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합성함수의 연속 구간을 다시 판단하는 법

합성된 연속함수의 성질에서 처음 생긴 오류는 “연속함수끼리 합성하면 언제나 연속이다”라고 판단한 것이었다. 그러나 합성함수는 먼저 안쪽 함수의 치역이 겉함수의 정의역에 들어가는지 확인해야 한다. 이 과정을 주안지구과외 수업에서도 반복해 점검할 수 있다.

하나의 식에서 출발하기

다음 함수를 보자.

\(g(x)=\sqrt{5-x}\), \(f(t)=\ln(t-1)\)

합성함수는

\[ (f\circ g)(x)=\ln(\sqrt{5-x}-1) \]

이다. \(g(x)\)가 정의되려면 \(5-x\ge 0\), 즉 \(x\le 5\)여야 한다. 하지만 로그의 진자값은 양수여야 하므로

\[ \sqrt{5-x}-1>0 \]

이어야 한다. 따라서 \(\sqrt{5-x}>1\), \(5-x>1\)이므로 \(x<4\)이다.

연속 구간의 결정

결국 합성함수의 정의역은 \((-\infty,4)\)이고, 이 구간에서 제곱근 함수와 로그 함수의 조건이 모두 만족된다. 따라서 \(f\circ g\)는 \((-\infty,4)\)에서 연속이다.

\(x=4\)에서는 로그의 진자값이 \(0\)이 되어 함수가 정의되지 않는다. 그러므로 \(x=4\)에서 연속성을 논할 수 없다.

안쪽 함수의 치역을 먼저 확인하기

겉함수 \(f(t)=\ln(t-1)\)의 정의역은 \(t>1\)이다. 안쪽 함수 \(g(x)=\sqrt{5-x}\)의 치역 전체가 이 조건을 만족하는 것은 아니다. \(x=5\)일 때 \(g(5)=0\)이므로 겉함수에 대입할 수 없다.

따라서 “각 함수가 연속이므로 합성함수도 모든 실수에서 연속”이라는 결론은 틀렸다. 정확한 판단은 다음 순서로 이루어진다.

  1. 안쪽 함수의 정의 조건을 구한다.
  2. 안쪽 함수의 값이 겉함수의 정의역에 들어가는지 확인한다.
  3. 두 조건을 동시에 만족하는 구간에서 연속성을 판단한다.

비교 예시

\[ h(x)=\sqrt{\ln(x+2)} \]

로그 조건에서 \(x+2>0\)이고, 제곱근 조건에서 \(\ln(x+2)\ge0\)이어야 한다. 후자의 조건은 \(x+2\ge1\), 즉 \(x\ge-1\)이다. 따라서 \(h(x)\)는 \([-1,\infty)\)에서 연속이다.

여기서 \(x=-1\)에서는 \(\ln 1=0\)이므로 함수가 정의되며, 끝점에서의 연속도 성립한다.

최종 검증 기록

새 문제에서 먼저 확인할 질문은 “두 함수가 연속인가?”가 아니라 “합성된 식이 어디에서 정의되는가?”이다. 특히 루트와 로그가 함께 있으면 각 조건을 따로 구한 뒤 교집합을 취해야 한다.

확인 항목 판단
\(\sqrt{5-x}\) \(x\le5\)
\(\ln(\sqrt{5-x}-1)\) \(\sqrt{5-x}-1>0\)
최종 정의역 \(x<4\)
연속성 \((-\infty,4)\)에서 연속

정답률보다 중요한 것은 정의역을 먼저 확인하는 습관이다. 이 습관이 남아 있으면 식의 구간이 바뀌거나 새로운 루트·로그 합성 문제가 나와도 같은 방식으로 판단할 수 있다.

주안지구 고2수학과외 학부모 후기

주말에 시험 범위를 다시 펼쳐 놓은 아이가 수열 부분에서 잠시 멈춰 있더라고요. 항 번호와 값을 따로 적어 둔 뒤 필요한 부분만 체크하고 자료를 정리했어요. 예전에는 확인이 덜 된 내용이 있어도 그냥 한꺼번에 덮어 두는 경우가 많았거든요. 단원평가를 본 날에는 시험지를 받아 와서 계산 흔적부터 살펴봤습니다. 수열 문제 옆에 항 번호와 값을 구분해 적어 놓은 게 눈에 들어왔어요. 두 항 사이의 간격을 먼저 확인하려고 적어 둔 모양이었고, 답만 급하게 찾아본 흔적과는 달라 보였습니다. 주안지구 수학과외 이야기를 나누던 중에도 집에서 이런 장면을 보게 될 줄은 몰랐어요. 예전에는 문제를 다 푼 뒤 확인하지 않은 부분까지 함께 접어 두었는데, 이번에는 필요한 한 곳만 표시하고 그 자리에서 자료를 덮었습니다.

