Linearism › 미적분학 › CA.1

1장. 극한

미적분학 · 1부. 함수, 극한, 연속

기본 · 약 20분 · 연습문제 6 · 그림 1

요약

극한의 직관과 ε–δ 정의, 극한 법칙, 한쪽 극한, 조임 정리와 sin x / x, 무한대에서의 극한과 무한 극한

미적분학의 모든 정의(연속, 미분계수, 정적분, 급수의 합)는 극한으로 세워집니다. 이 장에서는 “xx가 aa에 가까워질 때 f(x)f(x)가 LL에 가까워진다”는 말을 정확한 정의로 바꾸고, 극한을 계산하는 규칙을 정리합니다.

1.1 직관

f(x)=x2−1x−1f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{x - 1}은 x=1x = 1에서 정의되지 않습니다. 그러나 x≠1x \ne 1이면 f(x)=x+1f(x) = x + 1이므로, xx가 1에 가까워지면 f(x)f(x)는 2에 가까워집니다.

xx 0.9 0.99 0.999 1.001 1.01 1.1
f(x)f(x) 1.9 1.99 1.999 2.001 2.01 2.1

극한은 x=ax = a에서의 값이 아니라 aa 근처의 값이 어디로 가는지를 묻습니다. f(a)f(a)가 정의되지 않거나 다른 값이어도 극한은 있을 수 있습니다.

1.2 ε–δ 정의

“가까워진다”를 정확히 하려면, 원하는 만큼 가깝게(오차 ε\varepsilon) 만들 수 있다는 것을 보여야 합니다.

정의 1.1 (극한). lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L이란, 모든 ε>0\varepsilon > 0에 대해 어떤 δ>0\delta > 0이 있어

0<∣x−a∣<δ  ⟹  ∣f(x)−L∣<ε0 < |x - a| < \delta \implies |f(x) - L| < \varepsilon

이 성립한다는 뜻입니다.

이산수학 2강의 한정기호로 쓰면 ∀ε>0  ∃δ>0  ∀x (0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)\forall \varepsilon > 0\; \exists \delta > 0\; \forall x\, (0 < |x - a| < \delta \to |f(x) - L| < \varepsilon)입니다. ε\varepsilon은 상대가 정하는 오차, δ\delta는 그에 맞춰 내가 고르는 범위입니다. 0<∣x−a∣0 < |x - a|는 x=ax = a 자체는 보지 않는다는 뜻입니다.

ε를 줄이면 그에 맞는 δ도 줄어듭니다. 가로 띠(L ± ε) 안에 그래프가 머무르게 하는 세로 띠(a ± δ)가 언제나 있으면 극한은 L입니다

이 위젯은 JavaScript가 필요합니다

예제 1.2. lim⁡x→3(2x+1)=7\lim_{x \to 3}(2x + 1) = 7을 보입니다. ε>0\varepsilon > 0이 주어지면 ∣(2x+1)−7∣=2∣x−3∣|(2x + 1) - 7| = 2|x - 3|이므로 δ=ε/2\delta = \varepsilon/2로 잡으면 ∣x−3∣<δ|x - 3| < \delta일 때 2∣x−3∣<ε2|x - 3| < \varepsilon입니다.

예제 1.3. lim⁡x→2x2=4\lim_{x \to 2} x^2 = 4를 보입니다. ∣x2−4∣=∣x−2∣∣x+2∣|x^2 - 4| = |x - 2||x + 2|입니다. 먼저 δ≤1\delta \le 1로 제한하면 1<x<31 < x < 3이라 ∣x+2∣<5|x + 2| < 5입니다. 그러므로 δ=min⁡(1,ε/5)\delta = \min(1, \varepsilon/5)로 잡으면 ∣x2−4∣<5⋅ε/5=ε|x^2 - 4| < 5 \cdot \varepsilon/5 = \varepsilon입니다.

1.3 극한 법칙

정의로 매번 증명하는 대신, 다음 법칙으로 계산합니다.

