나뭇잎 교과서

그래프의 개형

점을 많이 찍으면 그래프 모양이 보이지만, 어디에 점을 찍어야 할지 모르면 봉우리를 놓치기 쉽습니다. 도함수가 알려 주는 오르내림과 극점만 있으면 몇 개의 점으로도 그래프의 뼈대를 세울 수 있습니다. 이 절에서는 증감표에서 출발해 다항함수 그래프의 개형을 그리고, 그 그래프로 정해진 구간에서 가장 큰 값과 가장 작은 값을 찾습니다.

본문

그래프의 개형

본문

\(y = x^4 - 4x^3 + 10\)의 그래프를 그리려고 점을 많이 찍으면 시간이 오래 걸리고, 찍은 점 사이에서 무슨 일이 있는지는 여전히 모른다. 꼭 필요한 점만 골라 그래프의 대략적인 모양, 곧 개형을 그리는 방법은 무엇일까? 그리고 극댓값이 언제나 최댓값일까?

그림 1. 도함수가 0인 점을 찍고 그 사이의 증가와 감소만 알면 그래프의 뼈대가 선다. \(x = 0\)에서는 \(f' = 0\)이지만 부호가 바뀌지 않아 극값이 아니다.
먼저 알아야 할 것증가와 감소, 극대와 극소, 증감표(증가·감소와 극대·극소), 인수분해.

2.8.1개형을 그리는 순서

그래프의 모양을 정하는 것은 어디서 오르고 어디서 내리는가이다. 따라서 도함수 \(f'(x)\)를 구해 \(f'(x) = 0\)인 점을 찾고, 그 점들로 나뉜 구간마다 \(f'\)의 부호를 증감표에 정리한다. 극댓값, 극솟값과 함께 \(y\)절편이나 \(x\)축과의 교점처럼 계산이 쉬운 점을 몇 개 더하면 개형이 완성된다.

처음 질문의 함수는 \(f'(x) = 4x^3 - 12x^2 = 4x^2(x - 3)\)이다. \(f'(x) = 0\)인 점은 \(x = 0\)과 \(x = 3\)이다. \(x^2 \ge 0\)이므로 \(f'\)의 부호는 \(x - 3\)의 부호와 같아, \(x < 3\)에서 음수(단 \(x = 0\)에서 0), \(x > 3\)에서 양수이다.

따라서 \(f\)는 \(x \le 3\)에서 감소하고 \(x \ge 3\)에서 증가한다. \(x = 0\)에서는 \(f' = 0\)이지만 앞뒤 부호가 모두 음수라 잠시 평평해질 뿐 극값이 아니다. \(x = 3\)에서는 음에서 양으로 바뀌므로 극소이고, 극솟값은 \(f(3) = 81 - 108 + 10 = -17\)이다. 그림 1의 단계를 하나씩 넘기면 이 뼈대가 차례로 세워진다.1

2.8.2극값과 최댓값, 최솟값

극값은 근처에서만 가장 크거나 작은 값이고, 최댓값과 최솟값은 정해진 범위 전체에서 가장 크거나 작은 값이다. 닫힌구간에서 연속인 함수의 최댓값과 최솟값은 최대·최소 정리에 따라 반드시 있고, 그 후보는 구간 안의 극값과 양 끝값뿐이다.

방법 2.8.1 닫힌구간에서의 최댓값과 최솟값

닫힌구간 \([a, b]\)에서 \(f'(x) = 0\)인 점의 함숫값과 \(f(a)\), \(f(b)\)를 모두 구해 비교한다. 그 가운데 가장 큰 값이 최댓값, 가장 작은 값이 최솟값이다.

극대 극소 끝점이 최대
그림 2. 극댓값이 있어도 구간의 끝에서 더 큰 값이 나올 수 있으므로, 최댓값을 구할 때는 끝값과 함께 비교해야 한다.

2.8.3예제 풀이

예제 2.8.2

\(f(x) = x^4 - 4x^3 + 10\)의 닫힌구간 \([-1, 4]\)에서의 최댓값과 최솟값을 구하여라.

구간 안에서 \(f'(x) = 0\)인 점은 \(x = 0\)과 \(x = 3\)이다. 후보는 \(f(-1) = 1 + 4 + 10 = 15\), \(f(0) = 10\), \(f(3) = -17\), \(f(4) = 256 - 256 + 10 = 10\)이다.

가장 큰 값은 \(f(-1) = 15\)이고, 가장 작은 값은 \(f(3) = -17\)이다. 따라서 최댓값은 15, 최솟값은 \(-17\)이다. 최댓값은 극값이 아니라 구간의 왼쪽 끝에서 나왔다.

이 함수에는 극댓값이 하나도 없다. 그래도 닫힌구간에서는 끝점 덕분에 최댓값이 존재한다. 범위가 실수 전체라면 \(x\)가 커지거나 작아질 때 \(f(x)\)가 한없이 커지므로 최댓값이 없다. 아래 탐구 카드에서 극값과 끝값을 비교하며 최댓값과 최솟값을 직접 찾아보자.

