진북동 고2수학과외







항별 최대값을 더하면 왜 틀릴까
학생의 풀이 기록에는 다음과 같이 적혀 있었다.
함수 \(f(x)=3\sin x+4\cos x\)에서 \(3\sin x\le 3\), \(4\cos x\le 4\)이므로 \(f(x)\le 7\)이다.
첫 줄의 부등식 자체는 맞지만, 두 항이 동시에 최대가 된다고 볼 수는 없다. \(\sin x=1\)일 때 \(\cos x=0\)이고, \(\cos x=1\)일 때 \(\sin x=0\)이기 때문이다.
하나의 진폭으로 묶기
두 항은 같은 각 \(x\)를 사용하므로 각각 따로 다루지 않고 하나의 사인 함수로 바꾼다.
\[ 3\sin x+4\cos x=5\left(\frac35\sin x+\frac45\cos x\right) \]
\(\frac35\)와 \(\frac45\)는 피타고라스 관계를 이루므로 어떤 각 \(\alpha\)에 대하여
\[ \frac35\sin x+\frac45\cos x=\sin(x+\alpha) \]
로 나타낼 수 있다. 따라서
\[ f(x)=5\sin(x+\alpha) \]
이고, \(-1\le\sin(x+\alpha)\le1\)이므로 함수의 범위는
\[ \boxed{-5\le f(x)\le5} \]
이다. 최댓값은 \(5\), 최솟값은 \(-5\)다. \(7\)은 각 항의 최대값을 단순히 더해 얻은 값일 뿐 실제 함수가 가질 수 없는 값이다.
계수가 바뀌어도 같은 구조인가
이번에는 \(g(x)=5\sin x-12\cos x\)의 범위를 구해 보자.
계수의 크기는 \(5\)와 \(12\)이므로 진폭은
\[ \sqrt{5^2+(-12)^2}=\sqrt{25+144}=13 \]
이다. 따라서 적절한 각 \(\beta\)에 대해
\[ g(x)=13\sin(x+\beta) \]
로 쓸 수 있고, 범위는 \(\boxed{[-13,13]}\)이다. 부호가 달라져도 계수 제곱의 합으로 진폭을 계산한다.
부분 풀이를 완성하는 기준
일반적으로 \(a\sin x+b\cos x\)의 범위는
\[ \boxed{\left[-\sqrt{a^2+b^2},\ \sqrt{a^2+b^2}\right]} \]
이다. \(a\sin x\)와 \(b\cos x\)의 최대값을 각각 구해 더하는 대신, 같은 각의 조합을 하나의 진폭 형태로 바꾸는 것이 핵심이다.
진북동과외에서 이 유형을 점검할 때도 먼저 “두 항의 각이 같은가?”를 확인하면 항별 최대합이라는 오류를 줄일 수 있다.