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1. 개요
이미 다항함수의 차수나 그래프의 개형이 알려져 있을 때 적용할 수 있는 공식을 소개하는 문서이다. 경우에 따라 적용할 수 있는 공식이 다르다. 길이 공식이 가장 기본이 되며, 이를 토대로 넓이 공식, 나아가 기울기 공식 등을 깊게 다룰 수 있으므로 길이와 넓이 공식을 먼저 숙지할 것을 권한다.해당 내용에 대한 대수학적·해석기하학적 증명 그리고 평가원, 교육청, EBS, 한국과 일본의 각종 대학별 고사 등의 주요 대학 입시 관련 기출 문제를 실었다. 또한 원칙적으로 대한민국 고등학교 수학 교육과정의 범위 내에서 설명하지만, 설명의 편의상 교육과정을 벗어나는 내용이 등장할 수도 있음을 밝힌다. 이에 대해서는 각주 등으로 부연 설명을 했다.
2. 길이·거리
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를
#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[다항함수/공식/길이#s-|]]번 문단을
#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[다항함수/공식/길이#|]] 부분을
참고하십시오.3. 넓이
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를
#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[다항함수/공식/넓이#s-|]]번 문단을
#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[다항함수/공식/넓이#|]] 부분을
참고하십시오.4. 기울기
다항함수의 그래프 위의 주요 점들을 지나는 직선의 기울기를 여러 공식으로 편리하게 구할 수 있다.4.1. 이차함수
이차함수 [math(f(x))]의 그래프 위의 서로 다른 임의의 세 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]와 [math((\beta,\,f(\beta)))], [math((\gamma,\,f(\gamma)))]에 대하여 다음이 성립한다.
[math(\dfrac{\alpha+\gamma}2=\beta\quad\Leftrightarrow\quad\dfrac{f'(\alpha)+f'(\gamma)}2=f'(\beta))] |
또한, 위에서 간접적으로 밝혔듯이 두 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]와 [math((\gamma,\,f(\gamma)))]를 이은 선분의 기울기는 두 점의 평균점에서의 접선의 기울기와 같다. 곧, 다음이 성립한다.
[math(\dfrac{f(\gamma)-f(\alpha)}{\gamma-\alpha}=f'\left(\dfrac{\alpha+\gamma}2\right))] |
[math(\dfrac{f(\gamma)-f(\alpha)}{\gamma-\alpha}=f'(\beta))] |
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위 그림과 같이 이차함수 [math(f(x))]의 그래프와 일차함수 [math(g(x))]의 그래프가 [math(x=\alpha)]와 [math(x=\beta)]에서 만날 때,[math(\begin{aligned}f(x)&=ax^2+bx+c\\g(x)&=mx+n\\f(x)-g(x)&=a(x-\alpha)(x-\beta)\\&=ax^2-a(\alpha+\beta)x+a\alpha\beta\end{aligned})] [math(m=b-\{-a(\alpha+\beta)\}=a(\alpha+\beta)+b)] [math(\begin{aligned}f'(x)&=2ax+b\\f'(\alpha)&=2a\alpha+b\\f'(\beta)&=2a\beta+b\\\\\therefore\dfrac{f'(\alpha)+f'(\beta)}2&=\dfrac{(2a\alpha+b)+(2a\beta+b)}2\\&=a(\alpha+\beta)+b\end{aligned})]
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2024학년도 수능특강 수학Ⅱ 52쪽 4번
[math(f(x))]는 이차함수이므로 닫힌구간 [math([n,\,n+1])]에서 평균값 정리를 만족시키는 점은 정중앙, 즉 [math(x=n+1/2)]에 존재한다. 따라서 다음이 성립한다.[math(\displaystyle\sum_{k=1}^na_k=\sum_{k=1}^n\left(k+\dfrac12\right)=60)] 2018학년도 수능특강 수학Ⅱ & 미적분Ⅰ 149쪽 5번
[math(f(x))]는 이차함수이고 문제의 해당 접점 [math(\rm A)]와 [math(\rm B)]를 지나는 직선의 기울기가 [math(-2)]이므로, 이 두 점의 접선의 기울기의 평균 역시 [math(-2)]여야 한다. 따라서, 두 점의 [math(x)]좌표를 각각 [math(a)], [math(b)]라 하면 다음이 성립한다.[math(\dfrac{f'(a)+f'(b)}2=\dfrac{-5+f'(b)}2=-2)]
[math(\therefore f'(b)=1)]
2022학년도 수능완성 수학Ⅰ·수학Ⅱ·미적분Ⅰ 실전 모의고사 4회 9번에도 정확히 같은 형태의 그래프가 출제되었는데, 마찬가지의 원리로 답은 ③이다.
특히, 위 그림의 [math(\rm{(b)})]와 같이 두 접점의 [math(y)]좌표가 같으면 [math(m=0)]이 되고 이차함수의 그래프의 대칭성 때문에 두 접선의 기울기의 합 역시 [math(0)]이 되므로 마찬가지의 사실이 성립한다.
또한, 위 그림처럼 [math(f'(\alpha))]와 [math(f'(\beta))] 중 어느 하나가 [math(0)]이면 다른 하나는 [math(m)]의 두 배이다. 곧, 다음이 성립한다.
[math(\begin{aligned}{\rm(c)}:\qquad\quad m&=\dfrac{f'(\alpha)+f'(\beta)}2=\dfrac{f'(\beta)}2\\\therefore f'(\beta)&=2m\\\\{\rm(d)}:\qquad\quad m&=\dfrac{f'(\alpha)+f'(\beta)}2=\dfrac{f'(\alpha)}2\\\therefore f'(\alpha)&=2m\end{aligned})] |
특히, 위 그림의 [math(\rm{(a)})]와 같이, 이차함수 [math(f(x)=ax^2+bx+c)]의 그래프 위의 서로 다른 두 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]와 [math((\beta,\,f(\beta)))]를 지나는 직선 [math(y=mx+n)]에 대하여 다음이 성립한다.
[math(m=\dfrac{f'(\alpha)+f'(\beta)}2=a(\alpha+\beta)+b)] |
또한, 이차함수의 그래프는 원뿔곡선의 일종으로서 포물선에 해당하므로 준선에 관한 성질이 그대로 적용되기도 한다. 포물선 참고.
4.2. 삼차함수
위 그림의 [math((\rm a))]와 같이, 최고차항의 계수가 [math(a)]인 삼차함수 [math(f(x))]와 상수함수 [math(y=k)]의 그래프의 교점을 왼쪽부터 [math(\rm A)], [math(\rm B)], [math(\rm C)]라 하고 각각의 [math(x)]좌표를 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]라 하면 다음이 성립한다.
[math(\begin{aligned}f'(\alpha)&=a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm AC}\\f'(\beta)&=-a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm BC}\\f'(\gamma)&=a\times\overline{\rm AC}\times\overline{\rm BC}\\\\\therefore\dfrac{f'(\alpha)}{f'(\beta)}&=-\dfrac{\overline{\rm AC}}{\overline{\rm BC}},\;\dfrac{f'(\beta)}{f'(\gamma)}=-\dfrac{\overline{\rm AB}}{\overline{\rm AC}},\;\dfrac{f'(\alpha)}{f'(\gamma)}=\dfrac{\overline{\rm AB}}{\overline{\rm BC}}\end{aligned})] |
특히, 위 그림의 [math((\rm b))]와 같이, 점 [math((\beta,\,f(\beta)))]가 곡선 [math(y=f(x))]의 변곡점이면 [math(\gamma-\beta=\beta-\alpha)]이므로 [math(\overline{\rm AB}=\overline{\rm BC})]이다. 따라서 다음이 성립한다.
[math(\begin{aligned}f'(\alpha)&=a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm AC}=a\times\overline{\rm AC}\times\overline{\rm BC}=f'(\gamma)\\f'(\beta)&=-a\times\overline{\rm AB}^2=-a\times\overline{\rm BC}^2=-a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm BC}\end{aligned})] |
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직접 [math(f(x))]를 곱미분하여 각 값을 대입하면 다음과 같다.[math(\begin{aligned}f(x)&=a(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)+k\\f'(x)&=a\{(x-\beta)(x-\gamma)+(x-\alpha)(x-\gamma)+(x-\alpha)(x-\beta)\}\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f'(\alpha)&=a(\alpha-\beta)(\alpha-\gamma)=a(\beta-\alpha)(\gamma-\alpha)\\&=a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm AC}\\f'(\beta)&=a(\beta-\alpha)(\beta-\gamma)=-a(\beta-\alpha)(\gamma-\beta)\\&=-a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm BC}\\f'(\gamma)&=a(\gamma-\alpha)(\gamma-\beta)\\&=a\times\overline{\rm AC}\times\overline{\rm BC}\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f'(\alpha)&=\displaystyle\lim_{x\to\alpha}\dfrac{f(x)-f(\alpha)}{x-\alpha}\\&=\lim_{x\to\alpha}\dfrac{a(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)}{x-\alpha}\\&=\lim_{x\to\alpha}a(x-\beta)(x-\gamma)\\&=a(\alpha-\beta)(\beta-\gamma)\\f'(\beta)&=\displaystyle\lim_{x\to\beta}\dfrac{f(x)-f(\beta)}{x-\beta}\\&=\lim_{x\to\beta}\dfrac{a(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)}{x-\beta}\\&=\lim_{x\to\beta}a(x-\alpha)(x-\gamma)\\&=a(\beta-\alpha)(\beta-\gamma)\\f'(\gamma)&=\displaystyle\lim_{x\to\gamma}\dfrac{f(x)-f(\gamma)}{x-\gamma}\\&=\lim_{x\to\gamma}\dfrac{a(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma)}{x-\gamma}\\&=\lim_{x\to\gamma}a(x-\alpha)(x-\beta)\\&=a(\gamma-\alpha)(\gamma-\beta)\end{aligned})]
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2017년 한국산업기술대 적성고사 17번 2013학년도 10월 A형 26번
이제 [math(f'(2)=-4)]라는 단서를 이용하여 [math(a)]의 값을 구하자. 위에서 소개한 공식을 사용하면[math(1\times(2-a)\times(2-6)=-4)] [math(f'(a)=f'(1)=1\times(1-2)\times(1-6)=5)]
이와 같이 접선의 기울기가 교점을 이은 선분의 길이에 의존하므로, 다음과 같이 선분의 길이의 대소를 통해 접선의 기울기의 대소를 판별할 수 있다.
[math(a>0)] | [math(a<0)] | |
[math(\overline{\rm AB}>\overline{\rm BC})] | [math(f'(\alpha)>f'(\gamma)>0>f'(\beta))] | [math(f'(\alpha)<f'(\gamma)<0<f'(\beta))] |
[math(\overline{\rm AB}<\overline{\rm BC})] | [math(f'(\gamma)>f'(\alpha)>0>f'(\beta))] | [math(f'(\gamma)<f'(\alpha)<0<f'(\beta))] |
[math(\overline{\rm AB}=\overline{\rm BC})] | [math(f'(\gamma)=f'(\alpha)>0>f'(\beta))] | [math(f'(\gamma)=f'(\alpha)<0<f'(\beta))] |
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2007학년도 10월 가형 9번 [math(\begin{aligned}f'(\alpha)&=a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm AC}\\f'(\beta)&=-a\times\overline{\rm AB}\times\overline{\rm BC}\end{aligned})]
위 그림과 같이 극값이 두 개인 삼차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에서, 두 극점을 지나는 직선을 [math({\color{dc4343}y=g_1(x)})], 변곡점의 접선을 [math({\color{#36BF72}y=g_2(x)})]라 하자. 각 직선의 기울기를 순서대로 [math({\color{dc4343}g_1})], [math({\color{#36BF72}g_2})]라 하면 다음이 성립한다.
[math(\begin{aligned}{\color{dc4343}g_1}&=-\dfrac{a}2(\beta-\alpha)^2\\{\color{#36BF72}g_2}&=-\dfrac{3a}4(\beta-\alpha)^2\\\therefore{\color{dc4343}g_1}:{\color{#36BF72}g_2}&={\color{dc4343}2}:{\color{#36BF72}3}\quad(\because\beta-\alpha\neq0)\end{aligned})] |
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[math({\color{dc4343}g_1})]의 값은 다항함수/공식/길이 문서에서 설명한 삼차함수의 극값의 차 공식을 이용하여 구할 수 있는데, [math(f(x))]의 최고차항의 계수 [math(a)]의 부호에 따라 계산이 약간 다르다. 다음과 같이 경우를 분류해 보자.
[1] [math(\boldsymbol{a>0\;(g_1,\,g_2<0)})][math(\begin{aligned}{\color{dc4343}g_1}&=\dfrac{f(\beta)-f(\alpha)}{\beta-\alpha}=\cfrac{-\dfrac{|a|}2(\beta-\alpha)^3}{\beta-\alpha}\\&=-\dfrac{|a|}2(\beta-\alpha)^2=-\dfrac{a}2(\beta-\alpha)^2\quad(\because a>0)\end{aligned})]
[2] [math(\boldsymbol{a<0\;(g_1,\,g_2>0)})][math(\begin{aligned}{\color{dc4343}g_1}&=\dfrac{f(\beta)-f(\alpha)}{\beta-\alpha}=\cfrac{\dfrac{|a|}2(\beta-\alpha)^3}{\beta-\alpha}\\&=\dfrac{|a|}2(\beta-\alpha)^2=-\dfrac{a}2(\beta-\alpha)^2\quad(\because a<0)\end{aligned})]
한편, [math({\color{#36BF72}g_2})]의 값은 변곡점에서의 접선의 기울기이므로, [math(f'(x))]를 구하자. 위 그림에서 [math(f(x))]는 [math(x=\alpha)]와 [math(x=\beta)]에서 극값을 가지므로 [math(f'(\alpha)=f'(\beta)=0)]이며, [math(f(x))]의 최고차항은 [math(ax^3)]이므로 [math(f'(x))]의 최고차항은 [math(3ax^2)]이다. 따라서 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(f'(x)=3a(x-\alpha)(x-\beta))] [math(\begin{aligned}{\color{#36BF72}g_2}&=f'\left(\dfrac{\alpha+\beta}2\right)\\&=3a\left(\dfrac{\alpha+\beta}2-\alpha\right)\left(\dfrac{\alpha+\beta}2-\beta\right)\\&=-3a\left(\dfrac{\beta-\alpha}2\right)^2=-\dfrac{3a}4(\beta-\alpha)^2\end{aligned})]
위 그림과 같이 극값이 두 개인 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프의 변곡점을 지나도록 [math(y)]축에 수직인 직선을 그을 때, 세 교점의 [math(x)]좌표를 작은 순서대로 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]라 하면 다음이 성립한다.