★★★★★학부모 후기

문제집을 책상 옆으로 밀어두려던 순간, 아이가 손을 멈추더라고요. 계산이 길게 이어진 문제였는데 처음 줄부터 다시 적는 대신, 틀린 계산이 나온 줄 바로 앞에 연필을 대고 그 부분부터 풀기 시작했어요. 전에는 한 번 끝낸 문제집에서 무엇을 다시 볼지 스스로 고르는 일이 거의 없었거든요. 주안지구 수학과외 이야기를 나누며 집에서 문제집을 챙겨 보던 때였는데, 그 장면은 꽤 구체적으로 보이더라고요. 전체 풀이를 지우거나 처음부터 반복하지 않고, 오류가 생긴 곳으로 바로 돌아간 모습이었어요. 새로운 조건이 붙은 문제를 읽을 때도 같은 선택을 했습니다. 앞부분의 계산을 전부 건드리지 않고 잘못된 줄 직전까지 눈으로 확인한 다음, 그 자리에서 풀이를 다시 이어갔어요. 긴 문제를 처음부터 되풀이하지 않고 한 부분만 골라 손을 댄 게 눈에 띄었습니다.

★★★★★학부모 후기

새 문제집을 펼쳐 둔 날, 책상 위가 조금 어수선해서 정리하려다가 아이가 적분 문제를 풀어 둔 부분을 보게 됐어요. 그래프에 교점과 적분 구간의 양 끝이 다시 표시돼 있더라고요. 그 표시를 기준으로 식을 세운 흔적도 같이 있었고요. 주안지구 수학과외를 알아볼 때부터 이런 장면을 기대했던 건 아니었는데, 예예전에는 막히는 문제가 나와도 어디에서 막혔는지 따로 남겨 두지 않는 편이었거든요. 이번에는 눈에 들어오는 위치에 경계를 그어 두고 풀이를 이어 간 점이 달랐어요. 새로운 서술형 문제를 만난 날에도 그래프부터 살펴보니 교점과 적분 구간을 먼저 구분해 두었어요. 나중에 다시 볼 부분이라는 게 드러나도록 짧은 흔적까지 곁들여져 있어서, 계산식보다 앞에 무엇을 확인했는지가 보였습니다.

★★★★★학부모 후기

처음에는 낯을 가려 수업 중에도 이해했다며 넘어가기 일쑤였는데, 주안지구에서 수학 과외를 시작한 뒤 두세 번 지나자 모르는 부분을 먼저 말하기 시작했습니다. 선생님은 숙제와 복습을 챙길 때 답을 바로 알려주지 않고 어디까지 아는지 물은 뒤, 그날 할 일과 다음에 확인할 내용을 나눠 주셨습니다. 시험기간에도 틀린 문제를 그대로 지나치지 않고 다시 살펴보는 모습이 보여 조금씩 달라지고 있음을 느꼈습니다.

★★★★★학부모 후기

새 교재를 시작한 첫 주, 주안지구 수학 과외에서 아이가 풀이를 설명하려고 한 모습이 기억에 남았습니다. 모르는 문제를 그냥 넘기던 아이에게 선생님은 익숙한 기초 문제부터 다시 짚고, 답 대신 생각을 정리할 기준을 알려 주셨습니다. 집에서도 해야 할 양을 나누어 보며 공부를 조금 편하게 받아들이는 듯했습니다.

★★★★★학부모 후기

숙제 검사를 받을 때마다 틀린 문제부터 슬쩍 넘기던 아이가 요즘은 풀이를 다시 설명해보려 합니다. 주안지구 선생님은 맞힌 문제도 어떻게 풀었는지 차분히 물어보며 집중 상태를 살피고, 시험 전에는 부족한 부분을 복습할 시간을 남겨 주셨습니다. 틀린 뒤에도 금방 다시 이어가는 모습이 기특합니다.

★★★★☆학부모 후기