정리 1.4 (극한 법칙). lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a} f(x) = L, lim⁡x→ag(x)=M\lim_{x\to a} g(x) = M이면

  • lim⁡(f+g)=L+M\lim (f + g) = L + M, lim⁡(cf)=cL\lim (cf) = cL
  • lim⁡(fg)=LM\lim (fg) = LM
  • M≠0M \ne 0이면 lim⁡(f/g)=L/M\lim (f/g) = L/M

증명 (합). ε>0\varepsilon > 0에 대해 ∣f(x)−L∣<ε/2|f(x) - L| < \varepsilon/2가 되는 δ1\delta_1, ∣g(x)−M∣<ε/2|g(x) - M| < \varepsilon/2가 되는 δ2\delta_2를 잡고 δ=min⁡(δ1,δ2)\delta = \min(\delta_1, \delta_2)로 하면 삼각부등식으로 ∣f+g−(L+M)∣<ε|f + g - (L + M)| < \varepsilon입니다. □

lim⁡x→ax=a\lim_{x\to a} x = a와 lim⁡x→ac=c\lim_{x \to a} c = c에 이 법칙을 쓰면, 다항식과 (분모가 0이 아닌) 유리함수의 극한은 값을 대입하면 됩니다.

분모가 0이 되는 0/00/0 꼴은 먼저 식을 변형합니다.

예제 1.5. lim⁡x→2x2−5x+6x−2=lim⁡x→2(x−3)=−1\displaystyle\lim_{x \to 2}\frac{x^2 - 5x + 6}{x - 2} = \lim_{x\to2}(x - 3) = -1 (인수분해).

예제 1.6. lim⁡x→0x+4−2x=lim⁡x→0(x+4)−4x(x+4+2)=lim⁡x→01x+4+2=14\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sqrt{x + 4} - 2}{x} = \lim_{x\to0}\frac{(x + 4) - 4}{x(\sqrt{x+4} + 2)} = \lim_{x\to0}\frac{1}{\sqrt{x + 4} + 2} = \frac14 (유리화).

1.4 한쪽 극한

정의 1.7. xx를 aa보다 큰 쪽에서만 가깝게 할 때의 극한을 우극한(right-hand limit) lim⁡x→a+f(x)\lim_{x\to a^+}f(x), 작은 쪽에서의 극한을 좌극한(left-hand limit) lim⁡x→a−f(x)\lim_{x\to a^-}f(x)라 합니다.

정리 1.8. lim⁡x→af(x)=L\lim_{x\to a}f(x) = L일 필요충분조건은 좌극한과 우극한이 모두 LL인 것입니다.

예제 1.9. f(x)=∣x∣/xf(x) = |x|/x는 x>0x > 0에서 1, x<0x < 0에서 −1-1이므로 x→0x \to 0에서 우극한 1, 좌극한 −1-1이고 극한은 없습니다.

1.5 조임 정리

정리 1.10 (조임 정리). aa 근처에서 g(x)≤f(x)≤h(x)g(x) \le f(x) \le h(x)이고 lim⁡g=lim⁡h=L\lim g = \lim h = L이면 lim⁡f=L\lim f = L입니다.

예제 1.11. lim⁡x→0x2sin⁡(1/x)=0\lim_{x\to0} x^2\sin(1/x) = 0. sin⁡\sin은 −1-1과 11 사이이므로 −x2≤x2sin⁡(1/x)≤x2-x^2 \le x^2\sin(1/x) \le x^2이고 양쪽이 0으로 갑니다.

정리 1.12. lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x} = 1.