[math(|f'(\alpha)|:|f'(\beta)|:|f'(\gamma)|=2:1:2)] |
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삼차함수의 그래프는 변곡점 대칭이므로, 계산의 단순화를 위하여 [math(\beta=0)]이라 하면 [math(\alpha=-\gamma)]이다. 따라서 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(\begin{aligned}f(x)&=ax(x+\gamma)(x-\gamma)\\&=ax\left(x^2-\gamma^2\right)=a\left(x^3-\gamma^2x\right)\\\therefore f'(x)&=a\left(3x^2-\gamma^2\right)\\\\\rightarrow f'(\alpha)&=a\left(3\alpha^2-\gamma^2\right)=2a\gamma^2\\f'(\beta)&=f'(0)=-a\gamma^2\\f'(\gamma)&=a\left(3\gamma^2-\gamma^2\right)=2a\gamma^2\end{aligned})] [math(\begin{aligned}\therefore |f'(\alpha)|:|f'(\beta)|:|f'(\gamma)|&=\left|2a\gamma^2\right|:\left|-a\gamma^2\right|:\left|2\gamma^2\right|\\&=2:1:2\end{aligned})]
4.3. 여러 차수: 영점[1]에서의 기울기
위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 다항함수 [math(f(x))]의 그래프와 [math(y)]축에 수직인 직선 [math(y=t)]가
[math(x=x_1,\,x_2,\,\cdots,\,x_i,\,\cdots,\,x_n)] |
[math(\begin{aligned}f(x)&=a(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n)+t\\&=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i)+t\end{aligned})] |
[math(f'(x_i)=a\displaystyle\prod_{j\neq i}(x_i-x_j))] |
[math(\begin{aligned}f(x)&=2(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)+5\\\\\rightarrow f'(4)&=2\times(4-1)\times(4-2)\times(4-3)=12\end{aligned})] |
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미분계수의 정의를 이용하여 다음과 같이 증명할 수 있다. 위 그림에서 [math(n)] 이하의 모든 자연수 [math(i)]에 대하여 [math(f(x_i)=t)]이므로 다음이 성립한다.[math(\begin{aligned}f'(x_i)&=\displaystyle\lim_{x\to x_i}\dfrac{f(x)-f(x_i)}{x-x_i}=\lim_{x\to x_i}\dfrac{f(x)-t}{x-x_i}\\&=\lim_{x\to x_i}\dfrac{a(x-x_1)\cdots\cancel{(x-x_i)}\cdots(x-x_n)}{\cancel{x-x_i}}\\&=\lim_{x\to x_i}a(x-x_1)\cdots(x-x_{i-1})(x-x_{i+1})\cdots(x-x_n)\\&=\lim_{x\to x_i}\displaystyle a\prod_{j\neq i}(x-x_j)=a\prod_{j\neq i}(x_i-x_j)\end{aligned})]
[math(f(x))]를 직접 곱미분하여 증명할 수도 있다. 조금 계산이 복잡해지지만 식을 정리하는 과정을 눈여겨 보면 또 다른 원리를 발견할 수 있다. 먼저 두 그래프의 교점의 좌표를 이용하여 [math(f(x))]의 식을 세워 계산하면 다음과 같다.[math(\begin{aligned}f(x)&=a(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n)+t\\ \\\rightarrow f'(x)&=a[{\color{#DA3832}\{(x-x_2)(x-x_3)\cdots(x-x_n)\}}+{\color{#55AE58}\{(x-x_1)(x-x_3)\cdots(x-x_n)\}}\\&\quad+\cdots+{\color{#48A0E2}\{(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_{n-1})\}}]\\&=a\left[{\color{#DA3832}\displaystyle\prod_{j\neq1}(x-x_j)}+{\color{#55AE58}\displaystyle\prod_{j\neq2}(x-x_j)}+\cdots+{\color{#48A0E2}\displaystyle\prod_{j\neq n}(x-x_j)}\right]\;\cdots\,(\rm a)\\&=a\sum_{k=1}^n\left[\displaystyle\prod_{j\neq k}(x-x_j)\right]\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f'(x_i)&=a\displaystyle\sum_{k=1}^n\left[\prod_{j\neq k}(x_i-x_j)\right]\\&=a\prod_{j\neq i}(x_i-x_j)\end{aligned})]
- 예제 [펼치기·접기]
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2012학년도 7월 나형 12번 [math(\begin{aligned}\dfrac{f'(1)}{f'(4)}&=\dfrac{(1-2)(1-3)\cdots(1-10)}{(4-1)(4-2)(4-3)\times(4-5)(4-6)\cdots(4-10)}\\&=\dfrac{-9!}{3!\times6!}=-\dfrac{9\times8\times7}{3\times2\times1}=-84\end{aligned})]
또한 이러한 내용은 전형적인 극한 문제와도 의외로 연관이 깊다.2022학년도 9월 고3 8번 [math(\begin{aligned}\displaystyle\lim_{x\to0}f(x)&=f(0)\\=\lim_{x\to1}f(x)&=f(1)\\&=0\end{aligned})] [math(\begin{aligned}\displaystyle\lim_{x\to0}\dfrac{f(x)}x=\lim_{x\to0}\dfrac{f(x)}{x-{\color{#DA3832}0}}&=f'({\color{#DA3832}0})\\\lim_{x\to1}\dfrac{f(x)}{x-{\color{#DA3832}1}}&=f'({\color{#DA3832}1})\\\\\therefore f'(0)=f'(1)=1\end{aligned})] - [math(\displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{f(x)}{x-a}=b)]이면 [math(f(a)=0,\,f'(a)=b)]
또한, [math(f(x)=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i)+t)]일 때, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[math(f'(x)=\displaystyle\sum_{i=1}^n\dfrac{f(x)-t}{x-x_i})] |
- 증명(곱미분) [펼치기·접기]
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[math(\displaystyle\prod_{j\neq k}(x-x_j))]는 [math((x-x_1))]부터 [math((x-x_n))]까지 [math(n)]개의 항 중에서 [math((x-x_k))]만을 제외하고 모두 곱한 값이라는 뜻이므로, [math(x\neq x_k)]일 때는 [math(n)]개의 항을 모두 곱한 뒤 [math((x-x_k))]로 나눈 것과 같다. 즉, 다음이 성립한다.[math(\displaystyle\prod_{j\neq k}(x-x_j)=\dfrac{\displaystyle\prod_{j=1}^n(x-x_j)}{x-x_k}\quad(x\neq x_k)\quad\cdots(\rm a))]
한편 위 증명에서 [math(f(x))]를 직접 곱미분함으로써[math(f'(x)=a\displaystyle\sum_{k=1}^n\left[\prod_{j\neq k}(x-x_j)\right])] [math(\begin{aligned}f'(x)&=a\displaystyle\sum_{k=1}^n\left[\prod_{j\neq k}(x-x_j)\right]\\&=a\sum_{k=1}^n\dfrac{\displaystyle\prod_{j=1}^n(x-x_j)}{x-x_k}\\&=\sum_{k=1}^n\dfrac{a\displaystyle\prod_{j=1}^n(x-x_j)}{x-x_k}=\sum_{k=1}^n\dfrac{f(x)-t}{x-x_k}\\&=\sum_{i=1}^n\dfrac{f(x)-t}{x-x_i}\end{aligned})]
- 증명(로그 미분) [펼치기·접기]
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[math(f(x)=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i)+t)] [math(f(x)-t=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i))] [math(\ln|f(x)-t|=\ln|a|+\displaystyle\sum_{i=1}^n\ln|x-x_i|)] [math(\begin{aligned}\dfrac{f'(x)}{f(x)-t}&=\displaystyle\sum_{i=1}^n\dfrac1{x-x_i}\\\therefore f'(x)&=\sum_{i=1}^n\dfrac{f(x)-t}{x-x_i}\end{aligned})]
사실 위 식은 아예 새로운 내용이 아니다. 증명(곱미분)을 읽어보면 실감할 수 있듯이, [math(f(x))]를 곱미분할 때, [math(f(x))]에서 미분에 아무런 영향을 미치지 않는 상수항 [math(t)]를 뺀 식 [math(f(x)-t)]에 대하여 [math(f'(x))]는 각 [math((x-x_i))]를 제외한 모든 기약인수들의 곱의 합으로 나타난다는 사실을 또 다른 형태로 표현한 것뿐이다. 다만 위 식은 [math((x-x_i))]를 제외한 모든 기약인수들을 곱하는 형태, 즉 [math(a\prod_{j\neq i}(x-x_j))] 따위의 형태가 아니라 일단 모든 기약인수들을 곱한 뒤 [math(\boldsymbol{(x-x_i)})]로 도로 나누는 형태를 취하고 있기에, 분모가 [math(0)]이 되는 경우를 포괄하지 못한다는 특징이 새로 생긴다는 것이 유일한 차이이다.
- 예제 [펼치기·접기]
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2018학년도 한양대학교 자연계열 오전 2-1번 [math(f(x)=\displaystyle\prod_{i=1}^{1009}(x-x_i))] [math(f'(x)=\displaystyle\sum_{i=1}^{1009}\dfrac{f(x)}{x-x_i})] [math(\begin{aligned}f'(2)&=\displaystyle\sum_{i=1}^{1009}\dfrac{f(2)}{2-x_i}=f(2)\times\sum_{i=1}^{1009}\dfrac1{2-x_i}\\&=f(2)\left\{\cancel{\dfrac1{2-1}}+\cancel{\dfrac1{2-3}}+\dfrac1{2-5}+\cdots+\dfrac1{2-2017}\right\}\\&=f(2)\left\{\dfrac1{2-5}+\dfrac1{2-7}+\cdots+\dfrac1{2-2017}\right\}\\\biggr(&=f(2)\times\sum_{i=3}^{1009}\dfrac1{2-x_i}\biggr)\end{aligned})] [math(f(2)=\displaystyle\prod_{i=1}^{1009}(2-x_i)\neq0)] [math(\displaystyle\sum_{i=3}^{1009}\dfrac1{2-x_i}<0)]
한편 로그 미분법을 사용하면, 위와 마찬가지로 [math(1/(2-1)+1/(2-3)=0)]이므로[math(\dfrac{f'(2)}{f(2)}=\displaystyle\sum_{i=1}^{1009}\dfrac1{2-x_i}=\sum_{i=3}^{1009}\dfrac1{2-x_i}\neq0)]
실제 논술에서는 직접 곱미분 또는 로그 미분을 함으로써 풀이 과정을 자세히 보여 주어야 한다.
나아가 [math(f(x)=(x-a)Q(x))]로 나타내어질 때 [math(f'(a)=Q(a))]임은 물론이다. 이는 [math(f(x))]가 꼭 다항함수가 아니더라도 미분가능하기만 하면 성립하는 사실이다. 다음과 같이 손쉽게 증명할 수 있다.
[math(\begin{aligned}f'(a)&=\displaystyle\lim_{x\to a}\dfrac{f(x)-f(a)}{x-a}\\&=\lim_{x\to a}\dfrac{(x-a)Q(x)-0}{x-a}\\&=\lim_{x\to a}Q(x)=Q(a)\end{aligned})] |
- 예제 [펼치기·접기]
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2024학년도 5월 17번
경기도교육청에서는 위와 같은 해설을 제시했는데, 직접 곱미분을 계산하는 과정이 다소 번거롭다. 반면 미분계수의 정의를 상기하면 한눈에 답을 구할 수 있다.2025학년도 6월 고3 5번 [math(\begin{aligned}f(x)&=(x^2-1)(x^2+2x+2)\\&=(x-1)(x+1)(x^2+2x+2)\end{aligned})]
동일한 형태의 문제가 2025학년도 7월 5번에도 출제되었으며, 정답은 ⑤이다.2026학년도 수능완성 실전 모의고사 5회 10번
수능완성에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 직접 곱미분을 실행하는 것이 다소 미흡하다.
4.3.1. 역수의 합
[math(n\geq2)]이고 [math(i<j\,\Leftrightarrow\,x_i<x_j)]인 [math(n)]차함수[math(\begin{aligned}f(x)&=a(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n)\\&=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i)\end{aligned})] |
[math(\displaystyle\sum_{i=1}^n\dfrac1{f'(x_i)}=0)] |
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먼저, 부분분수분해 문서에 설명된 Heaviside cover-up method 그리고 앞서 밝힌 기울기 공식을 종합하여 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(\begin{aligned}\displaystyle\frac1{f(x)}&=\sum_{i=1}^n\frac1{(x-x_i)}\times\frac1{\displaystyle a\prod_{j\neq i}(x_i-x_j)}\\&=\sum_{i=1}^n\frac1{(x-x_i)f'(x_i)}\end{aligned})] [math(\begin{aligned}1&=\displaystyle\sum_{i=1}^n\dfrac1{f'(x_i)}\frac{a(x-x_1)\cdots(x-x_n)}{x-x_i}\\&=\sum_{i=1}^n\dfrac{\displaystyle\prod_{j\neq i}(x_i-x_j)}{f'(x_i)}\;\cdots\,(\rm a)\end{aligned})] [math(\displaystyle\sum_{i=1}^n\frac1{f'(x_i)})] [math(\displaystyle\sum_{i=1}^n\frac1{f'(x_i)}=0)]
고등학교에서는 부분분수분해를 거의 다루지 않긴 하지만 이 증명은 고등학생이 아주 이해하지 못할 수준은 아니다. 이것이 그나마 가장 쉬운 증명이며, 대학교 수준 이상의 더 많은 증명에 대해서는 sum of reciprocals of derivative of polynomial at its roots를 참고하자.
- 예제 [펼치기·접기]
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2024학년도 7월 미적분 28번 [math(\dfrac{g(0)-k}{0-k}=1)] [math(\displaystyle\lim_{x\to k}\frac{g(x)-k}{x-k}=\dfrac13)] [math(\displaystyle\lim_{x\to k}\frac{g(x)-g(k)}{x-k}=g'(k)=\dfrac13)]
일단 오른쪽 경우는 곡선 [math(y=f(x))]가 [math(x=0)]에서 직선 [math(y=x)]에 접하는 경우로서 [math(f'(0)=1)]이다. 그런데 왼쪽 경우는 [math(x=0)]에서 두 그래프가 교차하여, [math(f'(0)>1)]임을 기하학적으로 금방 알 수 있다. 따라서 [math(f'(0))]의 최댓값은 왼쪽 경우에서 발생하므로, 왼쪽 경우만을 검토하자. 이 경우 다음이 성립한다.[math(f(x)-x=x(x-t)(x-k))] [math(\dfrac1{p'(0)}+\dfrac1{p'(t)}+\dfrac1{p'(k)}=0)] [math(\begin{aligned}\dfrac1{p'(0)}&=-\dfrac1{p'(t)}-\dfrac1{p'(k)}\\&=-\dfrac1{p'(t)}-\dfrac12=-\dfrac{p'(t)+2}{2p'(t)}\end{aligned})] [math(p'(0)=-\dfrac{2p'(t)}{p'(t)+2}=-2+\dfrac4{p'(t)+2}\leq2)]
참고로 일련의 과정에 따라 계산하면 [math(\alpha=2)], [math(f(x)=(x-1)^3+1)]이 구해지며 정답은 ②이다.
인천광역시교육청에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 계산의 양이 많아져 다소 번거롭다. 반면 미분계수의 역수의 합 공식을 이용하면 [math(f'(0))]의 최댓값을 보다 간편하게 구할 수 있다.
[math(n\geq2)]인 경우로 한정하는 이유를 알아보자. [math(n=1)]이면 [math(f(x))]는 일차함수이므로 [math(f(x)=ax+b\,(a\neq0))]로 쓸 수 있다. 이 경우 [math(f(x)=0)]의 근은 [math(x=-b/a)]뿐이며 이때의 미분계수는 당연히 [math(a)]이다. 따라서 미분계수의 역수의 합은 [math(1/a)]로, [math(0)]이 될 수 없다.
나아가 위 그림에서 바로 알 수 있듯이 [math(f(x))]의 각 영점에서의 미분계수는 왼쪽부터 차례대로 양수와 음수가 번갈아 나오는데, 이 점을 이용하면 다음과 같은 결론을 추가로 도출할 수 있다.
[math(\begin{aligned}\displaystyle\sum_{i=1}^n\dfrac1{f'(x_i)}&=\dfrac1{f'(x_1)}+\dfrac1{f'(x_2)}+\cdots+\dfrac1{f'(x_n)}\\&=\left\{\dfrac1{f'(x_1)}+\dfrac1{f'(x_3)}+\cdots\right\}+\left\{\dfrac1{f'(x_2)}+\dfrac1{f'(x_4)}+\cdots\right\}\\&=\sum_{i=1}^{\left\lceil n/2\right\rceil}\dfrac1{f'(x_{2i-1})}+\sum_{i=1}^{\left\lfloor n/2\right\rfloor}\dfrac1{f'(x_{2i})}=0\end{aligned})] |
[math(\therefore\displaystyle\sum_{i=1}^{\left\lceil n/2\right\rceil}\dfrac1{f'(x_{2i-1})}=-\sum_{i=1}^{\left\lfloor n/2\right\rfloor}\dfrac1{f'(x_{2i})})] |
참고로 위 4.2문단에서 설명한 삼차함수의 [math(2:1:2)] 비율관계 역시 이 성질을 따름을 쉽게 알 수 있다. 역수의 합을 계산해 보면 임의의 [math(0)]이 아닌 실수 [math(k)]에 대하여 [math(1/2k+(-1/k)+1/2k=0)]이기 때문이다.
4.3.2. 주의점
[math(n)]차함수[math(f(x)=a\displaystyle\prod_{i=1}^n(x-x_i)+t)] |
[math(f'(x_i)=a\displaystyle\prod_{j\neq i}(x_i-x_j))] |
[math(f(x)=(x-x_i)Q(x))] |
[math(f(x)=(2x-3)(3x-4)(4x-5))] |
[math(\begin{aligned}f'\left(\dfrac32\right)&=\left(3\times\dfrac32-4\right)\times\left(4\times\dfrac32-5\right)\\&=\dfrac12\times1=\dfrac12\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)&=(2x-3)(3x-4)(4x-5)\\&=2\times3\times4\times\left(x-\dfrac32\right)\left(x-\dfrac43\right)\left(x-\dfrac54\right)\\\\\rightarrow f'\left(\dfrac32\right)&=2\times3\times4\times\left(\dfrac32-\dfrac43\right)\times\left(\dfrac32-\dfrac54\right)\\&=24\times\dfrac16\times\dfrac14=1\end{aligned})] |
[math(2x-3=2\left(x-\dfrac32\right))] |
잘못된 방법으로 값을 구하게 되면
[math(f(x)=(200x-300)(3x-4)(4x-5))] |
물론 공식을 적용할 때 지우는 항의 일차항의 계수가 [math(1)]이기만 하면 다른 항은 굳이 조작하지 않아도 된다. 예를 들어
[math(f(x)=(x-1)(2x-3)(3x-4))] |
[math(\begin{aligned}f'(1)&=(2\times1-3)\times(3\times1-4)\\&=(-1)\times(-1)=1\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)&=2\times3\times(x-1)\left(x-\dfrac32\right)\left(x-\dfrac43\right)\\&=6\times(x-1)\left(x-\dfrac32\right)\left(x-\dfrac43\right)\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f'(1)&=6\times\left(1-\dfrac32\right)\times\left(1-\dfrac43\right)\\&=6\times\left(-\dfrac12\right)\times\left(-\dfrac13\right)=1\end{aligned})] |
5. 방정식
#!if 문서명2 != null
, [[영점]]
#!if 문서명3 != null
, [[]]
#!if 문서명4 != null
, [[]]
#!if 문서명5 != null
, [[]]
#!if 문서명6 != null
, [[]]
다항함수의 그래프 위의 주요 점들을 지나는 그래프의 방정식을 여러 공식으로 편리하게 구할 수 있다. 이 문단에서는 단연 5.4문단 '근과 계수의 관계'가 가장 중요한데, 공식 자체가 쓰임새가 다양해서 활용이 빈번할 뿐만 아니라 이 공식이 각 차수의 다항함수가 갖는 특징을 분석하기 위한 훌륭한 도구가 되기 때문이다.
