당하지구 고2수학과외







한 점의 양수만으로는 전구간 증가를 말할 수 없다
당하지구과외 수업에서 다음 풀이 기록을 검토했다.
함수 \(f_a(x)=x^3-3x^2+ax+1\)에서 \(x=2\)일 때 \(f'_a(2)=a\)이다. \(a>0\)이면 도함수가 양수이므로 함수는 모든 실수에서 증가한다.
오류는 \(x=2\)라는 한 점의 부호를 전체 구간의 조건으로 확장한 데 있다. 전구간 증가를 판단하려면 도함수가 모든 실수에서 \(0\) 이상이어야 한다.
도함수 전체의 최솟값을 확인하기
\[ f'_a(x)=3x^2-6x+a=3(x-1)^2+a-3 \]
이 이차식의 최솟값은 \(x=1\)에서 \(a-3\)이다. 따라서
\[ f'_a(x)\ge 0\text{ for all }x \quad\Longleftrightarrow\quad a-3\ge0 \]
그러므로 전구간에서 증가하기 위한 조건은 \(\boxed{a\ge3}\)이다. \(a=3\)일 때도 도함수는 \(3(x-1)^2\)로 항상 0 이상이므로 조건에 포함된다.
판별식으로 같은 조건을 다시 검증하기
도함수 \(3x^2-6x+a\)가 모든 실수에서 0 이상이려면 위로 열린 이차식이 x축 아래로 내려가지 않아야 한다. 판별식 조건을 쓰면
\[ (-6)^2-4\cdot3\cdot a\le0 \]
\[ 36-12a\le0\quad\Longleftrightarrow\quad a\ge3 \]
최솟값을 이용한 결과와 일치한다. 반면 \(a=2\)이면 \(f'_2(1)=-1\)이므로 \(x=2\)에서 \(f'_2(2)=2>0\)이어도 전구간 증가는 성립하지 않는다.
감소 조건은 부호와 최고차항을 함께 본다
이번에는 \(g_a(x)=-x^3+3x^2+ax\)를 보자.
\[ g'_a(x)=-3x^2+6x+a=-3(x-1)^2+a+3 \]
이 도함수의 최댓값은 \(x=1\)에서 \(a+3\)이다. 전구간 감소 조건은 \(g'_a(x)\le0\)이므로
\[ a+3\le0\quad\Longleftrightarrow\quad \boxed{a\le-3} \]
증가에서는 도함수의 최솟값, 감소에서는 도함수의 최댓값을 확인해야 한다.
독립 적용 문항
함수 \(h_b(x)=x^3+bx^2+4x\)가 모든 실수에서 증가하도록 하는 \(b\)의 범위를 구해 보자.
\[ h'_b(x)=3x^2+2bx+4 \]
위로 열린 이차식이 항상 0 이상이려면
\[ (2b)^2-4\cdot3\cdot4\le0 \]
\[ 4b^2-48\le0\quad\Longleftrightarrow\quad \boxed{-2\sqrt3\le b\le2\sqrt3} \]
마지막처럼 특정한 한 점에서 도함수가 양수인지 확인하는 데 그치지 말고, 전구간의 최솟값 또는 판별식을 이용해 부호 조건을 끝까지 검증해야 한다.