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문래동고3수학과외

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문래동 고3 수학과외에서 확인한 치환적분의 조건 처리

문래동에는 해당 지역명 주소로 확인되는 고등학교가 없으며, 같은 영등포구의 대영고등학교·관악고등학교·여의도고등학교·장훈고등학교·영신고등학교 등을 통학권 참고 범위로 볼 수 있다. 학교별 내신 운영과 학생의 주간 일정은 다르므로, 이번에는 학생이 실제 풀이에서 보인 치환적분의 오류를 중심으로 점검했다.

초기조건을 대입하기 전에 생긴 부호 오류

학생은 다음 조건을 만족하는 원시함수 \(F(x)\)를 구하는 과정에서 첫 줄에 밑줄을 긋지 않고 계산을 이어 갔다.

\(F'(x)=\dfrac{\cos x}{(1+\sin x)^2},\quad F(0)=2\)

치환변수 \(u=1+\sin x\)를 사용하면 반드시

\(du=\cos x\,dx\)

를 함께 써야 한다. 그런데 학생은 이를 \(du=-\cos x\,dx\)로 잘못 적어 다음과 같이 계산했다.

오답: \(\displaystyle F(x)=\frac{1}{1+\sin x}+C\)

이 식은 미분하면 \(\displaystyle F'(x)=-\frac{\cos x}{(1+\sin x)^2}\)가 되므로 주어진 도함수와 부호가 반대다. 또한 \(F(0)=2\)를 대입하면 \(1+C=2\)이지만, 초기조건만 맞고 도함수 조건은 만족하지 못한다.

조건과 미분관계를 다시 연결한 수정

  • 틀린 줄 표시: \(du=-\cos x\,dx\)에 밑줄을 긋고, \(u=1+\sin x\)를 미분하면 부호가 양수임을 확인한다.
  • 변수 관계 확인: \(du=\cos x\,dx\), 따라서 \(\displaystyle \int\frac{\cos x}{(1+\sin x)^2}\,dx=\int u^{-2}\,du\)이다.
  • 식 수정: \(\displaystyle F(x)=-u^{-1}+C=-\frac1{1+\sin x}+C\).
  • 초기조건 대입: \(F(0)=-1+C=2\)이므로 \(C=3\).

따라서 정확한 답은

\(\displaystyle F(x)=3-\frac1{1+\sin x}\)

이다. 역검산하면

\(\displaystyle F'(x)=-\left(-(1+\sin x)^{-2}\cos x\right)=\frac{\cos x}{(1+\sin x)^2}\)

이고, \(F(0)=3-1=2\)도 성립한다. 학생은 답만 고치는 대신 치환변수의 미분관계와 초기조건을 각각 다시 대입해 두 조건을 모두 확인하도록 연습했다.

함수 형태와 조건을 바꾼 독립 검증

같은 식을 반복하지 않고 다음 문제로 확인했다.

\(G'(x)=\dfrac{2\cos x}{(2+\sin x)^3},\quad G\left(\frac{\pi}{2}\right)=1\)

\(v=2+\sin x\)로 두면 \(dv=\cos x\,dx\)이므로

\(\displaystyle G(x)=\int 2v^{-3}\,dv=-v^{-2}+C=-\frac1{(2+\sin x)^2}+C\)

이다. 초기조건의 위치가 \(x=0\)에서 \(x=\frac{\pi}{2}\)로 바뀌었으므로

\(\displaystyle 1=-\frac1{3^2}+C\), 따라서 \(\displaystyle C=\frac{10}{9}\).

검산하면

\(\displaystyle G'(x)=\frac{2\cos x}{(2+\sin x)^3}\),

\(\displaystyle G\left(\frac{\pi}{2}\right)=-\frac19+\frac{10}{9}=1\)

이다. 새 문제에서도 학생은 계산 결과보다 \(dv=\cos x\,dx\)를 먼저 확인하고, 바뀐 초기조건을 마지막에 대입한 뒤 미분과 조건을 역검산했다.

수업에서 달라진 모습

모르는 걸 말하는 힘

시험 직전 주말, 아이가 모르는 문제를 숨기지 않고 먼저 보여 주는 모습이 의외였습니다. 문래동에서 수학 과외를 시작한 뒤 선생님은 아이가 막히는 지점을 살피며 같은 내용도 다른 말로 차분히 설명하고, 무리하게 진도를 나가지 않았습니다. 학교에서 돌아와 가방을 내려놓고 틀린 문제를 다시 보는 습관과 숙제를 시작하는 시간이 조금씩 빨라져 성적보다 이런 변화가 더 반가웠습니다.

★★★★★

질문이 편해진 수업

문래동에서 수학 과외를 시작한 뒤, 아이가 선생님께 먼저 질문했다는 말을 들은 날이 특히 인상적이었습니다. 예전에는 답이 바로 나오지 않으면 한 문제에 오래 매달렸지만, 선생님은 틀린 풀이를 처음부터 다시 하게 하기보다 어긋난 부분부터 함께 찾아 주셨고, 시험을 보고 온 뒤에도 현실적인 공부 계획을 조정해 주셨습니다. 요즘은 수업 내용을 먼저 이야기하고, 설명을 들은 뒤 다시 시도하는 모습에서 공부를 대하는 마음이 한결 편해진 것이 느껴집니다.

★★★★★

먼저 묻게 된 변화

문래동에서 수학 과외를 시작한 뒤 주말마다 아이가 공부할 분량을 스스로 확인하고 책상에 앉는 모습이 보였습니다. 예전에는 막히면 답지부터 펼쳤지만, 선생님이 정답보다 풀이 과정을 먼저 말해 보게 하고 그날 할 일과 다음에 볼 내용을 나눠 주셔서 이제는 모르는 부분을 질문하려는 태도도 조금씩 생겼습니다.

★★★★★

모르는 걸 말하는 힘

문래동에서 수학 과외를 시작할 때만 해도 아이는 모르는 문제를 만나면 답지부터 찾고, 질문할 문제를 따로 표시하는 것조차 부담스러워했습니다. 선생님은 학교 과제와 시험 일정을 살펴 숙제와 복습량을 조절하고, 지난주에 틀린 문제도 편하게 다시 풀어 보도록 이끌어 주셨습니다. 시험기간에도 어려운 문제를 바로 피하지 않고 표시해 두었다가 물어보는 모습이 보여 안심이 됐습니다.

★★★★☆

숙제를 챙기는 습관

숙제 검사를 받는 순간에도 아이가 풀이를 대충 넘기지 않고, 맞힌 문제를 왜 그렇게 풀었는지 직접 설명하려는 모습이 보였습니다. 문래동에서 수업을 이어가며 선생님은 진도보다 이해 여부를 먼저 살피고, 시험 전에는 부족한 부분을 다시 복습해 주셨습니다. 틀린 뒤에도 쉽게 풀이 죽지 않고 다시 문제를 보는 태도가 생겨 부모로서 가장 고마웠습니다.

★★★★★