5.1. 이차함수: 행렬 대각화
보통 아래의 꼴로 정리한 뒤 대각화를 통해 영점의 좌표를 빠르게 구할 수 있다.[math({{\bf x}^t \boldsymbol{\mathsf{A}} {\bf x}} + {{\bf b}^t {\bf x}}+ {\bf c} = {\bf 0} \quad ({\boldsymbol{\mathsf{A}} ^t} {\boldsymbol{\mathsf{A}} } \neq 0))] |
5.2. 삼차함수: 두 극점을 지나는 직선
삼차함수 [math(f(x))]가 극값을 두 개 가질 때
[math(f(x)=f'(x)Q(x)+R(x))] |
[math(y=R(x))] |
- 증명 [펼치기·접기]
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[math(f(x))]가 삼차함수이므로 도함수 [math(f'(x))]는 이차식이며, 이에 따라 [math(Q(x))]는 일차식, [math(R(x))]는 일차 이하의 다항식이어야 한다. 곧, 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(\begin{aligned}R(x)&=ax+b\\f(x)&=f'(x)Q(x)+ax+b\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f(\alpha)&=f'(\alpha)Q(\alpha)+a\alpha+b=a\alpha+b\;&\cdots(\rm 1)\\f(\beta)&=f'(\beta)Q(\beta)+a\beta+b=a\beta+b\;&\cdots(\rm 2)\end{aligned})] [math(f(x)=R(x))]
한편 [math((\rm 1)-(\rm 2))]를 계산하면[math(f(\alpha)-f(\beta)=a(\alpha-\beta))]
또한, 위 그림과 같이 기하학적으로 [math(f(x))]와 [math(R(x))]는 최고차항의 계수의 부호가 서로 반대일 수밖에 없다.
위 사실을 이용하여 다음을 증명할 수 있다.
[math(x)]에 관한 삼차식 [math(f(x))]를 도함수 [math(f'(x))]로 나눈 나머지가 상수이면 방정식 [math(f(x)=0)]의 실근은 한 개이다. |
귀류법을 이용한다. 삼차함수의 그래프의 특성상 삼차방정식 [math(f(x)=0)]은 실근을 적어도 한 개 갖는다. 따라서 위 명제를 부정하면 [math(f(x)=0)]의 실근이 두 개 혹은 세 개라고 가정할 수 있다. 그런데 실근을 두 개 이상 가지려면 [math(f(x))]는 무조건 극값 두 개를 가져야 하며, 일대일대응이어서는 안 된다. 이때, 앞서 밝혔듯이 삼차함수의 그래프의 두 극점은 무조건 [math(y)]좌표가 다르므로 두 극점을 지나는 직선의 기울기는 [math(0)]이 될 수 없다. 곧, 직선의 방정식은 상수가 아닌 일차식이어야 하므로 모순이다. 따라서 [math(f(x))]를 도함수 [math(f'(x))]로 나눈 나머지가 상수이면 방정식 [math(f(x)=0)]의 실근은 한 개여야만 한다.
그래프의 기하학적 개형을 고려하지 않고 대수적인 방식으로만 증명할 수도 있다.
- 대수적 증명 [펼치기·접기]
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방정식 [math(f(x)=0)]의 실근의 개수는 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(x)]축의 교점의 개수이므로, [math(f(x))]를 [math(0)]이 아닌 실수배를 하여 최고차항의 계수를 바꾸어도 실근의 개수에는 영향이 없다. 곧, 다음이 성립한다.[math(\begin{aligned}x^3+ax^2+bx+c&=0\\\Leftrightarrow m(x^3+ax^2+bx+c)&=0\quad(m\neq 0)\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f(x)&=x^3+ax^2+bx+c\\f'(x)&=3x^2+2ax+b\end{aligned})] [math(\begin{aligned}Q(x)&=\dfrac13x+\dfrac19a\\R(x)&=\dfrac29\left(3b-a^2\right)x+c\end{aligned})] [math(3b-a^2=a^2-3b=0)]
- 예제 [펼치기·접기]
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1989년 교토대학 이과 3번 한국어 번역
[math(f(x))]는 [math(x)]에 대한 삼차식이고, [math(f(x))]를 그 도함수 [math(f'(x))]로 나눈 나머지는 상수이다. 이때 방정식 [math(f(x)=0)]을 만족시키는 실수 [math(x)]는 단 하나임을 보이라.
5.3. 사차함수
5.3.1. 세 극점을 지나는 포물선
사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 극점을 세 개 가질 때
[math(f(x)=f'(x)Q(x)+R(x))] |
[math(y=R(x))] |
- 증명 [펼치기·접기]
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[math(f(x))]가 사차함수이므로 도함수 [math(f'(x))]는 삼차식이며, 이에 따라 [math(Q(x))]는 일차식, [math(R(x))]는 이차 이하의 다항식이어야 한다. 곧, 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(\begin{aligned}R(x)&=ax^2+bx+c\\f(x)&=f'(x)Q(x)+ax^2+bx+c\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f(\alpha)&=f'(\alpha)Q(\alpha)+a\alpha^2+b\alpha+c=a\alpha^2+b\alpha+c\\f(\beta)&=f'(\beta)Q(\beta)+a\beta^2+b\beta+c=a\beta^2+b\beta+c\\f(\gamma)&=f'(\gamma)Q(\gamma)+a\gamma^2+b\gamma+c=a\gamma^2+b\gamma+c\end{aligned})] [math(f(x)=R(x))]
한편 [math(a=0)]이면 [math(R(x))]는 일차식이므로 곡선 [math(y=f(x))]의 세 극점은 한 직선 위에 있어야 하는데 이는 불가능하다. 따라서 [math(a\neq 0)]이고, [math(R(x))]는 이차식이며, [math(y=R(x))]는 포물선의 방정식이다.
또한, 위 그림과 같이 기하학적으로 [math(f(x))]와 [math(R(x))]는 최고차항의 계수의 부호가 서로 반대일 수밖에 없다.
5.3.2. 두 변곡점을 지나는 직선
사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 변곡점을 두 개 가질 때
[math(f(x)=f''(x)Q(x)+R(x))] |
[math(y=R(x))] |
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[math(f(x))]가 사차함수이므로 이계도함수 [math(f''(x))]는 이차식이며, 이에 따라 [math(Q(x))]는 이차식, [math(R(x))]는 일차 이하의 다항식이어야 한다. 곧, 다음과 같이 쓸 수 있다.[math(\begin{aligned}R(x)&=ax+b\\f(x)&=f''(x)Q(x)+ax+b\end{aligned})] [math(\begin{aligned}f(\alpha)&=f(\alpha)Q(\alpha)+a\alpha+b=a\alpha+b\\f(\beta)&=f(\beta)Q(\beta)+a\beta+b=a\beta+b\end{aligned})] [math(f(x)=R(x))]
주의할 점은 앞서 살펴본 삼차함수의 그래프의 두 극점을 지나는 직선과는 달리 [math(y=R(x))]의 기울기가 [math(0)]일 수 있다는 것이다. 삼차함수의 그래프의 두 극점과 달리 사차함수의 그래프의 두 변곡점은 [math(y)]좌표가 같을 수 있기 때문이다. 이 경우는 위와 같이 곡선 [math(y=f(x))]가 좌우 대칭이다.
또한, 위 그림과 같이 기하학적으로 [math(f(x))]와 [math(R(x))]는 최고차항의 계수의 부호가 같을 수도 있고 다를 수도 있으며, 앞서 밝혔듯이 직선 [math(y=R(x))]의 기울기는 양도 음도 아닌 [math(0)]일 수도 있다.
5.4. 근과 계수의 관계
근과 계수의 관계(혹은 비에트의 정리)에 의하여, [math(n)]차방정식 [math(f(x)=0)]의 모든 근의 합은 [math(f(x))]의 [math(n)]차항 및 [math((n-1))]차항의 계수에만 의존하므로, 이 값이 동일하게 유지된다면 나머지 차수의 항들이 아무리 변하더라도 모든 근의 합은 변하지 않는다. 마찬가지로 두 근끼리의 곱의 합은 [math(n)]차항 및 [math((n-2))]차항의 계수에만 의존한다는 사실 또한 요긴한 단서가 된다. 이러한 성질들을 잘 이용하면 다항함수를 각 차수에 따라 더욱 깊이 있게 다룰 수 있다. 특히, 이 테크닉은 다항함수의 식이 일부 또는 전체가 알려져 있을 때 그 그래프와 접선의 교점의 [math(x)]좌표를 구할 때 특히 요긴하게 사용할 수 있다. 이는 이차함수보다도 삼차 이상의 다항함수에서 더욱 간편하게 사용할 수 있는데, 예를 들어 다음과 같은 그림들에서 직선의 방정식을 몰라도 곡선의 방정식의 최고차항과 그 다음 차수의 항만 알면 교점들의 [math(x)]좌표 중 어느 하나만이 알려져 있지 않은 경우 그 하나의 값을 쉽게 구할 수 있다.5.4.1. 이차함수
위 그림과 같이 이차함수 [math(f(x))]의 그래프와 직선 [math(y=g_1(x))]의 두 교점의 [math(x)]좌표가 작은 순서대로 [math(\alpha)], [math(\beta)]일 때, 직선 [math(y=g_2(x))] 및 [math(g_3(x))]와 같이 [math(g_1(x))]와 기울기가 동일하고 곡선 [math(y=f(x))]와의 교점이 두 개인 직선들은 항상 교점의 [math(x)]좌표의 합이 [math(\alpha+\beta)]이다. 또한 직선 [math(y=g_4(x))]와 같이 [math(g_1(x))]와 기울기가 동일하고 곡선 [math(y=f(x))]에 접하는 직선은 그 접점의 [math(x)]좌표가 [math((\alpha+\beta)/2)]이다.
또한 이차방정식 [math(\boldsymbol{f(x)=0})]의 두 실근의 합은 곡선 [math(\boldsymbol{y=f(x)})]의 꼭짓점의 [math(\boldsymbol x)]좌표의 [math(\boldsymbol2)]배이다.
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이차방정식의 근과 계수의 관계로 간단히 증명할 수 있다. 위 그림을 방정식으로 해석하면, 이차방정식 [math(f(x)-g_1(x)=0)]의 서로 다른 두 실근이 [math(\alpha)], [math(\beta)]라고 할 수 있다. 이때 [math(f(x)-g_1(x))]의 이차항의 계수를 [math(a)], 일차항의 계수를 [math(b)]라 하면 이차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여 다음이 성립한다.[math(\alpha+\beta=-\dfrac ba)] [math(\begin{aligned}f(x)-g_1(x)&=0,\,f(x)-g_2(x)=0,\\f(x)-g_3(x)&=0,\,f(x)-g_4(x)=0\end{aligned})] [math(-\dfrac ba=\alpha+\beta)]
기하학적으로는 다음과 같이 이해하면 쉽다.
위 그림은 [math(i=1,\,2,\,3,\,4)]에 대하여 [math(f(x)-g_i(x))]의 그래프를 그렸을 때 [math(x)]축이 위치하는 곳을 표시한 것이다. [math(f(x)-g_i(x))]는 모든 [math(i)]에 대하여 이차식이며, 다른 것은 상수항밖에 없다. 이차함수의 그래프의 선대칭성에 의하여 두 실근의 합은 항상 [math(\alpha+\beta)]가 될 수밖에 없다. 이때 방정식 [math(f(x)-g_4(x)=0)]의 중근이었던 [math((\alpha+\beta)/2)]는 위 이차함수의 그래프의 대칭축을 나타낸다. 따라서 꼭짓점의 [math(x)]좌표의 [math(2)]배가 바로 두 실근의 합임이 증명되었다.
5.4.2. 삼차함수
위 그림과 같이 삼차함수 [math(y=f(x))]의 그래프와 [math(y)]축에 수직인 직선 [math(y=t)]의 세 교점의 [math(x)]좌표가 작은 순서대로 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]일 때, 이 세 상수 중 두 상수의 평균을 나타내는 곡선 [math(y=f(x))] 위의 점에서의 접선은 나머지 한 상수를 나타내는 교점을 지난다.
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삼차방정식의 근과 계수의 관계로 간단히 증명할 수 있다. 위 그림을 방정식으로 해석하면, 삼차방정식 [math(f(x)-t=0)]의 서로 다른 세 실근이 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]라고 할 수 있다. 이때, [math(f(x)-t)]의 삼차항의 계수를 [math(a)], 이차항의 계수를 [math(b)]라 하면 삼차방정식의 근과 계수의 관계에 의하여 다음이 성립한다.[math(\alpha+\beta+\gamma=-\dfrac ba)] [math(l_{i,\,j}(x)=f'\left(\dfrac{i+j}2\right)\left(x-\dfrac{i+j}2\right)+f\left(\dfrac{i+j}2\right))]
즉, 위 그림과 같이 [math(\alpha)]와 [math(\beta)], [math(\beta)]와 [math(\gamma)], [math(\gamma)]와 [math(\alpha)]의 평균점에서 그은 접선의 방정식을 각각 [math(l_{\alpha,\,\beta}(x))], [math(l_{\beta,\,\gamma}(x))], [math(l_{\gamma,\,\alpha}(x))]로 쓰자. 그러면 [math(l_{\alpha,\,\beta}(x))], [math(l_{\beta,\,\gamma}(x))], [math(l_{\gamma,\,\alpha}(x))] 모두 직선의 방정식이므로 일차 이하의 다항식이다.[6] 따라서 [math(f(x)-t)], [math(f(x)-l_{\alpha,\,\beta}(x))], [math(f(x)-l_{\beta,\,\gamma}(x))], [math(f(x)-l_{\gamma,\,\alpha}(x))] 모두 삼차항의 계수가 같고 이차항의 계수도 같다. 따라서 네 방정식[math(\begin{aligned}f(x)-t&=0,\,f(x)-l_{\alpha,\,\beta}(x)=0,\\f(x)-l_{\beta,\,\gamma}(x)&=0,\,f(x)-l_{\gamma,\,\alpha}(x)=0\end{aligned})] [math(-\dfrac ba=\alpha+\beta+\gamma)] - [math(\boldsymbol{f(x)-l_{\alpha,\,\beta}(x)=0})]
- 직선 [math(y=l_{\alpha,\,\beta}(x))]가 [math(x=\dfrac{\alpha+\beta}2)]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 접함
- 중근 [math(x=\dfrac{\alpha+\beta}2)]를 가짐
- 나머지 한 단일근을 [math(k)]라 하면 [math(2\times\dfrac{\alpha+\beta}2+k=\alpha+\beta+\gamma)]에서 [math(k=\gamma)]
- [math(f(x)-l_{\alpha,\,\beta}(x)=a\left(x-\dfrac{\alpha+\beta}2\right)^2(x-\gamma))]
- [math(\boldsymbol{f(x)-l_{\beta,\,\gamma}(x)=0})]
- 직선 [math(y=l_{\beta,\,\gamma}(x))]가 [math(x=\dfrac{\beta+\gamma}2)]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 접함
- 중근 [math(x=\dfrac{\beta+\gamma}2)]를 가짐
- 나머지 한 단일근을 [math(k)]라 하면 [math(2\times\dfrac{\beta+\gamma}2+k=\alpha+\beta+\gamma)]에서 [math(k=\alpha)]
- [math(f(x)-l_{\beta,\,\gamma}(x)=a\left(x-\dfrac{\beta+\gamma}2\right)^2(x-\alpha))]
- [math(\boldsymbol{f(x)-l_{\gamma,\,\alpha}(x)=0})]
- 직선 [math(y=l_{\gamma,\,\alpha}(x))]가 [math(x=\dfrac{\gamma+\alpha}2)]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 접함
- 중근 [math(x=\dfrac{\gamma+\alpha}2)]를 가짐
- 나머지 한 단일근을 [math(k)]라 하면 [math(2\times\dfrac{\gamma+\alpha}2+k=\alpha+\beta+\gamma)]에서 [math(k=\beta)]
- [math(f(x)-l_{\beta,\,\gamma}(x)=a\left(x-\dfrac{\gamma+\alpha}2\right)^2(x-\beta))]
이 결과를 요약하면 다음과 같다. 삼차방정식 [math(f(x)-t=0)]의 세 근의 합은 삼차항의 계수와 이차항의 계수에만 의존하므로, [math(f(x))]에서 어떤 일차 이하의 다항식을 빼더라도 세 근의 합은 같을 수밖에 없다. 이때 기존의 삼차방정식 [math(f(x)-t=0)]의 세 실근 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]에서 두 개를 뽑아 그것들의 평균을 중근으로 갖되 삼차항의 계수와 이차항의 계수가 그대로 유지되는 새로운 삼차방정식을 세우면, 이 방정식의 나머지 한 단일근은 앞서 뽑지 않았던 나머지 한 근이 되는 것이다.
동일한 사실을 9.3.1.2문단에서 '인수 나누기'라는 다른 접근법으로 증명할 수도 있다. 해당 문단 참고.
- 예제 [펼치기·접기]
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1980년 나고야대학 본고사 전기 문과 2번 한국어 번역
원점을 지나고 곡선 [math(C:\,y=x^3-3x^2+2x)]와 원점 이외의 점에서 접하는 직선 [math(l)]의 방정식을 구하라. 또한, 이 접선 [math(l)]과 곡선 [math(C)]로 둘러싸인 부분의 넓이를 구하라.[math(x^3-3x^2+2x=x(x-1)(x-2))]
따라서 접점의 [math(x)]좌표는 [math(1)]과 [math(2)]의 평균인 [math(3/2)]이며, 위 그림에서 색칠된 두 그래프로 둘러싸인 부분의 넓이는 다항함수/공식/넓이 문서의 3.1문단에서 설명한 [math(1/12)] 공식을 사용하여 다음과 같이 구할 수 있다.[math(\dfrac{|1|}{12}\times\left(\dfrac32-0\right)^4=\dfrac{27}{64})]
나아가 위 그림과 같이 세 교점의 [math(x)]좌표 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]가 등차수열을 이룰 경우, 세 교점 및 두 접점의 [math(x)]좌표 역시 등차수열을 이룰 수밖에 없다. 이때, [math(\alpha)]와 [math(\gamma)]의 평균이 정확히 [math(\beta)]이므로, 점 [math((\beta,\,f(\beta)))]에서 그은 접선은 그 자체로 이미 [math(x)]좌표가 [math(\alpha)]와 [math(\gamma)]을 제외한 나머지, 즉 [math(\beta)]인 점을 지나고 있음에 주목하자. 그래서 이 접선은 다른 접선들과는 달리 곡선 [math(y=f(x))]와의 교점이 점 [math((\beta,\,f(\beta)))] 하나뿐이며, 이 점은 다름 아닌 곡선 [math(\boldsymbol{y=f(x)})]의 변곡점이다. 이와 같이 직선이 접하면서 교차하는 형태에서는 다음과 같이 세제곱 인수가 도출된다. 이에 대해서는 다항함수/추론 참고.
