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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.

학익지구 고2수학과외 학부모 후기

월요일 아침 가방을 챙기다가 책상 위 종이를 정리했는데, 적분 문제 풀이에 그래프가 눈에 띄었어요. 아이가 곡선이 만나는 곳과 적분 범위의 양 끝을 따로 찾아 표시해 둔 뒤 그걸 바탕으로 식을 세워 놓았더라고요. 예전에는 틀린 답을 발견해도 그 앞뒤 풀이까지 이어서 살펴보는 모습은 거의 못 봤거든요. 학익지구 수학과외 이야기를 나누던 중에도 저는 이런 작은 변화가 있었던 일을 떠올렸어요. 단순히 답만 고친 게 아니라, 그래프에서 어디를 기준으로 계산해야 하는지 먼저 짚어 둔 점이 기억에 남았어요. 서술형 과제를 쓰던 밤에는 같은 단원의 다른 문제에서도 그래프에 만나는 지점과 범위의 시작·끝을 표시해 두었어요. 풀이를 마친 뒤에는 자신이 확인한 부분 옆에 짧은 표시 하나만 남겨 놓았고요.

★★★★★학부모 후기

학교에서 돌아온 아이가 책상에 앉아 문제집을 펼쳤는데, 서술형 답안을 통째로 지우고 있더라고요. 답만 고치려는 줄 알았는데 중간에 적어 둔 식부터 다시 써 내려간 흔적이 보이더라고요. 그 장면을 보니 전에는 풀이 과정에 남기는 표시도 맞았는지 틀렸는지 결과를 확인하는 데 치우쳐 있었거든요. 학익지구 수학과외 이야기를 나누던 때와는 별개로, 집에서 문제를 보는 모습이 조금 달라진 게 눈에 띄었어요. 답안 전체를 다시 꾸미기보다 어디서부터 잘못됐는지 중간식을 먼저 살피고 손을 대더라고요. 방학 오전에 다른 교재를 꺼냈을 때도 같은 방식이 이어졌어요. 풀이를 처음부터 다시 쓰지 않고 잘못된 중간식부터 고친 뒤, 필요한 흔적만 남겨 둔 채 문제를 마무리했습니다.

★★★★★학부모 후기

새로운 조건이 붙은 문제를 읽던 날, 아이가 시험지 여백에 틀린 이유를 짧게 적어두었어요. 길게 풀이를 옮겨 쓰거나 설명을 덧붙인 건 아니고, 왜 틀렸는지만 한 부분에 남겨 놓았더라고요. 그 표시를 보고 나중에 다시 볼 곳을 바로 찾을 수 있겠다는 생각이 들었습니다. 학익지구 수학과외를 알아보던 때와는 별개로 집에서 문제집을 정리하다가 시험지도 함께 보게 됐어요. 문제집을 책상 한쪽으로 밀어두려던 순간, 예예전에는 한 번 끝낸 자료에서 복습할 문제를 스스로 고르는 일이 거의 없었다는 게 떠올랐습니다. 그런데 이번에는 틀린 문제를 유형별로 따로 옮겨 적지 않고, 시험지 원본에 이유만 남겨 두었어요. 많은 내용을 새로 적은 건 아니었고, 다시 확인할 지점을 한 군데만 짚어둔 모습이었습니다. 복습할 때 어디부터 봐야 할지 시험지 안에서 바로 찾을 수 있게 해둔 점이 전과 달랐어요.

★★★★★학부모 후기

예전에는 문제를 조금 풀다 막히면 모르는 척하고 책을 덮었는데, 학익지구에서 수학 과외를 시작한 뒤로는 숙제하다 생긴 질문을 먼저 꺼내게 됐습니다. 선생님은 틀렸다고 바로 지적하기보다 생각이 달라진 지점을 함께 찾아 주시고, 그날 할 일과 다음에 복습할 내용을 나눠 주셨습니다. 집에서도 궁금했던 문제를 다시 이야기하는 모습이 보여서 작은 변화가 반갑게 느껴졌습니다.

★★★★★학부모 후기

시험 다음 날 아이가 학익지구 수학 수업에서 어려웠던 문제를 다시 봐야 한다며 먼저 책을 펼치는 모습이 기억에 남았습니다. 예전에는 숙제를 미루다 한꺼번에 하곤 했지만, 선생님이 이해가 안 되는 부분은 진도를 멈추고 차분히 짚어 주셔서인지 틀린 문제를 다시 보는 부담이 줄었다고 합니다. 저녁 식사 후에도 조급해하지 않고 공부를 시작하는 변화가 보여 좋게 느껴집니다.

★★★★☆학부모 후기

학익지구에서 수학 과외를 시작한 뒤 아이가 질문할 문제를 따로 표시해 두는 습관이 생겼습니다. 선생님은 지난주 오답을 자연스럽게 다시 짚고, 시험 전에는 새 진도보다 부족한 부분을 우선해 그날 할 일과 다음 과제를 나눠 주셨습니다. 수업 이야기도 전보다 자주 하고, 틀린 뒤에도 금방 다시 문제를 펼치는 모습이 눈에 띕니다.

★★★★★학부모 후기