. 학교 행사로 공부 시간이 줄어든 날에도 선생님이 다음 수업까지 할 일을 짧게 나눠 주고 일정에 맞게 다시 조정해 주셔서 부담 없이 따라갔습니다. 계획이 한 번 밀려도 포기하지 않고 이어 가는 태도가 보여 학부모로서 가장 좋게 느껴집니다.

★★★★★학부모 후기

시험 직전 주말에도 아이가 새 문제만 찾지 않고, 학교에서 돌아와 가방을 내려놓은 뒤 틀린 문제부터 다시 펼쳐보는 모습이 눈에 띄었습니다. 대구불로동 수학 선생님은 어려운 부분에서 진도를 서두르지 않고 아이가 이해할 때까지 차분히 맞춰 주셨고, 복습 계획도 무리 없이 지키도록 도와주셨습니다.

★★★★★학부모 후기