증명. 0<x<π/20 < x < \pi/2에서 단위원의 넓이를 비교합니다. 꼭짓점 원점, (1,0)(1, 0), (cos⁡x,sin⁡x)(\cos x, \sin x)인 삼각형 ≤ 중심각 xx인 부채꼴 ≤ 높이 tan⁡x\tan x인 직각삼각형이므로

sin⁡x2≤x2≤tan⁡x2,곧cos⁡x≤sin⁡xx≤1.\frac{\sin x}{2} \le \frac{x}{2} \le \frac{\tan x}{2}, \qquad \text{곧} \qquad \cos x \le \frac{\sin x}{x} \le 1.

cos⁡x→1\cos x \to 1이므로 조임 정리로 우극한이 1입니다. sin⁡x/x\sin x/x는 우함수이므로 좌극한도 1입니다. □

이 극한은 3장에서 sin⁡\sin의 도함수를 구하는 열쇠입니다. 정리 1.12에서 lim⁡x→01−cos⁡xx=0\lim_{x\to0}\frac{1 - \cos x}{x} = 0도 나옵니다(1−cos⁡x=sin⁡2x1+cos⁡x1 - \cos x = \frac{\sin^2 x}{1 + \cos x}).

1.6 무한대와 관련된 극한

정의 1.13. lim⁡x→∞f(x)=L\lim_{x\to\infty}f(x) = L은 모든 ε>0\varepsilon > 0에 대해 어떤 NN이 있어 x>Nx > N이면 ∣f(x)−L∣<ε|f(x) - L| < \varepsilon이라는 뜻입니다. 이때 직선 y=Ly = L을 수평 점근선(horizontal asymptote)이라 합니다.

유리함수의 무한대에서의 극한은 분모의 최고차항으로 나눠 구합니다.

예제 1.14. lim⁡x→∞3x2+x2x2−5=lim⁡x→∞3+1/x2−5/x2=32\displaystyle\lim_{x\to\infty}\frac{3x^2 + x}{2x^2 - 5} = \lim_{x\to\infty}\frac{3 + 1/x}{2 - 5/x^2} = \frac32.

정의 1.15. lim⁡x→af(x)=∞\lim_{x\to a}f(x) = \infty는 모든 MM에 대해 어떤 δ>0\delta > 0이 있어 0<∣x−a∣<δ0 < |x - a| < \delta이면 f(x)>Mf(x) > M이라는 뜻입니다. 이때 직선 x=ax = a를 수직 점근선(vertical asymptote)이라 합니다. (∞\infty는 수가 아니므로 이 경우 극한은 “존재하지 않지만 무한대로 발산한다”고 말합니다.)

예제 1.16. lim⁡x→01/x2=∞\lim_{x\to0} 1/x^2 = \infty이고, 1/x1/x는 우극한 ∞\infty, 좌극한 −∞-\infty입니다.

쓰이는 곳. 수렴, 연속, 미분, 적분의 정의가 모두 극한입니다. 머신러닝 이론에서 '데이터가 많아지면 오차가 0으로 간다'는 주장이나, 수치해석에서 '격자를 잘게 하면 근사가 참값으로 간다'는 주장은 이 장의 ε–δ나 ε–N 형식으로 쓰입니다.

1.7 이 장의 요약

  • 극한은 aa 근처의 값이 어디로 가는가입니다. ε–δ: 모든 오차 ε\varepsilon에 대해 범위 δ\delta가 있습니다.
  • 극한 법칙으로 대입, 0/00/0이면 인수분해·유리화.
  • 조임 정리와 lim⁡x→0sin⁡x/x=1\lim_{x\to0}\sin x/x = 1.

문제

1.1 [계산] · 확인 문제

극한값을 씁니다.

극한 값
lim⁡x→3x2−9x−3\lim_{x\to3}\dfrac{x^2 - 9}{x - 3} [?]
lim⁡x→0sin⁡5xx\lim_{x\to0}\dfrac{\sin 5x}{x} [?]
lim⁡x→∞2x3−x5x3+4\lim_{x\to\infty}\dfrac{2x^3 - x}{5x^3 + 4} [?]
lim⁡x→0x+9−3x\lim_{x\to0}\dfrac{\sqrt{x + 9} - 3}{x} [?]
힌트 1

둘째 줄은 sin⁡5x5x⋅5\frac{\sin 5x}{5x} \cdot 5로 바꿉니다. 넷째 줄은 분자를 유리화합니다.

