






문장형 최적화 문제 모델링: 두 변수 오류를 하나의 함수로 바꾸기
최종 답을 다시 확인하는 순간, 처음 풀이의 문제가 드러났다. 직사각형의 가로를 \(x\), 세로를 \(y\)로 두고 넓이 \(xy\)를 그대로 미분하려 했지만, 변수 두 개가 남아 있어 미분할 함수가 완성되지 않았다. 학익지구과외에서는 이런 오류를 계산 실수보다 먼저 모델링의 문제로 점검한다.
오답의 출발점은 목적함수보다 조건식이었다
문제: 둘레가 \(40\text{ m}\)인 직사각형의 넓이의 최댓값을 구하여라.
처음 풀이에서는
\[ A=xy,\qquad 2x+2y=40 \]
까지 세운 뒤 \(A=xy\)를 미분하려 했다. 그러나 \(A\)가 \(x\)와 \(y\)의 함수로 남아 있으므로 이 상태에서는 한 변수 함수의 미분을 적용할 수 없다.
조건으로 변수를 하나 제거하기
둘레 조건에서
\[ x+y=20,\qquad y=20-x \]
를 얻는다. 따라서 넓이는
\[ A(x)=x(20-x)=-x^2+20x \]
가 된다. 직사각형의 변의 길이이므로 정의역은
\[ 0<x<20 \]
이다.
하나의 함수로 만든 뒤 최댓값을 확인하다
\[ A'(x)=-2x+20 \]
이므로
\[ A'(x)=0\Rightarrow x=10 \]
이다. 이때 \(y=20-10=10\)이고,
\[ A_{\max}=10\cdot10=100 \]
이다. 또한 \(A(x)\)는 아래로 열린 이차함수이므로 \(x=10\)에서 최댓값을 갖는다.
조건이 바뀐 문제에 적용하기
이번에는 넓이가 \(48\text{ m}^2\)인 직사각형의 둘레의 최솟값을 구해 보자.
\[ xy=48\Rightarrow y=\frac{48}{x},\qquad x>0 \]
둘레를 목적함수로 두면
\[ P(x)=2x+2y=2x+\frac{96}{x} \]
이다. 따라서
\[ P'(x)=2-\frac{96}{x^2} \]
이고,
\[ P'(x)=0\Rightarrow x^2=48\Rightarrow x=4\sqrt3 \]
이다. 이때 \(y=4\sqrt3\)이므로 정사각형이 되고, 최소 둘레는
\[ P_{\min}=16\sqrt3 \]
이다.
최종 검증: 구한 값이 질문과 맞는가
- 넓이를 묻는 첫 문제에서는 \(A=xy\)를 목적함수로 설정했다.
- 둘레 조건으로 \(y\)를 \(x\)에 대한 식으로 바꾸었다.
- 두 번째 문제에서는 넓이 조건으로 \(y=\frac{48}{x}\)를 만들었다.
- 변의 길이는 양수이므로 두 문제 모두 정의역 조건을 확인했다.
- 첫 문제의 답은 넓이 \(100\), 두 번째 문제의 답은 둘레 \(16\sqrt3\)로 질문과 일치한다.
문장형 최적화에서는 식을 세우는 것보다 무엇을 목적함수로 삼고, 조건식으로 어떻게 변수를 줄이는지가 핵심이다. 이 과정을 점검하는 대구과외식 학습에서는 계산 전 모델의 의미와 정의역부터 확인한다.