[math(\begin{aligned}f(x)-l_{\alpha,\,\gamma}(x)&=a\left(x-\dfrac{\alpha+\gamma}2\right)^3\\&=a(x-\beta)^3\end{aligned})] |
[math(\alpha+\beta+\gamma=3\beta)] |
좀 더 정확히 말하면, 일단 직선 [math(y=l_{\alpha,\,\gamma}(x))]는 [math(x=\beta)]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 접하므로 삼차방정식 [math(f(x)-l_{\alpha,\,\gamma}(x)=0)]은 [math(x=\beta)]를 중근으로 갖는다. 나머지 한 근을 [math(k)]라 하면
[math(\beta+\beta+k=\alpha+\beta+\gamma)] |
나아가 위 그림과 같이 동일한 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프에 대하여 직선 [math(y=g_1(x))], [math(y=g_2(x))]를 그었을 때 발생하는 교점의 [math(x)]좌표가 각각 [math(\alpha')], [math(\beta')] 그리고 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]라고 하자. 이때, [math((\alpha',\,f(\alpha')))]만이 접점이다. 그러면 [math(y=g_1(x))]와 [math(y=g_2(x))]는 직선의 방정식이므로 [math(g_1(x))]와 [math(g_2(x))]는 일차식인바, 두 삼차방정식
[math(f(x)-g_1(x)=0,\,f(x)-g_2(x)=0)] |
[math(\alpha'+\alpha'+\beta'=\alpha+\beta+\gamma=-\dfrac ba)] |
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2013학년도 6월 고3 나형 17번 [math(k+1+1=-\dfrac01=0)] [math(\overline{\rm AB}=\sqrt{\{1-(-2)\}^2+(-4-2)^2}=3\sqrt5)] 2023학년도 4월 12번 [math(0+k+k=-\dfrac{-6}1=6)]
경기도교육청에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 직접 미분을 통하여 접선의 방정식을 세운 뒤 좌표를 대입하는 과정이 매우 번거롭다. 그러나 삼차방정식의 근과 계수의 관계를 활용하면 [math(f(x))]의 삼차항과 이차항만 보고도 [math(k)]의 값을 단숨에 알아낼 수 있다.
특히, 위 그림과 같이 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프와 한 점에서 접하고 한 점에서 교차하는 어떤 직선에 대하여 두 점의 [math(x)]좌표를 작은 것부터 [math(\alpha)], [math(\beta)]라 하자. 그러면 이 두 상수의 평균을 나타내는 곡선 [math(y=f(x))] 위의 점에서 그은 접선은 앞서 그었던 직선의 접점을 지난다. 즉, 평균점의 접선은 왼쪽 그림에서는 직선이 [math(x=\beta)]에서 접하므로 [math((\beta,\,f(\beta)))]를, 오른쪽 그림에서는 직선이 [math(x=\alpha)]에서 접하므로 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]를 지난다. 이 역시 앞서 설명한 원리에 따라 당연히 성립하는 사실로서, 삼차방정식의 근과 계수의 관계에 따라 다음이 성립하게 된다.
[math(\begin{aligned}\alpha+\alpha+\beta&=\alpha+\dfrac{\alpha+\beta}2+\dfrac{\alpha+\beta}2\\\alpha+\beta+\beta&=\dfrac{\alpha+\beta}2+\dfrac{\alpha+\beta}2+\beta\end{aligned})] |
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이러한 형태의 그래프는 이미 그어진 접선의 두 교점의 '평균점'에서 새로운 접선을 긋는다기보다는, 사실상은 접선을 그었을 때 발생하는 '교점'에서 다시금 또 다른 접선을 긋는 상황에서 많이 출제된다. 이러한 상황을 다루는 문제를 두 개 소개한다.2016학년도 사관학교 A형 21번 [math(f(x)-l(x)=0,\,f(x)-m(x)=0)] [math(0+0+\alpha=\alpha+\alpha+\beta)] 2013학년도 10월 A형 20번 [math(f(x)=0,\,f(x)-{\rm A}(x)=0,\,f(x)-{\rm B}(x)=0)] [math(-\dfrac01=0)] [math(-1+(-1)+b=b+b+c=0)]
서울특별시교육청에서는 다음과 같은 해설을 대표로 제시했는데, 접선의 방정식을 세운 뒤 그것을 [math(f(x))]와 연립하여 방정식을 푸는 번거로운 과정이 두 번이나 반복되므로 계산이 너무 오래 걸린다.
또한 다음과 같이 [math(f(x))]가 이차항이 없는 점을 이용한 다른 풀이도 제시했는데, 앞선 풀이보다는 편리하긴 하나 [math(f(x))]가 이차항이 없는 경우에만 그럴 뿐이므로 삼차방정식의 근과 계수의 관계를 이용하는 방법에 비하여 한계가 명확하며, 방정식을 직접 세워야 하는 등 계산 자체도 여전히 더 오래 걸린다.
평균점에서 직접 접선을 긋는 문제로는 다음과 같은 예가 있다.1988년 교토대학 본고사 후기 문과 4번 한국어 번역
삼차곡선 [math(y=-x^3+2x^2)] 위의 원점 이외의 점에서 그은 접선이 원점을 지날 때, 이 접선과 원래의 곡선으로 둘러싸인 영역의 넓이를 구하라.
이 접선이 원점을 지나기 위해서는 그 접점의 [math(x)]좌표가 삼차곡선과 [math(x)]축의 두 교점의 [math(x)]좌표의 평균이어야 하는 것이다. 따라서 문제에서 구하고자 하는, 위 그림에서 색칠된 영역의 넓이는 다항함수/공식/넓이 문서에서 밝힌 [math(1/12)] 공식에 따라 다음과 같다.[math(\dfrac{|-1|}{12}\times(1-0)^4=\dfrac1{12})]
한편, 이상에서 알아본 사실을 활용하여 삼차함수 문서에서 밝혔던 [math(x)]좌표 간 거리의 성질을 기하학적으로 이해할 수도 있다. 다음 그림을 보자. 설명에 앞서, 위에서 여러 번 보았듯 두 실근의 평균을 [math(x)]좌표로 하는 곡선 [math(y=f(x))] 위의 점을 편의상 해당 두 실근의 '평균점'이라고 부르기로 하자.
위 그림에서, 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프와 세 번 만나는 임의의 [math(y)]축에 수직인 직선에 대하여 항상 초록색 선분이 빨간색 선분보다 길다는 사실을 삼차함수 문서에서 밝혔다. 다시 말해서, 직선을 어디에 긋더라도 극대점은 [math(\boldsymbol x)]축의 방향에서 항상 빨간색 점에 더 가깝다. 위 그림의 주황색 점은 한 직선 위의 빨간색 점과 초록색 점을 이은 선분의 중점으로, 항상 극대점보다 [math(x)]좌표가 클 수밖에 없다. 따라서 이때 두 실근의 평균점에서의 [math(f(x))]의 미분계수는 음수이므로, 평균점에서의 접선은 우하향하여 오른쪽에 있는 검은색 점과 만날 수 있게 된다.
만약 초록색 선분과 빨간색 선분의 길이가 같다면, 평균점은 극대점이 될 것이며 평균점에서의 접선의 기울기는 [math(0)]이 되어 검은색 점과 만날 수 없게 되므로 모순이다. 또한 초록색 선분이 빨간색 선분보다 짧다면, 평균점은 극대점보다 왼쪽에 있게 되어 평균점에서의 접선의 기울기는 양수가 되므로 이 경우에도 평균점에서의 접선은 검은색 점과 만날 수 없게 되어 모순이다. 결론적으로, 위에서 설명한 사실들이 성립하기 위해서는 초록색 선분이 빨간색 선분보다 길어야만 한다. 즉, 이 형태에서 평균점에서의 접선의 방정식은 상수식일 수 없으며 항상 일차식이다. 앞서 평균점에서의 접선의 방정식을 바로 일차식이라고 단정하지 않고 일차 이하의 다항식이라고 했었지만 이제는 일차식이라고 확신할 수 있는 것이다.
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1968년 홋카이도대학 본고사 전기 문과 5번 한국어 번역
[math(f(x)=(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma))]가 있다. 단 [math(\alpha<\beta<\gamma)]라 하자.- 방정식 [math(f(x)=m(x-\alpha))]가 [math(\alpha)]가 아닌 중근을 가질 때, [math(m)]의 값과 그 중근을 구하라.
- 방정식 [math(f'(x)=0)]은 서로 다른 두 실근을 가짐을 증명하라.
- 방정식 [math(f'(x)=0)]의 두 근을 [math(A)], [math(B)] [math((A<B))]라 할 때, [math(\dfrac12(\alpha+\beta))]와 [math(A)]의 대소를 비교하라.
위 그림과 같이 앞서 밝힌 논리를 사용하면 [math(A<(\alpha+\beta)/2)]임을 증명할 수 있다.1989년 나고야대학 본고사 전기 문과 1번 한국어 번역
함수 [math(f(x))]는 [math(x)]에 관한 삼차식이며 [math(x=0)]에서 극댓값 [math(3)]을 갖고, [math(x=1)]에서 극솟값 [math(-1)]을 갖는다고 하자.- [math(f(x))]를 구하여, 그 그래프의 개형을 구하라.
- [math(f(x)=0)]의 음의 해를 [math(x=-\alpha)], 양의 해를 [math(x=\beta,\,\gamma\,(\beta<\gamma))]라 할 때, [math(\alpha<\beta)]임을 증명하라.
먼저 [math(f(x))]의 최고차항의 계수 [math(a)]의 값을 구하자. 다항함수/공식/길이 문서에서 설명한 길이 공식을 사용할 수도 있으나, 논술 시험에서 이러한 공식은 별도의 증명을 먼저 해 주지 않으면 마음대로 사용해서는 안 되므로 직접 함숫값들을 계산하여 구하자.
먼저 [math(f(x))]는 삼차식이므로 이를 미분한 [math(f'(x))]의 최고차항의 계수는 [math(3a)]이고, [math(f'(0)=f'(1)=0)] 및 [math(f(0)=3)]이므로 다음이 성립한다.[math(\begin{aligned}f'(x)&=3ax(x-1)=3ax^2-3ax\\\therefore f(x)&=ax^3-\dfrac32ax^2+3\end{aligned})] [math(\begin{aligned}\dfrac{|a|}2(1-0)^3&=3-(-1)=4\\\therefore |a|&=a=8\;(\because a>0)\end{aligned})]
이제 두 번째 문제를 풀자. 이는 앞서 설명한 삼차방정식의 근과 계수의 관계에 따른 논리가 그대로 적용되는 문제이다. 두 번째 문제의 상황은 다음과 같다.
[math(\alpha<\beta)]라는 것은 초록색 선분이 빨간색 선분보다 더 길다는 뜻이며, 앞서 설명한 논리에 따라 이를 증명할 수 있다.
5.4.3. 사차함수
위 그림과 같이 사차함수 [math(y=f(x))]의 그래프와 그 접선이 주어질 때, 교점의 [math(x)]좌표를 사차방정식의 근과 계수의 관계로 쉽게 구할 수 있다.
[math(f(x)=ax^4+bx^3+\cdots\;(a\neq0))] |
[math(2\alpha+2\gamma=3\beta+\delta=-\dfrac ba)] |
그밖에도 사차함수의 그래프와 직선이 그려진 다양한 모양에 대하여 얼마든지 이러한 원리를 적용할 수 있다.
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2021년 홋카이도대학 본고사 후기 이과 1번 한국어 번역
[math(f(x)=4x^3+18x^2-48x)]라 하여, 곡선 [math(C:\,y=f(x))]를 생각하자.- [math(C)]의 변곡점을 모두 구하라.
- [math(C)]의 변곡점 중 [math(x)]좌표가 최대인 것을 [math(P)]라 하자. 점 [math(P)]에서 그은 [math(C)]의 접선 [math(l)]의 방정식을 구하라.
- [math(C)]와 (2)의 접선 [math(l)]로 둘러싸인 부분의 넓이를 구하라.
[math(\begin{aligned}f''(x)&=12x^2+36x-48\\&=12(x+4)(x-1)=0\end{aligned})] [math(\begin{aligned}y=f'(1)(x-1)+f(1)&=-26(x-1)+17\\&=-26x+9\end{aligned})]
이때 위 그림과 같이 [math(C)]의 [math(l)]의 교점 중에서 접점이 아닌 것의 [math(x)]좌표는 [math(-9)]이다. [math(C)]의 방정식과 [math(l)]의 방정식을 각각 [math(f(x))], [math(g(x))]라 하면 사차방정식 [math(f(x)-g(x)=0)]의 네 근의 합은 [math(-(6/1)=-6)]이며, 삼중근 [math(1)]과 단일근의 합이 [math(-6)]이 되기 위해서는 단일근이 [math(-9)]여야 하기 때문이다. 따라서 문제에서 구하고자 하는, 위 그림에서 색칠된 영역의 넓이는 다항함수/공식/넓이 문서에서 설명한 [math(1/20)] 공식에 따라 다음과 같다.[math(\dfrac{|-1|}{20}\times\{1-(-9)\}^4=\dfrac{10000}{20}=500)]
위 그림과 같이 이중접선이 존재하는 사차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에 대하여, 이중접선의 두 접점의 [math(x)]좌표를 작은 순서대로 [math(\alpha)], [math(\gamma)]라 하고, 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]에서 그은 또 다른 접선의 접점의 [math(x)]좌표를 [math(\beta)], 교차점의 [math(x)]좌표 중 [math(\alpha)]가 아닌 것을 [math(\delta)]라 하자. 이때 다음의 비율 관계가 성립한다.
[math((\beta-\alpha):(\gamma-\beta):(\delta-\gamma)=1:2:1)] |
- 증명 [펼치기·접기]
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사차방정식의 근과 계수의 관계로 증명할 수 있다. 앞서 보았던 그림에서 곡선 [math(y=f(x))]의 이중접선의 방정식을 [math(y=g_1(x))], 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))]에서 그은 또 다른 접선의 방정식을 [math(y=g_2(x))]라 하자. 그러면 [math(g_1(x))]와 [math(g_2(x))]는 모두 일차 이하의 다항식이므로 두 사차방정식[math(f(x)-g_1(x)=0,\,f(x)-g_2(x)=0)] [math(\begin{aligned}-\dfrac ba&=\alpha+\alpha+\gamma+\gamma\\&=\alpha+\beta+\beta+\delta\\\dfrac ca&=\alpha^2+\alpha\gamma+\alpha\gamma+\alpha\gamma+\alpha\gamma+\gamma^2\\&=\alpha\beta+\alpha\beta+\alpha\delta+\beta^2+\beta\delta+\beta\delta\end{aligned})] [math(\begin{aligned}\alpha+2\gamma&=2\beta+\delta&\cdots{\rm (a)}\\\alpha^2+4\alpha\gamma+\gamma^2&=2\alpha\beta+\alpha\delta+\beta^2+2\beta\delta\;&\cdots{\rm (b)}\end{aligned})] [math((\beta-\alpha):(\gamma-\beta):(\delta-\gamma)=1:2:1)] [math(\dfrac{\alpha+2\gamma}3=\dfrac{2\beta+\delta}3)] [math(\begin{aligned}\alpha&=m-2k\\\beta&=m-l\\\gamma&=m+k\\\delta&=m+2l\end{aligned})] [math(\begin{aligned}&(m-2k)^2+4(m-2k)(m+k)+(m+k)^2\\=\,&2(m-2k)(m-l)+(m-2k)(m+2l)+(m-l)^2+2(m-l)(m+2l)\end{aligned})] [math(\begin{aligned}6m^2-6mk-3k^2&=6m^2-6mk-3l^2\\\therefore k^2&=l^2\end{aligned})]
- 예제 [펼치기·접기]
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9.2.2문단에서 동일한 비율 관계를 다른 방식으로 접근하여 설명하므로 9.2.2문단을 참고하자. 단, 여기에서는 그중 한 문제를 공식을 적용하지 않고 사차방정식의 근과 계수의 관계로 풀어보자.2026학년도 수능특강 수학Ⅱ 94쪽 4번
곡선 [math(y=f(x))]의 이중접선의 방정식을 [math(y=g(x))]라 하면, 두 사차방정식[math(f(x)=0,\,f(x)-g(x)=0)] [math(\begin{aligned}\alpha+0+0+1&=\beta+\beta+1+1\\\therefore\alpha&=2\beta+1\end{aligned})] [math(\alpha=\beta^2+\beta+\beta+\beta+\beta+1=\beta^2+4\beta+1)] [math((\beta^2+4\beta+1)-(2\beta+1)=\beta^2+2\beta=0)] [math(\dfrac{|1|}{30}\times\{1-(-2)\}^5=\dfrac{81}{10})]
실제 수능특강에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 그래프의 개형을 추론하기보다 지나치게 대수적으로만 접근하여 복잡한 계산을 피할 수 없게 된 점과, [math(\alpha)]와 [math(\beta)]의 값 및 사차함수의 정적분을 모두 공식 없이 계산한 점이 매우 미흡하다. 이 방법으로는 [math(\beta)]의 값을 구하기 이전에 [math(\alpha)]의 값을 반드시 구해야만 한다. 반면 공식을 사용하면 [math(\alpha)]의 값을 굳이 구하지 않고서도 [math(\beta)]의 값과 영역의 넓이를 단숨에 구할 수 있다.