정답
6
5
2/5
1/6
풀이
  1. (x+3)→6(x + 3) \to 6.
  2. 5⋅sin⁡5x5x→55 \cdot \frac{\sin 5x}{5x} \to 5.
  3. 최고차항의 비 2/52/5.
  4. 1x+9+3→16\frac{1}{\sqrt{x+9} + 3} \to \frac16.

1.2 [계산] · 확인 문제

lim⁡x→01−cos⁡xx2\lim_{x\to0}\dfrac{1 - \cos x}{x^2}은?

힌트 1

분자와 분모에 1+cos⁡x1 + \cos x를 곱하면 sin⁡2xx2(1+cos⁡x)\frac{\sin^2 x}{x^2(1 + \cos x)}가 됩니다.

정답
1/2
풀이

1−cos⁡xx2=(sin⁡xx)211+cos⁡x→1⋅12=12\frac{1 - \cos x}{x^2} = \left(\frac{\sin x}{x}\right)^2 \frac{1}{1 + \cos x} \to 1 \cdot \frac12 = \frac12입니다.

1.3 [계산] · 확인 문제

lim⁡x→4(3x−2)=10\lim_{x\to 4}(3x - 2) = 10을 ε–δ로 증명할 때, ε=0.03\varepsilon = 0.03에 대해 잡을 수 있는 가장 큰 δ\delta는?

정답
0.01
풀이

∣(3x−2)−10∣=3∣x−4∣<0.03  ⟺  ∣x−4∣<0.01|(3x - 2) - 10| = 3|x - 4| < 0.03 \iff |x - 4| < 0.01이므로 δ=0.01\delta = 0.01입니다.

1.4 [개념]

lim⁡x→0sin⁡(1/x)\lim_{x \to 0}\sin(1/x)에 대해 옳은 것은?

  1. 0입니다.
  2. 1입니다.
  3. 존재하지 않습니다.
  4. ∞\infty로 발산합니다.
정답
3
풀이

x=1π/2+2nπx = \frac{1}{\pi/2 + 2n\pi}이면 값이 1, x=13π/2+2nπx = \frac{1}{3\pi/2 + 2n\pi}이면 −1-1이고, 두 열 모두 0으로 갑니다. 0 근처에서 값이 −1-1과 1 사이를 끝없이 오가므로 어떤 LL에도 가까워지지 않습니다. 유계이므로 무한대로 발산하지도 않습니다.

1.5 [계산]

lim⁡x→∞(x2+6x−x)\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2 + 6x} - x\right)는?

힌트 1

∞−∞\infty - \infty 꼴은 켤레식을 곱해 분수로 만듭니다.

정답
3
풀이

x2+6x−x=6xx2+6x+x=61+6/x+1→62=3\sqrt{x^2 + 6x} - x = \frac{6x}{\sqrt{x^2 + 6x} + x} = \frac{6}{\sqrt{1 + 6/x} + 1} \to \frac{6}{2} = 3입니다.

1.6 [증명]

ε–δ 정의로 lim⁡x→1(x2+x)=2\lim_{x\to1}(x^2 + x) = 2를 보입니다.

힌트 1

∣x2+x−2∣=∣x−1∣∣x+2∣|x^2 + x - 2| = |x - 1||x + 2|입니다. δ≤1\delta \le 1로 제한해 ∣x+2∣|x + 2|를 막습니다.

풀이

δ≤1\delta \le 1이면 0<x<20 < x < 2이므로 ∣x+2∣<4|x + 2| < 4입니다. δ=min⁡(1,ε/4)\delta = \min(1, \varepsilon/4)로 잡으면 0<∣x−1∣<δ0 < |x - 1| < \delta일 때 ∣x2+x−2∣=∣x−1∣∣x+2∣<ε4⋅4=ε|x^2 + x - 2| = |x - 1||x + 2| < \frac{\varepsilon}{4} \cdot 4 = \varepsilon입니다.