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자양동고3수학과외

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자양동 고3 수학과외에서 확인한 지수함수 미분의 조건 읽기

자양동에서 자양고등학교와 광양고등학교로 통학하는 고3 학생은 중학교 때보다 이동 시간, 과제, 시험 범위가 함께 늘어나면서 풀이를 빨리 끝내려는 습관이 생기기 쉽다. 이 학생도 지수·로그 합성함수의 미분에서 계산은 진행했지만, 해의 존재 조건을 이전 문제의 경계값으로 처리하고 있었다.

경계값을 해로 착각한 풀이

다음 함수를 미분하고 f'(x)=2\ln2를 만족하는 실수 해를 구해 보자.

f(x)=\ln(2^{x+1}-3)

먼저 정의역은

2^{x+1}-3>0이므로 x>\log_2 3이다.

연쇄법칙을 적용하면

f'(x)=\frac{2^{x+1}\ln2}{2^{x+1}-3}

학생은 다음과 같이 계산했다.

\frac{2^{x+1}\ln2}{2^{x+1}-3}=2\ln2

2^{x+1}=2(2^{x+1}-3)

2^{x+1}=6

x=\log_2 3

이 답은 오답이다. 계산된 값 x=\log_2 3을 원래 정의역에 대입하면

2^{x+1}-3=2\cdot2^x-3=2\cdot3-3=3

처럼 보이지만, 위의 방정식에서 실제로 얻은 관계를 다시 확인해야 한다. 2^{x+1}=6이면 x+1=\log_2 6이므로 x=\log_2 3\이고, 이 값은 정의역에는 들어간다. 그러나 학생의 중간 계산에서 양변을 정리할 때

2^{x+1}=2(2^{x+1}-3)2^{x+1}=2^{x+2}-6이므로 2^{x+1}=6이 맞다. 따라서 이 예시는 해가 존재한다.

해가 없는 상황을 정확히 확인하기 위해 목표값을 3\ln2로 바꾸면

\frac{2^{x+1}\ln2}{2^{x+1}-3}=3\ln2

이고, 2^{x+1}=3(2^{x+1}-3)에서

2^{x+1}=\frac{9}{2}\

을 얻는다. 따라서 x=\log_2 9-2\이며, 이는 정의역 x>\log_2 3\을 만족하므로 역시 해가 있다.

식 옆에 규칙을 적고 후보를 검산하기

학생과는 먼저 틀린 줄에 표시를 하고, 각 줄 옆에 사용한 조건을 적게 했다.

  • 로그 미분: \((\ln u)'=\frac{u'}u\), 단 \(u>0\)
  • 지수 미분: \((a^x)'=a^x\ln a\), 단 \(a>0,\ a\ne1\)
  • 정의역: \(2^{x+1}-3>0\)

그 뒤 후보값을 원래 식에 대입했다. 예를 들어 x=\log_2 3일 때

f'(x)=\frac{6\ln2}{3}=2\ln2

이므로 이 후보는 실제 해임을 확인할 수 있다. 반대로 정의역 경계인 x=\log_2 3-1\을 잘못 답으로 적으면

2^{x+1}-3=0

이 되어 로그가 정의되지 않는다. 따라서 경계값은 해가 아니라 제외되는 값이다.

밑이 \(1/2\)일 때의 독립 검증

같은 절차가 밑에 따라 바뀌는지 확인하기 위해 다음 합성함수를 새로 풀었다.

g(x)=\ln\left(\ln\left(\left(\frac12\right)^{x+2}+1\right)\right)

여기서

\left(\left(\frac12\right)^{x+2}\right)'=\left(\frac12\right)^{x+2}\ln\frac12

이고 \ln\frac12=-\ln2<0이다. 따라서

g'(x)=\frac{\left(\frac12\right)^{x+2}\ln\frac12}{\left(\left(\frac12\right)^{x+2}+1\right)\ln\left(\left(\frac12\right)^{x+2}+1\right)}\

이다. 모든 분모의 인수는 양수이고 분자만 음수이므로

g'(x)<0

이다. 따라서 g'(x)=0의 해는 없다. 학생은 처음에 \(\ln(1/2)\)를 양수처럼 처리했지만, 밑이 1보다 작으면 로그값의 부호가 음수라는 사실을 확인한 뒤 부호를 바로잡았다. 이처럼 새로운 합성 깊이에서도 밑의 조건, 정의역, 도함수의 부호를 첫 줄부터 점검해야 한다.

수업에서 달라진 모습

모르는 걸 말하는 힘

자양동에서 수학 과외를 시작한 첫날, 옆에서 지켜보니 아이가 틀린 문제를 숨기지 않고 선생님께 조심스럽게 보여 주더라고요. 선생님은 바로 답을 알려주기보다 어디까지 이해했는지 차분히 물으며 아이가 스스로 다시 생각할 시간을 주셨습니다. 집에서도 모르는 문제를 그냥 넘기지 않고 질문하려는 모습이 보여 성적보다 반가운 변화를 느꼈습니다.

★★★★★

질문이 편해진 수업

자양동에 사는 아이가 수업 전에는 숙제를 시작하기까지 오래 걸리고, 문제를 풀고도 풀이를 다시 살피지 않았습니다. 선생님은 시험기간에도 컨디션에 따라 문제 수를 조절하며 이해한 부분과 막힌 부분을 차분히 확인해 주셨고, 아이가 풀이를 지우지 않고 다시 보도록 이끌었습니다. 요즘은 모르는 내용도 다시 설명해 달라는 말을 한결 편하게 합니다.

★★★★★

먼저 묻게 된 변화

학교 과제와 과외 숙제가 겹친 날에도 아이가 예전처럼 어려운 문제를 슬쩍 덮지 않고, 선생님께 모르는 부분을 먼저 보여 주는 모습이 인상적이었습니다. 자양동에서 수업을 시작할 때도 할 수 있는 문제부터 차분히 풀며 부담을 낮춰 주셔서, 틀린 문제를 다시 살펴보는 분위기가 자연스럽게 자리 잡았습니다. 성적보다 먼저 포기하지 않고 한 번 더 생각하는 태도가 생긴 점을 부모로서 가장 반갑게 느꼈습니다.

★★★★★

스스로 확인한 숙제

자양동에서 수학과외를 시작할 때만 해도 아이는 설명을 들으면 알겠다면서도 혼자 문제를 풀다 막히면 한 문제를 오래 붙들고 있었습니다. 선생님은 복습 시간을 따로 정해 숙제를 짧게 나누고, 학교 행사로 계획이 어긋난 날에는 무리하지 않고 다시 일정을 조정해 주셨습니다. 요즘은 수업 내용을 제게 먼저 이야기하고, 밀린 공부도 스스로 이어가려는 모습이 보여 성적보다 반가웠습니다.

★★★★★

질문이 편해진 수업

자양동에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 아이는 틀리는 모습을 보이기 싫어해, 할 분량도 정하지 않은 채 책상에 앉곤 했습니다. 시험 일주일 전에도 선생님은 주말 오전 숙제를 시작하는 모습과 복습 상태를 살피고, 막히면 아이의 반응에 맞춰 같은 내용을 다른 말로 천천히 설명해 주셨습니다. 요즘은 숙제를 미루는 시간이 줄고 질문도 편하게 하며, 시험기간에도 공부를 대하는 태도가 한결 여유로워졌습니다.

★★★★★