5.4.4. 총정리
위에서 밝혔듯이 [math(n)]차방정식 [math(f(x)=0)]의 모든 근의 합은 [math(f(x))]의 [math(n)]차항 및 [math((n-1))]차항의 계수에만 의존한다. 따라서 [math(n=2)]일 때만 일차항의 계수가 중요하며, [math(n\geq3)]이면 일차항의 계수는 모든 근의 합에 아무런 영향을 미치지 못한다. 바로 그렇기 때문에 유독 이차함수의 경우에만 직선의 기울기를 동일하게 유지시켜야만 했던 것이다. 이와 달리 삼차 이상의 경우에는 직선의 기울기를 마구 바꾸더라도 세 근의 합을 얼마든지 동일하게 유지할 수 있다는 것이 결정적인 차이점이다. 나아가 같은 원리에 의하여 삼차방정식은 두 근끼리의 곱의 합이 삼차항 및 일차항의 계수에 의존하는 반면, 사차방정식은 사차항 및 이차항의 계수에 의존하므로 사차방정식은 삼차방정식과 달리 직선의 기울기를 마구 바꾸더라도 두 근끼리의 곱의 합이 유지되어 이를 증명에서 단서로 활용할 수 있다.5.5. 부분분수분해: 영점에서의 함숫값의 역수의 합
#!if (문단 == null) == (앵커 == null)
를
#!if 문단 != null & 앵커 == null
의 [[부분분수분해#s-3.1|3.1]]번 문단을
#!if 문단 == null & 앵커 != null
의 [[부분분수분해#|]] 부분을
참고하십시오.이는 Heaviside cover-up method와 깊은 관련이 있다. 공식과 그에 대한 증명 및 예제는 부분분수분해 문서를 참고하자. 이 공식은 본 문서의 4.3.1문단에서도 증명에 활용된다.
6. 길이와 넓이의 관계
이 문단의 일부에서는 다항함수/공식/길이 문서와 다항함수/공식/넓이 문서에서 설명한 길이 공식과 넓이 공식의 관계를 설명하므로 해당 내용들을 먼저 참고하라.6.1. 이차함수·삼차함수
그래프의 개형이 위 그림과 같은 삼차함수 [math(y=f(x))]와 그 도함수 [math(y=f'(x))]에 대하여, 도함수의 그래프의 [math(x)]절편을 왼쪽부터 [math(\alpha)], [math(\beta)]라 하고, [math(f(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면, [math(f'(x))]의 최고차항의 계수는 [math(3a)]이므로 색칠된 부분의 넓이 [math(S)]와 [math(y=f(x))]의 극댓값과 극솟값의 차 [math(l)]의 관계는 다음과 같다.
[math(\displaystyle \begin{aligned} S&=\frac{|3a|}{2\cdot 3}(\beta-\alpha)^{3}=\frac{|a|}{2}(\beta-\alpha)^{3} \\ l&=\frac{|a|}{2}(\beta-\alpha)^{3}\\ \therefore S&=l \end{aligned} )] |
[math(\begin{aligned} S&=-\displaystyle\int_\alpha^\beta f'(x)\, {\mathrm d}x\\&=-\{f(\beta)-f(\alpha)\}\\&=f(\alpha)-f(\beta)\\&=l \end{aligned})] |
개형이 위의 그림과 같은 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프의 극점을 위쪽부터 [math(\rm A)], [math(\rm B)]라 하고, 이 두 점의 접선이 삼차함수의 그래프와 교차하는 점을 위쪽부터 [math(\rm P)], [math(\rm Q)]라 하면 위의 성질에 따라 다음이 성립한다.
[math(S_{1}=S_{2}=S_{3})] |
- 예제 [펼치기·접기]
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2026학년도 수능특강 수학Ⅱ 86쪽 예제 3번 [math(\displaystyle\sum_{n=1}^8a_n=\sum_{n=1}^8\dfrac32n=\dfrac32\times\dfrac{8\times9}2=54)] 2023학년도 수능특강 수학Ⅱ 93쪽 예제 3번
함수 [math(y=3x^2-6x)]는 이차함수이므로, [math(A=B)]이려면[math((\beta-\alpha):(k-\beta)=2:1)]
수능특강 본문에서는 위와 같은 해설을 제시했는데, 직접 정적분을 계산해야 하므로 다소 번거롭다. 반면 공식을 알고 있다면 간단한 암산을 거쳐 사실상 눈으로도 풀 수 있게 된다.
2024학년도 수능특강 수학Ⅱ 97쪽 5번에도 출제되었으며, 같은 원리로 정답은 ③이다.
6.2. 삼차함수·사차함수
그래프의 개형이 위 그림과 같은 사차함수 [math(f(x))]와 도함수 [math(f'(x))]에 대하여, 도함수의 그래프의 [math(x)]절편을 왼쪽부터 [math(\alpha)], [math(\beta)]라 하자. 한편 [math(f(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면 [math(f'(x))]의 최고차항의 계수는 [math(4a)]이므로, 색칠된 부분의 넓이 [math(S)]와 접선의 기울기가 [math(0)]인 [math(f(x))]의 그래프 위의 점들의 [math(y)]좌표 간 거리 [math(l)]의 관계는 다음과 같다.
[math(\begin{aligned} S&=\dfrac{|4a|}{3\cdot 4}(\beta-\alpha)^{4}=\dfrac{|a|}{3}(\beta-\alpha)^{4} \\ l&=\dfrac{|a|}{3}(\beta-\alpha)^{4}\\ \therefore S&=l \end{aligned} )] |
[math(\begin{aligned} S&=-\displaystyle\int_\alpha^\beta f'(x)\, {\mathrm d}x\\&=-\{f(\beta)-f(\alpha)\}\\&=f(\alpha)-f(\beta)\\&=l \end{aligned})] |
그래프의 개형이 위 그림과 같은 사차함수 [math(f(x))]와 도함수 [math(f'(x))]에 대하여, 도함수의 그래프의 [math(x)]절편을 왼쪽부터 [math(0)], [math(3\alpha)]라 하자. 이때 위 그림에서 색칠된 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]에 대하여, 다항함수/공식/길이 문서에서 밝힌 길이 관계에 따라서 [math(f(-\alpha)=f(3\alpha))]이기 때문에 다음이 성립한다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_{-\alpha}^0f'(x)\;{\rm d}x\right|\\&=|f(0)-f(-\alpha)|=f(-\alpha)-f(0)\\=S_2&=\int_0^{3\alpha}f'(x)\;{\rm d}x=f(3\alpha)-f(0)\end{aligned})] |
나아가 위 그림과 같이 삼차함수 [math(f(x))]의 그래프에 접점이 변곡점이 아닌 임의의 접선 [math(y=g(x))]를 그었을 때, 곡선 [math(y=f(x))]와 직선 [math(y=g(x))]가 [math(x=\beta)]에서 교차하고 [math(x=\gamma)]에서 접한다고 하자. 이때, 각기 다른 색으로 표시된 두 영역은 다음과 같이 정의되며 위 그림과 같이 [math(\boldsymbol{\gamma-\beta=3(\beta-\alpha)})]일 때 마찬가지의 넓이 관계가 성립한다.
[math(\begin{aligned}{\color{#DA3832}S_1}&={\color{#DA3832}\displaystyle\int_\alpha^\beta\{g(x)-f(x)\}\;{\rm d}x}\\{\color{#55AE58}S_2}&={\color{#55AE58}\displaystyle\int_\beta^\gamma\{f(x)-g(x)\}\;{\rm d}x}\end{aligned})] |
나아가 위 그림과 같이 삼차함수의 그래프와 이차함수의 그래프가 왼쪽 점에서 접하고 오른쪽 점에서 교차할 때, 두 점의 [math(x)]좌표를 각각 [math(\alpha)], [math(\beta)]라 하면 [math(\boldsymbol{\gamma-\beta=3(\beta-\alpha)})]일 때 마찬가지의 넓이 관계가 성립한다.
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2022학년도 수능완성 수학Ⅰ·수학Ⅱ·미적분Ⅰ 실전 모의고사 2회 19번 [math(\begin{aligned}(p-0):(a_p-p)&=3:1\\\rightarrow a_p&=\dfrac43p\\\\\therefore\displaystyle\lim_{p\to\infty}\dfrac{6a_p}{p+1}&=\cfrac{6\times\dfrac43}1=8\end{aligned})]
그래프의 개형이 위 그림과 같은 사차함수 [math(f(x))]와 도함수 [math(f'(x))]에 대하여, 도함수의 그래프의 [math(x)]절편을 왼쪽부터 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)]라 하자. 이때, [math(\beta)]는 [math(\alpha)]와 [math(\gamma)]의 평균으로서 점 [math((\beta,\,f'(\beta)))]는 곡선 [math(y=f'(x))]의 변곡점이다. 한편 [math(f(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면 [math(f'(x))]의 최고차항의 계수는 [math(4a)]이므로, 색칠된 부분의 넓이 [math(S_1)] 및 [math(S_2)]와 접선의 기울기가 [math(0)]인 [math(f(x))]의 그래프 위의 점들의 [math(y)]좌표 간 거리 [math(l)]의 관계는 다음과 같다.
[math(\begin{aligned} S_1=S_2&=\dfrac{|4a|}4(\beta-\alpha)^{4}=|a|(\beta-\alpha)^{4}\\&=\dfrac{|4a|}4(\gamma-\beta)^{4}=|a|(\gamma-\beta)^{4} \\ l&=|a|(\beta-\alpha)^{4}\\ \therefore S&=l \end{aligned} )] |
[math(\begin{aligned} S_1&=\displaystyle\int_\alpha^\beta f'(x)\, {\mathrm d}x\\&=f(\beta)-f(\alpha)\\=S_2&=-\displaystyle\int_\beta^\gamma f'(x)\, {\mathrm d}x\\&=-\{f(\gamma)-f(\beta)\}\\&=f(\beta)-f(\gamma)\\&=l\end{aligned})] |
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6.3. 사차함수(3:2 공식)
위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 상수 [math(\alpha<\beta<\gamma)]에 대하여 [math(x=\alpha)]에서 [math(x)]축과 접하고 [math(x=\beta)] 및 [math(x=\gamma)]에서 교차한다고 하자. 이때 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(x)]축으로 둘러싸인 두 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]는 다음과 같이 정의된다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_\alpha^\beta f(x)\,{\rm d}x\right|\\S_2&=\left|\displaystyle\int_\beta^\gamma f(x)\,{\rm d}x\right|\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}S_1&=\dfrac{4|a|}{45}(\beta-\alpha)^5\\=S_2&=\dfrac{27|a|}{40}(\gamma-\beta)^5\end{aligned})] |
[math(f(x)=a(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma))] |
- 증명(정적분 공식) [펼치기·접기]
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계산의 편의를 위하여 위 그림에서 [math(\alpha=0)]이라 하여[math(f(x)=ax^2(x-\beta)(x-\gamma))] [math(\begin{aligned}\displaystyle\int_0^\gamma ax^2(x-\beta)(x-\gamma)\,{\rm d}x&=\int_0^\gamma ax^3(x-\gamma)\,{\rm d}x-\int_0^\gamma a\beta x^2(x-\gamma)\,{\rm d}x\\&=a\left(-\dfrac1{20}\gamma^5+\dfrac1{12}\beta\gamma^4\right)=0\\\therefore\dfrac1{12}\beta\gamma^4&=\dfrac1{20}\gamma^5,\;5\beta=3\gamma\end{aligned})] [math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_0^{3k}ax^2(x-3k)(x-5k)\,{\rm d}x\right|\\&=\left|\displaystyle\int_0^{3k}ax^3(x-3k)\,{\rm d}x-5k\displaystyle\int_0^{3k}ax^2(x-3k)\,{\rm d}x\right|\\&=\left|-\dfrac a{20}(3k)^5+5k\times\dfrac a{12}(3k)^4\right|\\&=|a|\times(3k)^4\times\left [math(\begin{aligned}\dfrac{108|a|}5k^5&=\dfrac{108|a|}5\times\left(\dfrac{\beta-\alpha}3\right)^5=\dfrac{4|a|}{45}(\beta-\alpha)^5\\&=\dfrac{108|a|}5\times\left(\dfrac{\gamma-\beta}2\right)^5=\dfrac{27|a|}{40}(\gamma-\beta)^5\end{aligned})]
- 증명(길이 공식) [펼치기·접기]
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위 그림은 위에서 언급한 [math(f(x)=a(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma))]와 [math(f(x))]의 한 부정적분 [math(y=F(x))]의 그래프를 나타낸 것이다. 먼저, 미적분학의 기본정리에 의하여 다음이 성립한다.[math(\begin{aligned}S_1&=\displaystyle\int_\alpha^\beta f(x)\,{\rm d}x\\&=F(\beta)-F(\alpha)\\S_2&=-\displaystyle\int_\beta^\gamma f(x)\,{\rm d}x\\&=F(\beta)-F(\gamma)\end{aligned})] [math(F(x)=\dfrac15a(x-\alpha)^3(x-\gamma)^2+C)] [math((\beta-\alpha):(\gamma-\beta)=3:2)]
- 예제 [펼치기·접기]
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2024학년도 수능특강 수학Ⅱ 99쪽 5번 [math(\begin{aligned}f(x)&=x^4-(1+a)x^3+ax^2\\&=x^2\left\{x^2-(1+a)x+a\right\}\\&=x^2(x-a)(x-1)\end{aligned})]
비율 관계에 따라, [math(S_1=S_2)]이기 위해서는 [math(a<1)]이면 [math(a=3/5)], [math(a>1)]이면 [math(a=5/3)]이므로 정답은 [math(3/5+5/3=34/15)]이다.
실제 수능특강에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, [math(a<1)]인 경우와 [math(a>1)]인 경우로 나누어 사차함수의 정적분을 두 번이나 계산해야 하므로 매우 번거롭다. 그러나 공식을 사용하는 경우 [math(f(x))]를 인수분해하기만 하면 간단하게 답을 구할 수 있다.
2023학년도 수능특강 수학Ⅱ 97쪽 5번에도 출제되었으며, 같은 원리로 답은 ②이다.
나아가 위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 상수 [math(\alpha<\beta<\gamma)]에 대하여 일차함수 [math(g(x))]의 그래프와 [math(x=\alpha)]에서 접하고 [math(x=\beta)] 및 [math(x=\gamma)]에서 교차한다고 하자. 이때 곡선 [math(y=f(x))]와 직선 [math(y=g(x))]로 둘러싸인 두 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]는 다음과 같이 정의되며 마찬가지의 관계가 성립한다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_\alpha^\beta\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\\S_2&=\left|\displaystyle\int_\beta^\gamma\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)-g(x)&=a(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma)\\g(x)&=mx+n\end{aligned})] |
- 예제 [펼치기·접기]
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2024학년도 5월 12번 [math(a:(b-a)=3:2)] [math((b-a)^2+\left\{\dfrac12(b-a)\right\}^2=\sqrt5^2=5)] [math(\begin{aligned}f(x)&=x^2(x-3)(x-5)+\dfrac12x\\\therefore f(1)&=\dfrac{17}2\end{aligned})]
경기도교육청에서는 위와 같은 해설을 제시했는데, 직접 정적분을 계산하여 [math(a)]와 [math(b)]의 값을 구하는 계산이 너무 번거롭다. 반면 공식을 사용하면 정적분을 계산하지 않고도 [math(a)]와 [math(b)]의 값을 사실상 암산만으로도 순식간에 구할 수 있다.
나아가 위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 상수 [math(\alpha<\beta<\gamma)]에 대하여 이차함수 [math(g(x))]의 그래프와 [math(x=\alpha)]에서 접하고 [math(x=\beta)] 및 [math(x=\gamma)]에서 교차한다고 하자. 이때 두 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(y=g(x))]로 둘러싸인 두 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]는 다음과 같이 정의되며 마찬가지의 관계가 성립한다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_\alpha^\beta\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\\S_2&=\left|\displaystyle\int_\beta^\gamma\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)-g(x)&=a(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma)\\g(x)&=mx^2+\cdots\end{aligned})] |
나아가 위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 사차함수 [math(f(x))]의 그래프가 상수 [math(\alpha<\beta<\gamma)]에 대하여 삼차함수 [math(g(x))]의 그래프와 [math(x=\alpha)]에서 접하고 [math(x=\beta)] 및 [math(x=\gamma)]에서 교차한다고 하자. 이때 두 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(y=g(x))]로 둘러싸인 두 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]는 다음과 같이 정의되며 마찬가지의 관계가 성립한다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_\alpha^\beta\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\\S_2&=\left|\displaystyle\int_\beta^\gamma\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)-g(x)&=a(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma)\\g(x)&=mx^3+\cdots\end{aligned})] |
나아가 위 그림과 같이 상수 [math(\alpha<\beta<\gamma)]에 대하여 두 사차함수 [math(f(x))] 및 [math(g(x))]의 그래프가 [math(x=\alpha)]에서 접하고 [math(x=\beta)] 및 [math(x=\gamma)]에서 교차한다고 하자. 이때 두 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(y=g(x))]로 둘러싸인 두 영역의 넓이 [math(S_1)]과 [math(S_2)]는 다음과 같이 정의된다.