  1. 삼차함수 \(f(x) = ax^3 + \cdots\)의 개형은 \(f'(x) = 0\)이 서로 다른 두 실근을 가지면 봉우리와 골짜기가 하나씩 있는 모양, 그렇지 않으면 한 방향으로만 증가하거나 감소하는 모양이다.
마무리

그래프의 개형은 \(f'(x) = 0\)인 점과 그 사이 구간의 \(f'\)의 부호만으로 세울 수 있고, 증감표에 극값과 몇 개의 쉬운 점을 더하면 완성된다. 최댓값과 최솟값은 극값과 구간의 끝값을 모두 비교해 정하므로, 극댓값이 곧 최댓값인 것은 아니다. 그래서 처음 질문의 함수는 \(x = 3\)에서 극솟값 \(-17\)을 갖고, \([-1, 4]\)에서의 최댓값 15는 끝점에서 나온다.

탐구 1

점 몇 개로 그래프의 뼈대를 세울 수 있을까?

그래프의 개형 · 단계별 그리기
0 / 6

—

  1. 질문\(f(x) = x^4 - 2x^2\)의 그래프는 \(W\) 모양일까, 아니면 다른 모양일까? 점을 몇 개나 찍어야 확신할 수 있을까?
  2. 복원\(f'\)의 부호로 증가와 감소를 알고, \(f'\)의 부호가 바뀌는 곳에서 극대나 극소가 된다. 그리고 이를 증감표로 정리할 수 있다.
  3. 설명다항함수의 그래프는 먼저 \(f'(x)\)를 구해 인수분해하고 \(f'(x) = 0\)인 \(x\)를 찾는 데서 시작한다. 그다음 증감표를 만들어 극대점과 극소점을 찍고, \(y\)절편과 \(x \to \pm \infty\)일 때의 방향(최고차항으로 정해짐)을 확인한다. 마지막으로 증감표의 화살표를 따라 매끄럽게 잇는다. 다항함수는 끊어진 곳도 뾰족한 곳도 없으므로, 극점 사이는 한 방향으로만 움직이는 곡선이기 때문이다.
  4. 연결이렇게 그래프의 개형을 알면 방정식 \(f(x) = k\)의 실근 개수나 부등식 \(f(x) \ge 0\)이 언제 성립하는지 같은 질문을 그림으로 풀 수 있다. 이것이 다음 절의 내용이다.
  5. 적용세 함수 각각에서 "다음 단계"를 눌러 가며, 곡선을 잇기 전에 머릿속으로 먼저 모양을 예측해 보자. 세 번째 함수는 \(f' = 0\)인 곳이 두 군데인데 극점은 하나뿐이다. 증감표의 어느 칸이 그 이유를 보여 주는지 찾아보자.
  6. 판단\(f' = 0\)인 점마다 봉우리나 골짜기를 그리는 실수가 흔하다. \(-x^4 + 4x^3\)의 \(x = 0\)처럼 \(f'\)이 중근으로 0이 되면 부호가 바뀌지 않아, 곡선이 잠시 수평해졌다가 같은 방향으로 계속 간다. 또 개형은 정확한 그림이 아니라 증감, 극점, 절편, 양 끝의 방향을 맞춘 그림이다.

확인조건이 달라지면

\(f(x) = 3x^4 - 4x^3\)의 그래프에 대한 설명으로 옳은 것은?

탐구 2

극댓값이 곧 최댓값일까?

최댓값과 최솟값 · 닫힌 구간

—

최댓값
—
최솟값
—
최댓값이 나온 곳
—
  1. 질문상자를 만들거나 비용을 줄이는 문제처럼, 정해진 범위 안에서 가장 큰 값을 찾아야 할 때가 많다. 극댓값을 구하면 그것이 곧 답일까?
  2. 복원극댓값은 그 점 근처에서 가장 큰 값이다. 그리고 다항함수는 연속이므로, 닫힌 구간 \([a, b]\)에서 반드시 최댓값과 최솟값을 가진다(최대·최소 정리).
  3. 설명닫힌 구간에서 최댓값과 최솟값이 될 수 있는 곳은 구간 안의 극점과 구간의 양 끝점, 두 종류뿐이다. 그래서 구간 안의 극값과 \(f(a), f(b)\)를 모두 구해 크기를 비교하면 된다. 그 가운데 가장 큰 값이 최댓값, 가장 작은 값이 최솟값이다.
  4. 연결이 방법은 부등식에도 쓰인다. 부등식 \(f(x) \ge 0\)이 어떤 범위에서 늘 성립하는지 보이려면, 그 범위에서 \(f\)의 최솟값이 0 이상임을 보이면 되기 때문이다. 다음 절에서 이 방법을 쓴다.
  5. 적용\(x^3 - 3x\)에서 구간을 \([-2, 1.5]\)로 두고 최댓값이 어디에서 나오는지 보자. \(b\)를 2.5까지 늘리면 최댓값이 나오는 곳이 바뀌는데, 끝값이 극댓값 2를 넘어서는 \(b\)가 얼마부터인지 찾아보자. 구간이 극점을 하나도 포함하지 않으면 최댓값과 최솟값이 양 끝에서 나온다.
  6. 판단"극댓값 = 최댓값"은 구간에 따라 틀린다. 끝점의 값이 더 클 수 있고, 극점이 구간 밖에 있으면 그 극값은 후보가 아니다. 또 열린 구간이나 실수 전체에서는 최댓값이 없을 수도 있다. 가령 \(x^3 - 3x\)는 실수 전체에서 최댓값이 없다.

확인조건이 달라지면

\(f(x) = x^3 - 3x\)의 구간 [0, 3]에서의 최댓값과 최솟값은?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기12문항 수능·모의평가·학력평가기출문제 풀어보기69문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기