[math(\begin{aligned}S_1&=\left|\displaystyle\int_\alpha^\beta\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\\S_2&=\left|\displaystyle\int_\beta^\gamma\{f(x)-g(x)\}\,{\rm d}x\right|\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}f(x)-g(x)&=(a-a')(x-\alpha)^2(x-\beta)(x-\gamma)\\f(x)-g(x)&=ax^4+\cdots,\,g(x)=a'x^4+\cdots\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}S_1&=\dfrac{4|a-a'|}{45}(\beta-\alpha)^5\\=S_2&=\dfrac{27|a-a'|}{40}(\gamma-\beta)^5\end{aligned})] |
7. 길이와 기울기의 관계
이 문단에서는 다항함수/공식/길이 문서에서 설명한 길이 공식과 위에서 설명한 기울기 공식의 관계를 설명하므로 해당 내용들을 먼저 참고하라.7.1. 이차함수
다항함수/공식/길이 문서에서 밝혔듯이, 위 그림에서 색이 같은 선분끼리는 길이가 같다고 했다. 곧, 곡선 [math(y=f(x))] 위의 세 점의 [math(x)]좌표는 등차수열을 이룬다. 또한, 위 그림에서 두 직선 [math(y=g_1(x))]와 [math(y=g_2(x))]는 평행하다고 했다. 다시 말해서 이차함수의 그래프 위의 임의의 두 점을 지나는 직선의 기울기는, 이 두 점의 [math(x)]좌표의 평균을 [math(x)]좌표로 하는 곡선 [math(y=f(x))] 위의 점에서의 접선의 기울기와 같다. 또한, 곡선 [math(y=f(x))] 위의 세 점의 [math(x)]좌표가 등차수열을 이루면 각 접선의 기울기 역시 등차수열을 이룬다고 했으므로, 최종적으로는 이차함수의 그래프 위의 임의의 두 점을 지나는 직선의 기울기가 두 점에서의 접선의 기울기의 평균과 같음이 여기에서도 확인된 셈이다.
다항함수/공식/길이 문서에서 밝혔듯이, [math(f(x))]가 이차함수이면 [math(\overline{\rm BD}=\overline{\rm DE})]라고 했다. 또한 [math(\overline{\rm AD})]의 기울기와 [math(\overline{\rm AE})]의 기울기의 비는 [math(1:2)]라고 했다. 이 두 공식은 다음과 같이 연계할 수 있다.
[math(\left(\overline{\rm AD}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)=-\dfrac{\overline{\rm BD}}{\overline{\rm AB}},\,\left(\overline{\rm AE}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)=-\dfrac{\overline{\rm BE}}{\overline{\rm AB}})] [math(\begin{aligned}\therefore\left(\overline{\rm AD}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right):\left(\overline{\rm AE}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)&=-\dfrac{\overline{\rm BD}}{\overline{\rm AB}}:-\dfrac{\overline{\rm BE}}{\overline{\rm AB}}\\&=\overline{\rm BD}:\overline{\rm BE}=1:2\end{aligned})] [math(\left(\overline{\rm CD}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)=\dfrac{\overline{\rm BD}}{\overline{\rm BC}},\,\left(\overline{\rm CE}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)=\dfrac{\overline{\rm BE}}{\overline{\rm BC}})] [math(\begin{aligned}\therefore\left(\overline{\rm CD}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right):\left(\overline{\rm CE}\textsf{\footnotesize의 기울기}\right)&=\dfrac{\overline{\rm BD}}{\overline{\rm BC}}:\dfrac{\overline{\rm BE}}{\overline{\rm BC}}\\&=\overline{\rm BD}:\overline{\rm BE}=1:2\end{aligned})] |
8. 넓이와 기울기의 관계
이 문단에서는 다항함수/공식/넓이 문서에서 설명한 넓이 공식과 위에서 설명한 기울기 공식의 관계를 설명하므로 해당 내용들을 먼저 참고하라.8.1. 이차함수
상수 [math(\alpha)], [math(\beta)]와 [math(a<t<b)]인 실수 [math(t)]에 대하여, 위 그림과 같이 최고차항의 계수가 [math(a)]인 이차함수 [math(f(x))]의 그래프 위의 세 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))], [math((\beta,\,f(\beta)))], [math((t,\,f(t)))] 즉 [math(\rm A)], [math(\rm T)], [math(\rm B)]를 이은 삼각형의 넓이가 최대가 되도록 하는 [math(t)]의 값은 다항함수/공식/넓이 문서에서 밝혔듯이 [math(\alpha)]와 [math(\beta)]의 평균, 곧 [math((\alpha+\beta)/2)]이다. 이번에는 기하학적인 방법으로 구해 보자.
삼각형의 넓이는 결국, 선분 [math(\overline{\rm AB})]의 길이에, [math(\overline{\rm AB})]와 점 [math(\rm T)]의 거리를 곱한 뒤 [math(2)]로 나눈 값이다. 이때, 선분 [math(\overline{\rm AB})]의 길이는 정해져 있으므로 결국 삼각형의 넓이는 해당 선분과 점의 거리에 의존한다. 곧, 선분 [math(\overline{\rm AB})]와의 거리가 최대가 되는 점 [math(\rm T)]를 찾으면 되는 것이다. 거리가 최대가 되기 위해서는 기하학적으로 이 점 [math(\rm T)]에서의 곡선 [math(y=f(x))]에 대한 접선의 기울기가 다음 그림과 같이 선분 [math(\overline{\rm AB})]와 같아야 한다.
위에서 밝혔듯이 두 선이 평행하기 위해서는 점 [math(\rm T)]의 [math(x)]좌표가 나머지 두 점의 [math(x)]좌표의 평균이어야 하므로, 대수적으로 구할 때와 마찬가지로 구하는 [math(t)]의 값은 다음과 같다.
[math(t=\dfrac{\alpha+\beta}2)] |
- 예제 [펼치기·접기]
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1972년 홋카이도대학 본고사 전기 문과 6번 한국어 번역
포물선 [math(y=x^2)] 위의 점 [math(A)], [math(B)]가 있다. [math(P)]는 포물선 위에서 [math(A)]와 [math(B)] 사이에 있는 점으로, 포물선과 현 [math(AP)]로 둘러싸인 도형의 면적 [math(S_1)]과 포물선과 현 [math(BP)]로 둘러싸인 도형의 면적 [math(S_2)]의 합이 최소가 되도록 하는 점이다.- [math(S_1)]과 [math(S_2)]의 비를 구하라.
- 점 [math(P)]에서의 포물선의 접선에 수직인 직선과 [math(A)], [math(B)]를 지나는 직선이 이루는 각을 구하라.
위 그림은 문제의 상황을 그래프로 그린 것이다. 다항함수/공식/넓이 문서에서 해설했듯이 [math(A)], [math(P)], [math(B)]의 [math(x)]좌표는 등차수열을 이루어야 하며, 앞서 알아본 논리에 따라 이 경우 점 [math(P)]에서의 접선은 선분 [math(AB)]와 평행하다. 따라서 점 [math(P)]에서의 접선에 수직인 직선은 선분 [math(AB)]에 대해서도 수직이므로, 두 선이 이루는 각은 [math(90\degree)]이다.
9. 기울기와 방정식의 관계
9.1. 이차함수
앞서 밝혔듯이 이차함수 [math(f(x))]의 그래프 위의 서로 다른 임의의 세 점 [math((\alpha,\,f(\alpha)))], [math((\beta,\,f(\beta)))], [math((\gamma,\,f(\gamma)))]에 대하여 다음이 성립한다.
[math(\dfrac{\alpha+\gamma}2=\beta\quad\Leftrightarrow\quad\dfrac{f(\gamma)-f(\alpha)}{\gamma-\alpha}=f'(\beta))] |
위 그림과 같이 직선의 기울기가 일정하면 이차방정식의 두 근의 합도 일정하므로, 직선이 접하여 그에 따른 이차방정식이 중근을 가질 때는 두 근의 평균을 중근으로 가져야 두 근의 합이 일정하게 유지된다는 것을 본 문서의 5.4.1문단에서 알아본 바 있다.
이와 같이 이차함수는 임의의 구간에서 평균값 정리를 만족시키는 점이 항상 해당 구간의 정중앙에 존재한다는 사실은 근과 계수의 관계를 통해 이해하는 편이 더욱 직관적이고 유용하다. 그뿐만 아니라 단순히 직접 평균변화율과 순간변화율을 계산하여 두 값이 같음을 보이는 것은 추가적인 통찰이나 응용의 여지를 가져다주기가 어렵기도 하다. 반면 근과 계수의 관계의 테크닉은 삼차함수나 사차함수에 그대로 적용할 경우 요긴한 공식이 많이 도출된다.
9.2. 기울기 함수
다항함수 [math(y=f(x))]에서 [math(x)]의 값이 실수 [math(a)]에서 [math(t)]까지(또는 [math(t)]에서 [math(a)]까지) 변할 때의 평균변화율을 [math(g(t))]라는 새로운 함수로 정의하여, 앞서 알아본 여러 다항함수의 성질들을 또 다른 시각에서, 때로는 더욱 편리하게 분석할 수 있다. 분석이 편리해질 수 있는 이유는 [math(g(t))]가[math(g(t)=\dfrac{f(t)-f(a)}{t-a}\quad(t\neq a))] |
9.2.1. 이차함수·삼차함수
위 그림과 같이 삼차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에서 변곡점이 아닌 점에서 접하는 직선에 대하여, 그 접점에서 또 다른 접선을 그을 때 발생하는 또 다른 접점의 [math(x)]좌표는 먼저 그은 접선과 곡선 [math(y=f(x))]의 두 교점의 [math(x)]좌표의 평균임을 삼차방정식의 근과 계수의 관계를 통해 앞서 증명한 바 있다. 이번에는 위 그래프에 대하여 기울기 함수를 사용하여 증명해 보자. 먼저 다음의 기울기 함수를 정의하자.
[math(g(t)=\dfrac{f(t)-f(\beta)}{t-\beta}\quad(t\neq\beta))] |
[math(f(x)=a(x-\alpha)(x-\beta)^2)] |
[math(\begin{aligned}g(t)&=\dfrac{f(t)-f(\beta)}{t-\beta}\\&=\dfrac{a(t-\alpha)(t-\beta)^2-0}{t-\beta}\\&=a(t-\alpha)(t-\beta)\quad(t\neq\beta)\end{aligned})] |
위 그림과 같이 [math(g(t))]는 [math(t=(\alpha+\beta)/2)]에서 극소임을 쉽게 알 수 있다.
실제로 위 그림과 같이 선분의 기울기는 계속 감소하다가 [math(t=(\alpha+\beta)/2)]에서 선분이 곡선 [math(y=f(x))]에 접하면서 극솟값 [math(f'((\alpha+\beta)/2))]를 가지며, 그 이후로는 계속 증가한다. 선분의 기울기가 극소가 되는 지점에서는 기하학적으로 선분이 곡선 [math(y=f(x))]에 접해야 하므로, 이 접선이 [math(x=(\alpha+\beta)/2)]에서 접함이 증명된 것이다.
9.2.2. 삼차함수·사차함수
위 그림과 같이 사차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에서 이중접선이 [math(x=\alpha)]와 [math(x=\gamma)]에서 접하고, 점 [math(\alpha,\,f(\alpha))]에서 그은 또 다른 접선이 [math(x=\beta)]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 접하고 점 [math((\delta,\,f(\delta)))]에서 곡선 [math(y=f(x))]와 교차할 때
[math((\beta-\alpha):(\gamma-\beta):(\delta-\gamma)=1:2:1)] |
[math(g(t)=\dfrac{f(t)-f(\alpha)}{t-\alpha}\quad(t\neq\alpha))] |
[math(f(x)=a(x-\alpha)(x-\beta)^2(x-\delta))] |
[math(\begin{aligned}g(t)&=\dfrac{f(t)-f(\alpha)}{t-\alpha}\\&=\dfrac{a(t-\alpha)(t-\beta)^2(t-\delta)-0}{t-\alpha}\\&=a(t-\beta)^2(t-\delta)\quad(t\neq\alpha)\end{aligned})] |
위 그림과 같이 선분의 기울기는 [math(t<\beta)]일 때는 계속 증가하여[8] [math(t=\beta)]일 때 선분이 곡선 [math(y=f(x))]에 접하면서 극댓값 [math(0)]을 가지며, [math(\beta<t<\gamma)]일 때는 기울기가 다시 감소하여 [math(t=\gamma)]일 때 선분이 곡선 [math(y=f(x))]에 접하면서 극솟값 [math(f'(\gamma))]를 갖는다. 이후 [math(t>\gamma)]일 때부터는 기울기가 계속 증가한다. 단, [math(t=\delta)]일 때 기울기가 [math(0)]이 된다. 즉, [math(g(\beta)=g(\delta)=0)]인 것이다. 선분의 기울기가 극대 또는 극소가 되는 지점에서는 기하학적으로 선분이 곡선 [math(y=f(x))]에 접해야 하므로, 함수 [math(g(t))]가 [math(x=\beta)]와 [math(x=\gamma)]에서 극값을 가짐이 증명된 것이다.
한편, 마지막으로 [math(\displaystyle\lim_{t\to\alpha}g(t)=g(\gamma))]임을 증명하자. 미분계수의 정의에 따라
[math(\displaystyle\lim_{t\to\alpha}g(t)=\displaystyle\lim_{t\to\alpha}\dfrac{f(t)-f(\alpha)}{t-\alpha}=f'(\alpha))] |
[math(g(\gamma)=f'(\gamma))] |
이상의 사실을 바탕으로 [math(g(t))]의 그래프를 그리면 다음과 같다.
따라서 그래프의 개형상 다항함수/공식/길이 문서에서 설명한 삼차함수의 비율 관계에 따라 다음이 증명되었다.
[math((\beta-\alpha):(\gamma-\beta):(\delta-\gamma)=1:2:1)] |
- 예제(기본) [펼치기·접기]
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2026학년도 수능특강 수학Ⅱ 94쪽 4번
이는 앞서 밝힌 공식이 정확히 적용되는 모양으로서,[math((\beta-\alpha):(0-\beta):(1-0)=1:2:1)] [math(\dfrac{|1|}{30}\times\{1-(-2)\}^5=\dfrac{81}{10})]
실제 수능특강에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 그래프의 개형을 추론하기보다 지나치게 대수적으로만 접근하여 복잡한 계산을 피할 수 없게 된 점과, [math(\alpha)]와 [math(\beta)]의 값 및 사차함수의 정적분을 모두 공식 없이 계산한 점이 매우 미흡하다. 이 방법으로는 [math(\beta)]의 값을 구하기 이전에 [math(\alpha)]의 값을 반드시 구해야만 한다. 반면 공식을 사용하면 [math(\alpha)]의 값을 굳이 구하지 않고서도 [math(\beta)]의 값과 영역의 넓이를 단숨에 구할 수 있다.
- 예제(심화) [펼치기·접기]
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2017학년도 11월 고2 가형 30번
평균변화율의 정의에 따라 [math(g(t))]는 다음과 같다.[math(g(t)=\dfrac{f(t)-f(1)}{t-1}\;(t>1))]
위 그림은 점 [math((2,f(2)))]가 어떤 점인지에 따라 [math(g(t))]가 [math(t=2)]에서 어떤 형태를 띠는지를 나타낸 것이다. [math(f(x))]가 [math(x=2)]에서 극대도 극소도 아닌 경우 [math(g(t))]는 [math(t=2)] 근방에서 계속 증가하기만 하며, [math(f(x))]가 [math(x=2)]에서 극소이면 [math(g(t))]도 [math(t=2)]에서 극소가 된다. 반면 [math(f(x))]가 [math(x=2)]에서 극대이면 [math(g(t))]도 [math(t=2)]에서 극대가 된다. 따라서 문제의 조건을 만족시키기 위해서는 [math(f(x))]가 [math(x=2)]에서 극대여야 한다. 따라서 가능한 곡선 [math(y=f(x))]의 개형은 다음과 같다.
이때 [math(g(t))]의 최솟값이 존재하려면 [math(t=1)] 근방에서보다 더욱 기울기가 작은 선분을 [math(2<t<\alpha)]에서 그을 수 있어야 한다. 그래프의 개형에 따라 그 여부를 조사해 보자.
위 그림에서 초록색 점선은 [math(x=1)]에서의 곡선 [math(y=f(x))]의 접선을, 빨간색 실선은 [math(2<t<\alpha)]에서 그을 수 있는 선분 중 기울기가 최소인 것을 나타낸다. 빨간색 실선은 기하학적으로 곡선 [math(y=f(x))]의 접선이 됨은 물론이다.
왼쪽 경우는 빨간색 실선이 기울기가 더 작으므로 [math(g(t))]의 최솟값은 이 빨간색 실선의 기울기가 된다.
가운데 경우는 초록색 점선이 기울기가 더 작아서 [math(g(t))]의 최솟값이 존재하지 않는다. [math(1<t<2)]일 때는 [math(t)]가 [math(1)]에 수렴할수록 선분의 기울기, 즉 [math(g(t))]의 값이 작아지면서 [math(f'(1))]에 수렴한다. 따라서 빨간색 실선의 기울기가 [math(f'(1))]보다 크면 빨간색 실선보다 기울기가 작은 선분[9]을 [math(1<t<2)]에서 적어도 하나 그을 수가 있는 것이다. 그러나 [math(g(t))]의 정의역이 [math(t>1)]로서 열린 집합이기에 [math(g(t))]의 최솟값은 존재하지 않는다.
오른쪽 경우는 빨간색 실선의 기울기가 정확히 [math(f'(1))]과 일치하는 경우이다. 이 경우에는 [math(g(t))]의 최솟값이 정확히 [math(f'(1))]이 된다.
최종적으로 [math(g(t))]의 최솟값이 존재하는 경우는 왼쪽 경우와 오른쪽 경우이다. 이때 방정식 [math(f(x)=f(1))]의 서로 다른 실근의 합이 최소가 되려면 결국 [math(\alpha)]의 값이 최소가 되어야 한다. [math(\alpha)]의 값이 크면 클수록 빨간색 실선의 기울기는 작아진다. 따라서 빨간색 실선의 기울기가 최대가 될 때 [math(\alpha)]의 값은 최소가 된다. 이에 해당하는 경우는 다름 아닌 위 그림의 오른쪽 경우이다. 이 경우에는 빨간색 실선이 곡선 [math(\boldsymbol{y=f(x)})]의 이중접선이 된다. 이 형태는 정확히 앞서 알아본 비율 관계를 적용할 수 있는 형태이다. 즉, 그래프를 다음과 같이 나타낼 수 있다.
결국 [math(1:2:1)]의 비율 관계에 따라 [math(a=4)], [math(\alpha=5)]이며 방정식 [math(f(x)=f(1))]의 서로 다른 실근의 합은 [math(1+2+5=8)]이다.
경기도교육청에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 비율 관계를 미리 알고 있다면 [math(g(t))]의 그래프를 그리거나 복잡한 계산을 진행할 필요가 없다. 나아가 다항함수/공식/길이 문서에서 밝힌 삼차함수의 비율 관계를 이용하지 않고 복잡한 계산을 통하여 [math(\alpha)]의 값을 구했다는 점 역시 매우 미흡하다.
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위 풀이에서 가능한 곡선 [math(y=f(x))]의 개형은 다음과 같음을 알아 보았다.
따라서 우선 다음과 같이 [math(f(x))]와 [math(g(t))]의 식을 세울 수 있다.[math(\begin{aligned}f(x)&=k(x-1)(x-2)^2(x-\alpha)+f(1)\quad(k>0,\,\alpha>2)\\\\\therefore g(t)&=\dfrac{f(t)-f(1)}{t-1}=\dfrac{k(t-1)(t-2)^2(t-\alpha)}{t-1}\\&=k(t-2)^2(t-\alpha)\quad(t>1)\end{aligned})]
위 그림과 같이 [math(\displaystyle\lim_{t\to1+}g(t)\geq g(a))]일 때 [math(g(t))]의 최솟값이 존재한다. 이제 방정식 [math(f(x)=f(1))]의 서로 다른 실근의 합이 최소가 되도록 하는 [math(\alpha)]의 값을 찾자.[math(f(x)=k(x-1)(x-2)^2(x-\alpha)+f(1))] [math(g(t)=k(t-2)^2(t-\alpha)\quad(t>1))]
9.3. 인수 나누기
등식의 양변을 [math(0)]이 아닌 동일한 식으로 나누어도 등식은 그대로 성립한다. 다시 말해서 [math(x\neq k)]일 때 다음이 성립한다.[math(\begin{aligned}(x-k)Q_1(x)&=(x-k)Q_2(x)\\\Rightarrow Q_1(x)&=Q_2(x)\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}(x-k)Q_1(x)&=f_1(x)\\(x-k)Q_2(x)&=f_2(x)\end{aligned})] |
[math(\begin{aligned}Q_1(x)&=\dfrac{f_1(x)}{x-k}=\dfrac{f_1(x)-f_1(k)}{x-k}\\Q_2(x)&=\dfrac{f_2(x)}{x-k}=\dfrac{f_2(x)-f_2(k)}{x-k}\end{aligned})] |
9.3.1. 인수 1번 나누기
점 [math((k,0))]을 지나는 곡선 [math(y=f(x))] 및 [math(y=g(x))]에 대하여, 다항식 [math(f(x))]와 [math(g(x))]의 공통 인수 [math((x-k))]를 나눔으로써 여러 가지 결과들을 쉽게 도출할 수 있다.9.3.1.1. 이차함수
위 그림과 같이 이차함수 [math(y=f(x))]가 [math(f(x)=(x-k)Q(x))]의 꼴로 인수분해되어 그 그래프가 [math(x=k)]에서 [math(x)]축과 만나며, 기울기가 각각 [math(m)]과 [math(n)]으로 서로 다른 두 직선 [math(y=g_1(x))] 및 [math(y=g_2(x))] 역시 [math(x=k)]에서 [math(x)]축과 만난다고 하자. 또한 곡선 [math(y=f(x))]는 직선 [math(y=g_1(x))]와 [math(x=\alpha)]에서, 직선 [math(y=g_2(x))]와 [math(x=\beta)]에서 만난다고 하자. 그러면 다항식 [math(f(x))], [math(g_1(x))], [math(g_2(x))]는 모두 [math((x-k))]를 인수로 갖는다. 이 공통 인수 [math((x-k))]를 세 다항식에서 각각 나누면 이차함수 [math(f(x))]는 일차함수, [math(g_1(x))] 및 [math(g_2(x))]는 상수함수가 되며, 그래프들의 교점의 [math(x)]좌표는 [math(\alpha)] 및 [math(\beta)]로 동일하게 유지된다.
이는 두 방정식 [math(f(x)=m(x-k))] 및 [math(f(x)=n(x-k))]의 양변을 [math((x-k))]로 나누어 각각 [math(Q(x)=m)] 및 [math(Q(x)=n)]으로 해석한 그래프를 새로 그린 것이다.
9.3.1.2. 삼차함수
이는 방정식 [math(f(x)=g(x))]의 양변을 [math((x-k))]로 나누어 [math(Q(x)=m)]으로 해석한 그래프를 새로 그린 것이다. [math(Q(x))]는 이차함수이므로, [math(\beta)]는 [math(\alpha)]와 [math(\gamma)]의 평균임을 금방 알 수 있는데, 5.4.2문단에서 삼차방정식의 근과 계수의 관계를 이용했을 때와 결론이 동일하다. 그러나 근과 계수의 관계를 이용해서는 [math(\beta)]의 값은 금방 구할 수 있으나 [math(\boldsymbol m)]의 값을 구하기는 어렵다. 반면 인수 나누기의 시각에서는 [math(m)]이 다름 아닌 [math(Q(x))]의 최솟값임을 이용하여 간편하게 [math(m)]의 값까지 구할 수 있다. [math(f(x))] 및 [math(Q(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면 다항함수/공식/길이 문서에서 밝힌 공식에 따라 그 값은 다음과 같다.
[math(m=Q(\beta)=\dfrac{|a|}4(\gamma-\alpha)^2)] |
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1968년 홋카이도대학 본고사 전기 문과 5번 한국어 번역
[math(f(x)=(x-\alpha)(x-\beta)(x-\gamma))]가 있다. 단 [math(\alpha<\beta<\gamma)]라 하자.- 방정식 [math(f(x)=m(x-\alpha))]가 [math(\alpha)]가 아닌 중근을 가질 때, [math(m)]의 값과 그 중근을 구하라.
- 방정식 [math(f'(x)=0)]은 서로 다른 두 실근을 가짐을 보이라.
- 방정식 [math(f'(x)=0)]의 두 근을 [math(A)], [math(B)] [math((A<B))]라 할 때, [math(\dfrac12(\alpha+\beta))]와 [math(A)]의 대소를 비교하라.
중근은 당연히 [math((\beta+\gamma)/2)]이며, [math(m)]의 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.[math(\begin{aligned}m&=Q\left(\dfrac{\beta+\gamma}2\right)\\&=\left(\dfrac{\beta+\gamma}2-\beta\right)\left(\dfrac{\beta+\gamma}2-\gamma\right)\\&=-\dfrac14(\gamma-\beta)^2\end{aligned})]
9.3.1.3. 사차함수
이 형태는 다름 아닌 5.4.3문단과 9.2.2문단에서 다루었던 형태로, 이미 다음이 성립함을 알아보았다.
[math((\alpha-k):(\beta-\alpha):(\gamma-\beta)=1:2:1)] |
[math(m=Q(\alpha)=\dfrac{|a|}2(\beta-\alpha)^3)] |
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2012학년도 3월 고3 가형 30번
따라서 앞서 밝힌 사실에 따라 [math((p-0):(2-p)=1:2)]에서 [math(p=2/3)]이고, 함수 [math(f(x))]의 대칭성에 의하여 [math(q=4/3)]가 된다. 따라서 정답은 [math(36pq=32)]이다.
서울특별시교육청에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, [math(p)]의 값을 구하기 위하여 직접 접선의 방정식을 세워 계산하는 과정이 매우 번거롭다. 반면 인수 나누기와 삼차함수의 비율 관계를 사용하면 매우 빠르게 정답을 구할 수 있다.
2025학년도 경찰대 1차 20번에서도 정확히 같은 형태의 문항이 출제되었으며, 같은 원리로 정답은 ②이다.1990년 오사카대학 본고사 전기 문과 2번 한국어 번역
점 [math((1,\,0))]을 지나고, 곡선 [math(y=x^4-2x^2+1)]에 접하는 직선의 방정식을 모두 구하라.
먼저 [math(x)]축, 즉 직선 [math(y=0)]은 문제의 조건을 만족시킨다. 문제의 조건을 만족시키는 또 다른 접선으로는 위 그림의 점 [math(\rm P)]를 지나는 접선이 있다. 이때 앞서 밝힌 인수 나누기의 원리에 따라, 점 [math(\rm P)]의 [math(x)]좌표를 [math(p)]라 하면[math((1-p):\{p-(-1)\}=1:2)] [math(y=-\dfrac{32}{27}(x-1))]
그밖에도 사차함수의 그래프와 직선이 그려진 다양한 모양에 대하여 얼마든지 이러한 원리를 적용할 수 있다.
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2019학년도 7월 나형 20번
따라서 [math(f(0)=c=0)]이며, 이때 (나)를 이용하면 [math(a=1/4)], [math(b=-1)]이므로 [math(\alpha=-2)], [math(\gamma=2)]가 구해진다. 이제 ㄷ을 보자.
위 그림과 같이 ㄷ의 방정식의 서로 다른 실근의 개수가 [math(3)]이 되려면 [math(x>-2)]에서 점 [math((-2,\,0))]을 지나는 직선이 빨간색 영역(경계 제외) 안에 들어와야 한다. 이제 [math(m)]의 값을 구하자.
다항함수/공식/길이 문서의 4.1문단에서 밝힌 비율 관계에 따라 극소점의 [math(x)]좌표는 [math(4/3)]이고, 다항함수/공식/길이 문서의 4.3문단에서 밝힌 공식에 따라 [math(m)]의 값은 다음과 같다.[math(m=\dfrac{|-1/4|}2\times\left\{\dfrac43-0\right\}^3=\dfrac8{27})]
인천광역시교육청에서는 다음과 같은 해설을 제시했는데, 직접 접선의 방정식을 세워서 접점의 [math(x)]좌표와 기울기를 계산하는 과정이 너무 번거롭다. 반면 인수 나누기와 삼차함수의 비율 관계를 사용하면 훨씬 간단하게 [math(m)]의 값을 구할 수 있다.
9.3.2. 인수 2번 나누기
이는 서로 다른 인수를 한 번씩 나누는 경우로서, 방정식 [math(f(x)=g(x))]의 양변을 [math((x-k_1)(x-k_2))]로 나누어 [math(Q(x)=m)]으로 해석한 그래프를 새로 그린 것이다. 즉, [math(f(x))] 혹은 [math(Q(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면 다음이 성립한다.
[math(a=\dfrac m{\beta-\alpha})] |
이는 같은 인수를 두 번 나누는 경우로서, 방정식 [math(f(x)=g(x))]의 양변을 [math((x-k)^2)]으로 나누어 [math((x-k)Q(x)=m)]으로 해석한 그래프를 새로 그린 것이다. 따라서 이차함수의 대칭성에 의하여 다음이 성립한다.
[math(\alpha=\dfrac{k+\beta}2)] |
10. 여담
- 최중철 2025학년도 대학수학능력시험 출제위원장은 "수학 영역은 지나치게 복잡한 계산이나 반복 훈련으로 얻을 수 있는 기술적 요소나 공식을 단순하게 적용해 해결할 수 있는 문항을 지양하고, 교육과정에서 다루는 기본 개념에 대한 충실한 이해와 종합적인 사고력을 필요로 하는 문항을 출제했다"라고 밝힌 바 있다.# 반면 그보다 단 3년 전에 출제되었던 2022학년도 수능 22번만 보더라도 다항함수/공식/길이 문서의 4.1문단에서 설명한 삼차함수의 비율 관계 [math(1:2:1)]을 아는 사람이 모르는 사람보다 유리했다. 이에 대해서는 삼차함수 문서의 4.6.1문단의 해설을 참고하자. 이보다 더욱 예전의 문제들을 보면 실제로 삼차함수나 사차함수 등의 여러 보편적 성질들을 소재로 한 문제들이 종종 출제되었음을 알 수 있는데, 그중 하나를 소개한다. 예제를 보면 지금의 트렌드와는 문제의 유형이 현격히 달랐음을 실감할 수 있을 것이다.
{{{#!folding 예제 [펼치기·접기]
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2017학년도 9월 나형 20번 |
먼저 도함수 [math(f'(x))]는 이차함수이므로, (나)에 따르면 곡선 [math(y=f'(x))]는 직선 [math(x=0)]에 대하여 대칭이다. 따라서 (가)에 따라 삼차함수 [math(f(x))]가 [math(x=-2)]에서 극댓값을 갖는다면 [math(x=2)]에서는 극솟값을 갖게 된다. 따라서 ㄴ은 옳은 설명이다. 이에 따라 [math(f(x))] 및 [math(f'(x))]는 최고차항의 계수가 양수이며, 두 함수의 그래프는 [math(x=0)]에서 각각 변곡점, 꼭짓점을 가짐을 알 수 있다. 따라서 ㄱ도 옳은 설명이다.
또한 ㄷ의 진위는 본 문서의 5.4.2문단에서 밝힌 원리에 따라 단숨에 판단할 수 있다. 먼저 곡선 [math(y=f(x))]의 변곡점의 [math(x)]좌표가 [math(0)]이라는 것은 삼차방정식 [math(f(x)=0)]의 세 근의 합이 [math(0\times3=0)]임을 뜻한다. 여기에서 점 [math((-1,\,f(-1)))]에서의 접선의 방정식을 [math(y=g(x))]라 하면, 삼차방정식 [math(f(x)-g(x)=0)] 역시 세 근의 합이 [math(0)]이다. 이 방정식은 [math(x=-1)]을 중근으로 가지므로 나머지 한 단일근이 [math(x=2)]여야 세 근의 합이 [math(0)]이 된다. 즉, 해당 접선은 [math(x=2)]에서 곡선 [math(y=f(x))]와 만난다. 따라서 ㄷ도 옳은 설명이며, 정답은 ⑤이다.
위 그림은 문제의 모든 상황을 한눈에 볼 수 있게 나타낸 것이다. 이상의 논리는 다항함수의 성질을 능숙히 다룰 수 있는 사람에게는 충분히 머릿속으로도 그려볼 수 있는 것이므로 20번답지 않게 쉬운 문제가 된다. 2016년만 하더라도 이와 같이 다항함수의 보편적 성질을 묻는 문제가 수학적 의미도 겸비하면서 학생들의 사고력을 테스트하기에 적절했을 수 있으나 사교육 시장을 필두로 한 수많은 사람들에 의하여 다항함수의 성질이 파훼되고 대중적으로 알려진 지금으로서는 내기 곤란한 부류의 문제가 되어 버렸다.
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- 한국교육과정평가원에서 출제하는 대학수학능력시험과 그 모의평가의 경우 위 예제처럼 공식을 쓰지 않을 때보다 쓸 때 훨씬 풀이가 간편해지는 문제는 갈수록 출제를 피하는 추세이다. 그러나 다음 예제와 같이 2025학년도 대학수학능력시험에서도 공식을 적용하는 것이 아예 불가능하지는 않았는데, 공식을 적용하는 것이 오히려 눈치채기 어려운 복잡한 발상을 요하는 등 과유불급인 감이 있는 것이 사실이다. 출제위원장은 어디까지나 '공식을 단순하게 적용'할 수 있는 문항을 배제한다고 했으므로 예제에 공식을 쓸 수 있다고 해서 말과 행동이 다르다고 볼 일은 아니다.
{{{#!folding 예제 [펼치기·접기]
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2025학년도 수능 13번 |
위 그림과 같이 곡선 [math(y=f(x))]와 [math(y)]축의 교점 [math((0,\,6))]을 [math(\rm R)]이라 하여, 보조선 [math(\overline{\rm PR})]을 긋는 방법이 있다. 선분 [math(\overline{\rm PQ})] 및 [math(\overline{\rm PR})]과 곡선 [math(y=f(x))]로 둘러싸인 도형의 넓이를 [math(C)]라 하면 문제에서 구하는 [math(B-A)]의 값은 [math((B+C)-(A+C))]로 구할 수 있다. 이때 [math(f(x))]는 이차항이 없는 삼차함수이므로 [math(y)]축 위에 있는 점 [math(\rm R)]은 곡선 [math(y=f(x))]의 변곡점이다.[11] 따라서 [math(B+C)]의 값은 다항함수/공식/넓이 문서의 3.2.1문단에서 밝힌 [math(1/4)] 공식으로, [math(A+C)]의 값은 삼각형의 넓이 공식으로 구할 수 있다. 이를 계산하면 다음과 같다.
[math(\begin{aligned}B-A&=(B+C)-(A+C)\\&=\dfrac14\times(3-0)^4-\dfrac12\times6\times3\\&=\dfrac{81}4-9=\dfrac{45}4\end{aligned})] |
[math(\displaystyle\int_0^3\{4x-(x^3-7x+6)\}\,{\rm d}x)] |
}}}
- 평가원 출제 시험에서 갈수록 다항함수 공식들의 쓰임새가 줄어드는 데에 비하여, EBS 수능 대비 교재나 다른 시험에서는 이러한 풍조가 아직까지 잔존해 있다. 예를 들어 2024학년도 수능특강 수학Ⅱ 99쪽 5번[12]이나 2025학년도 수능완성 실전모의고사 3회 10번[13]과 같이 수능특강이나 수능완성에는 아직까지 공식을 요긴하게 적용할 만한 문제가 종종 수록되고 있으며, 2024학년도 5월 12번[14]과 같이 교육청에서 출제하는 전국연합학력평가에서도 이러한 문제가 없지는 않다. 위 9.3.1.3문단에서 소개했듯이, 2012학년도 3월 고3 가형 30번에서 출제된 소재가 2025학년도 경찰대 1차 20번에 그대로 출제되기도 했다. 이 문제들은 각 시험에서 30번, 20번으로 출제되었기 때문에 꽤 높은 난도를 상정하고 출제한 것으로 볼 수 있는데, '인수 나누기'와 삼차함수의 비율 관계를 적용하면 매우 쉽게 풀 수 있는 문제였다. 수능에서 경계하고 있는 유형의 문제가 경찰대 문제에서는 아직까지도 출제되고 있는 것이다.
- 또한 일반 교사가 출제하는 학교 시험의 객관식 및 단답형 문제[15]에서 공식을 활용할 여지가 있는데, 이는 내신에 도움이 될 수 있다. 특히 고3 때는 수능특강 등으로 수업을 하고 수능특강 문제를 숫자만 바꾸거나 약간만 변형해서 연계 출제하는 경우가 많으므로 이 경우 도움이 될 수 있다.
- 대학별로 실시하는 논술전형에서도 도움이 될 수 있다. 단 논술 시험인 만큼 공식을 적용하여 답만 내면 되는 시험이 아니며, 풀이 과정을 정확히 적어야 한다. 교육과정에 명시적으로 언급되지 않는 여러 공식들을 사용하기 위해서는 왜 그 공식이 성립하는지까지 설명해야 하므로 일견 논술 시험에서는 공식을 학습하는 것이 무의미하게 보일 수 있으나, 논술 시험에서는 공식 그 자체보다 공식의 유도 과정을 숙지하는 것이 도움이 된다. 2022학년도 서울시립대학교 논술 자연계열Ⅰ 1번[16], 2010학년도 고려대학교 자연계 논술 (가)[17], 2018학년도 한양대학교 자연계열 오전 2-1번[18] 등이 그 예이다.
10.1. 현우진의 강의 해설
메가스터디의 유튜브 공식 채널에서, 메가스터디의 1타 수학 강사 현우진의 강의 영상들을 공개한 바 있는데, 바로 다항함수의 여러 성질에 관한 내용이었으며 주로 삼차함수와 사차함수를 설명했다. 본 문서 및 그 하위 문서들에서 설명하는 내용들이 해당 영상들에도 다수 등장하는데, 이를 정리하면 다음과 같다. 나무위키의 서술과 현우진의 설명을 서로 참고해 보자.특히, 현우진은 이유가 복잡한 경우에는 결론만 알려주고 그 이유는 굉장히 직관적으로 뭉뚱그려서 이야기한 뒤 넘어가는 경향이 있는데, 이는 해당 공식들을 알기만 하면 되지 증명 과정까지 알아봐야 수능 성적에 도움이 되지 않기 때문이다. 여기에서는 현우진이 대충 이야기하는 부분도 자세히 분석해 보자.
10.1.1. 삼차함수의 대칭과 비율관계에 대한 특징 ①
- 1분 12초~1분 48초: 본 문서의 4.1문단, 5.4.1문단, 9.1문단
- 이차함수의 그래프에 대하여 임의의 닫힌 구간에서 평균값 정리를 만족시키는 점은 해당 구간의 정중앙에 존재한다. 현우진은 결론만 밝혔다.
- 1분 59초~2분 17초: 본 문서의 4.1문단
- 이차함수의 그래프 위의 세 점의 [math(x)]좌표가 등차수열을 이루면, 세 점에서의 접선의 기울기 역시 등차수열을 이루며, 역도 성립한다. 현우진은 결론만 밝혔다.
- 4분 31초~4분 47초: 다항함수/공식/길이 문서의 4.1문단
- 삼차함수의 비율 관계 [math(1:1:1:1)] 또는 [math(1:2:1)]을 처음 소개한 부분이다. 현우진은 대충 '접점과 교점에 대하여 [math(1:1:1)]이며, [math(1+1+1=3)]이므로 삼차함수이다'라는 식으로 말했다.
현우진의 말의 정확한 뜻은 위와 같은 삼차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에서
[math(\overline{\rm AQ}:\overline{\rm QB}:\overline{\rm BC}=1:1:1)] |
이라는 것으로 해석할 수 있다. 이때, 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단에서 밝혔듯이 '길이의 비는 지수의 비와 일치'한다. 즉,
[math(\overline{\rm AQ}:\overline{\rm QC}=1:2)] |
이며, [math(1+2=3)]인 것과 [math(f(x))]가 삼차함수인 것 사이에는 수학적 연관성이 있는 것이다. 이때 점 [math(\rm P)]는 변곡점으로서 곡선 [math(y=f(x))]의 대칭점이므로
[math(\overline{\rm QB}=\overline{\rm GR}=\overline{\rm BC})] |
가 성립한다. 결국 [math(1:2)]에서 [math(2)] 부분을 [math(\overline{\rm QB})]와 [math(\overline{\rm BC})]에 각각 [math(1)]씩 비례배분할 수 있으며 [math(1+2=1+(1+1)=3)]이 성립하여, 우변의 [math(3)]은 [math(f(x))]의 차수와 일치하게 된다. 따라서 "[math(1:1:1)]의 비율 관계에서 [math(1+1+1=3)]이 되므로 삼차함수"라는 현우진의 표현은 일리가 있는 것이다.* 4분 54초~5분 2초: 다항함수/공식/길이 문서의 3.2문단, 5.2.1문단* 이차함수와 사차함수의 비율 관계를 처음 소개한 부분이다. 현우진은 삼차함수와 마찬가지로, 이차함수는 [math(1:1)]에서 [math(1+1=2)]이고, 사차함수는 [math(3:1)]에서 [math(3+1=4)]가 된다고 설명했다. 이 역시 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단에서 밝혔듯이 '길이의 비는 지수의 비와 일치'하기 때문에 나타나는 현상이므로 타당한 설명이다.* 5분 10초~5분 24초: 다항함수/공식/길이 문서의 3.2문단* 삼차함수의 또 다른 비율 관계 [math(1:\sqrt3)]을 처음 소개한 부분이다. 현우진은 삼차함수이기 때문에 [math(\sqrt3)]인 것이라고 말했다. 다항함수/공식/길이 문서의 3.2문단에서 밝힌 증명 과정을 보면 이 말이 타당함을 금방 알 수 있다. [math(f(x))]의 최고차항의 계수를 [math(a)]라 하면 [math(f'(x))]의 최고차항의 계수는 [math(3a)]인데, 이는 [math(f(x))]가 삼차함수이기 때문이다. 이렇게 증명 과정에서 처음 나타난 [math(3)]은 증명 과정 내내 계속 나타나며 [math(1:\sqrt3)]이라는 비율 관계로까지 이어진다. 해당 문서 참고.* 37분 30초~41분 4초: 본 문서의 5.4.2문단* 삼차방정식의 근과 계수의 관계에서 유도되는 삼차함수의 성질을 설명한 부분이다. 현우진은 삼차방정식 [math(f(x)=0)]의 세 근의 합은 임의의 일차식 [math(g(x))]에 대하여 [math(f(x)-g(x)=0)]의 세 근의 합과 같다는 사실을 언급했으며, 그 세 근의 합의 값은 곡선 [math(y=f(x))]의 변곡점의 [math(x)]좌표의 [math(3)]배라는 사실도 언급했다. 이때 현우진은 [math(3)]배인 이유가 [math(f(x))]가 삼차함수이고, 근이 세 개이기 때문이라고 말했다. 어떤 삼차함수 [math(y=f(x))]의 그래프에 대하여 그 그래프의 변곡점에서의 접선을 [math(y=g(x))]라 하면 곡선 [math(y=f(x))]와 직선 [math(y=g(x))]는 변곡점에서만 만나는데, 삼차방정식은 근이 세 개이므로 삼차방정식 [math(f(x)-g(x)=0)]은 삼중근을 갖는다. 그 삼중근은 다름 아닌 변곡점의 [math(x)]좌표이므로, 현우진의 설명은 타당하다고 할 수 있다.* 47분 20초~49분 3초: 다항함수/공식/길이 문서의 4.1문단* 현우진이 삼차함수의 비율 관계 [math(1:1:1:1)] 또는 [math(1:2:1)]을 직접 증명했다. 현우진은 나아가 이 사실을 삼차방정식의 세 근의 합이 유지되는 현상과 연계하여 50분 57초까지 설명해 주었다.* 58분 22초~59분 35초: 다항함수/공식/길이 문서의 4.2문단* 현우진이 삼차함수의 비율 관계 [math(1:\sqrt3)]을 직접 증명했다.
10.1.2. 삼차함수의 대칭과 비율관계에 대한 특징 ②
- 7분 42초~8분 5초: 본 문서의 6.1문단
- 삼차함수의 두 극값의 차를 도함수인 이차함수의 [math(1/6)] 공식으로 구하는 방법을 사용했다.
10.1.3. 사차 함수의 대칭과 비율 관계에 대한 특징
- 12분 21초~12분 58초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.3.1문단
- 사차함수의 비율 관계 [math(1:1)]을 증명한 부분이다.
- 13분 48초~16분 42초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.3.3문단
- 사차함수의 비율 관계 [math(1:\sqrt2)]를 증명한 뒤, 이를 활용하는 예시를 설명한 부분이다.
- 19분 29초~20분 44초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.2.1문단
- 사차함수의 비율 관계 [math(1:3)]을 소개한 부분이다. 현우진은 직접 계산하거나 증명하지 않고, [math(p(x-a)(x-b)^3)]의 형태이므로 길이의 비가 지수의 비인 [math(1:3)]과 일치한다고 말했다. 이는 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단에서 증명한 사실이다.
- 22분 49초~23분 20초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.2.1문단
- 사차함수의 비율 관계 [math(1:3)]의 기하학적 해석을 설명한 부분이다.
- 23분 21초~23분 32초: 문서의 6.1문단
- 또한 사차함수의 비율 관계 [math(1:3)]에서 [math(1+3=4)]이기 때문에 사차함수이며, 삼차함수 [math(1:2)]의 비율 관계에서 [math(1+2=3)]이기 때문에 삼차함수라고 말하기도 했는데 이 역시 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단에서 밝혔듯이 길이의 비는 지수의 비와 일치하기 때문에 나타나는 현상이므로 타당한 설명이다.
- 29분 40초~30분 31초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.3.1문단
사차함수의 비율 관계 [math(1:1)]의 응용으로서, [math(\alpha\neq\beta)]인 두 상수 [math(\alpha)]와 [math(\beta)]에 대하여, 사차함수의 그래프와 [math(x=\alpha)] 및 [math(x=\beta)]에서 접하는 이중접선을 그을 수 있는 경우, 이중접선의 기울기가 [math(0)]이 아닐 때에도 열린 구간 [math((\alpha,\,\beta))]에서 미분계수가 이중접선의 기울기와 같은 점은 해당 구간의 정중앙에 존재한다는 사실을 언급했다.* 31분 11초~32분 37초: 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단* 삼중근과 단일근을 나타내는 개형의 그래프를 갖는 사차함수에 대해서는 [math(3:1)], 이중근과 단일근을 나타내는 개형의 그래프를 갖는 삼차함수에 대해서는 [math(2:1)], 두 단일근을 나타내는 개형의 그래프를 갖는 이차함수에 대해서는 [math(1:1)]의 비율 관계가 성립한다고 설명했다. 이 역시 다항함수/공식/길이 문서의 6.1문단에서 증명한 사실로서, 단순한 우연이 아니며 어디까지나 길이의 비가 지수의 비와 일치하므로 발생하는 필연적 현상이다.* 33분~33분 15초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.3.3문단* ![파일:사차함수길이6.png]()
사차함수의 비율 관계 [math(1:\sqrt2)]의 응용으로서, 위 그림에서 [math(\overline{\rm {\color{#55AE58}AC}}:\overline{\rm {\color{#48A0E2}DF}}={\color{#55AE58}1}:{\color{#48A0E2}\sqrt 2})]가 성립함을 언급했다.* 34분 8초~34분 22초: 다항함수/공식/길이 문서의 5.2.1문단*
사차함수의 비율 관계 [math(1:3)]의 응용으로서, 위 그림과 같이 사차함수 [math(y=f(x))]의 그래프와 그 변곡점 [math({\rm A}(\alpha,\,f(\alpha)))]에서 곡선 [math(y=f(x))]에 그은 접선이 [math(x=\alpha)], [math(x=\beta)]에서 만날 때([math(\alpha<\beta)]), 함수 [math(y=f(x))]에 대하여 열린구간 [math((\alpha,\,\beta))]에서 평균값 정리를 만족시키는 점은 이 구간을 [math(3:1)]로 내분한다는 점을 언급했다.
11. 관련 문서
[1] 함숫값이 [math(0)]이 되는 점을 말한다. 즉, 함수의 그래프와 [math(x)]축의 교점이다.[2] [math(x=x_i)]에서 접점이 발생한다는 것은, 방정식 [math(f(x)-t=0)]이 [math(x=x_i)]를 중근으로 갖는다는 의미이므로, 앞으로 전개할 논리로는 포괄하지 못하는 경우가 되고 만다.[3] [math(\displaystyle\prod)]는 곱의 기호로서 '파이(pi)'라고 읽으며, 합의 기호인 [math(\displaystyle\sum)]의 곱 버전이라고 생각하면 된다. 즉, [math(\displaystyle\prod_{k=1}^na_k=a_1a_2\cdots a_n)]이다. 곱의 기호 문서 참고.[4] 이때 곱의 기호 밑에 [math(j\neq i)]라는 부등식이 나오는 것은 고등학교 수준에서 등장하지 않는 표기법인데, 해당 식의 변수는 [math(j)]이며 [math(j\neq i)]인 경우에만 곱한다는 의미이다. 이때 아주 정확하게는 [math(\displaystyle\prod_{j=1\,j\neq i}^n)]와 같이 표기해야 하지만 [math(j=1,\,2,\,\cdots,\,n)]인 것은 문맥상 분명하므로 이 부분을 생략하고 간략하게 [math(j\neq i)]만을 표기한 것으로 이해하면 된다.[5] 이때 [math(\lceil\;\rceil)]은 '천장 함수'로도 불리는 최소 정수 함수를, [math(\lfloor\;\rfloor)]은 '바닥 함수'로도 불리는 최대 정수 함수를 나타낸다. 이중 최소 정수 함수는 고등학교 수준에서 '가우스 기호'라는 명칭으로 배우는 [math([\;])]과 그 뜻이 정확히 같다. 즉, [math(\lceil x\rceil)]는 [math(x)] 이상의 정수 중 가장 작은 것을 나타낸다. 이와 반대로 [math(x)]에 대한 최대 정수 함수 [math(\lfloor x\rfloor)]는 [math(x)] 이하의 정수 중 가장 큰 것을 나타낸다. 이에 따라 [math(\displaystyle\sum_{i=1}^{\left\lceil n/2\right\rceil}\dfrac1{f'(x_{2i-1})})]은 홀수 번째, [math(\displaystyle\sum_{i=1}^{\left\lfloor n/2\right\rfloor}\dfrac1{f'(x_{2i})})]은 짝수 번째 영점들의 미분계수의 합을 나타낸다.[6] 뒤에서 보겠지만 사실 상수식일 수는 없으며 무조건 일차식이 된다. 그러나 이 사실이 증명되기 전이므로 우선 '일차 이하의 다항식'이라고만 하자.[7] 혹은 처음에 [math(\alpha)], [math(\beta)], [math(\gamma)], [math(\delta)]를 [math(m)], [math(k)], [math(l)]에 관한 식으로 나타낼 때 이미 이 대소 관계를 반영하여 [math(k)]와 [math(l)]을 모두 양수로 두었음을 생각해도 [math(k=-l)]일 수는 없음을 알 수 있다.[8] [math(t=\alpha)]와 매우 가까운 부분에서는 선분의 기울기가 정말로 계속 증가하기만 하는 것이 맞는지 식별하기 어려울 수 있으나, [math(g(t)=a(t-\beta)^2(t-\delta)\quad(t\neq\alpha))]인 것을 생각하면 [math(t<\beta)]일 때 [math(g(t))]는 증가함을 알 수 있다. 아래에서 그래프의 개형을 먼저 참고해도 좋다. 그래프의 개형 자체를 먼저 그릴 수도 있으나, '이차함수·삼차함수' 문단과 달리 그렇게 하지 않고 기울기의 증감을 먼저 조사하는 것은 [math(g(t))]의 그래프에 좌표들을 정확히 표시하기 위한 근거를 얻고자 함이다.[9] 즉, 최종적으로 [math(g(t))]의 최솟값이 존재하지 않게 하기 위한 충분히 기울기가 작은 선분[10] 현재와는 다르게 2012학년도부터 2021학년도까지는 21번까지가 객관식이고 22번부터 30번까지가 단답형이었다. 대학수학능력시험/수학 영역의 3문단 참고.[11] 본 문서 5.4.2문단에서 밝혔듯이 삼차함수 [math(f(x)=ax^3+bx^2+cx+d\;(a\neq0))]의 그래프의 변곡점의 [math(x)]좌표는 [math(-b/3a)]이므로, [math(b=0)]이면 [math(a)]의 값에 관계없이 변곡점이 [math(y)]축 위에 있게 된다.[12] 본 문서의 6.3문단에서 해설했다.[13] 다항함수/공식/넓이 문서의 3.2문단에서 해설했다.[14] 본 문서의 6.3문단에서 해설했다.[15] 서술형에서는 교육과정에서 명시적으로 배우지 않은 공식을 증명 없이 사용해서는 안 된다. 정 사용하려면 증명을 먼저 서술해야 하는데, 이는 배보다 배꼽이 더 크다고 할 수 있다.[16] 다항함수/공식/넓이 문서의 2.1.1.1문단에서 해설했다.[17] 다항함수/공식/넓이 문서의 2.2문단에서 해설했다.[18] 본 문서의 4.3문단에서 해설했다.
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