문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 함수의 극한과 연속

함수의 극한과 연속 전체 문제

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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 1.4절 · 49번우리말 번역

다음과 같이 가정하자. f(x)={x2+3,x>00,x=0x2−3,x<0f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} x^2+3&,&x>0\\ 0&,&x=0\\ x^2-3&,&x<0 \end{array}\right.

(a) lim⁡x→0−f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x) 의 값을 구하세요. (b) lim⁡x→0+f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x) 의 값을 구하세요. (c) lim⁡x→0f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)={x2+3,x>00,x=0x2−3,x<0f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} x^2+3&,&x>0\\ 0&,&x=0\\ x^2-3&,&x<0 \end{array}\right.

(a) Evaluate lim⁡x→0−f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x). (b) Evaluate lim⁡x→0+f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x). (c) Evaluate lim⁡x→0f(x)\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x).

정답·풀이 보기

(a) 왼쪽에서의 극한을 구할 때에는 0보다 작은 xx 의 값만 고려한다. 이러한 xx 의 값에서 함수는 x2−3x^2-3 이다. 따라서 lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(x2−3)=−3\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^-} (x^2-3)=-3 이다.

(b) 오른쪽에서의 극한을 구할 때에는 0보다 큰 xx 의 값만 고려한다. 이러한 xx 의 값에서 함수는 x2+3x^2+3 이다. 따라서 lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(x2+3)=3\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^+} (x^2+3)=3 이다.

(c) 왼쪽 극한과 오른쪽 극한이 일치하지 않으므로 lim⁡x→0f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x)= 존재하지 않는다.

상황을 더 분명히 하기 위해 y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 아래와 같이 그렸다:

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) When we evaluate the limit from the left, we only consider values of xx that are less than zero. For these values of xx, our function is x2−3x^2-3. So, lim⁡x→0−f(x)=lim⁡x→0−(x2−3)=−3\displaystyle \lim_{x \to 0^-} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^-} (x^2-3)=-3.

(b) When we evaluate the limit from the right, we only consider values of xx that are greater than zero. For these values of xx, our function is x2+3x^2+3. So, lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(x2+3)=3\displaystyle \lim_{x \to 0^+} f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0^+} (x^2+3)=3.

(c) Since the limits from the left and right do not agree, lim⁡x→0f(x)=\displaystyle \lim_{x \to 0} f(x)= DNE.

To further clarify the situation, the graph of y=f(x)y=f(x) is sketched below:

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.3절 · 13번
# 극한의 성질과 계산계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 1.4절 · 50번우리말 번역

다음과 같이 두자. f(x)={x2+8x+16x2+30x−4,x>−4x3+8x2+16x,x≤−4f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} \dfrac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4}&,&x>-4\\ &\\ x^3+8x^2+16x&,&x\le-4 \end{array}\right.

(a) lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-} f(x) 의 값을 구하세요. (b) lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+} f(x) 의 값을 구하세요. (c) lim⁡x→−4f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4} f(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)={x2+8x+16x2+30x−4,x>−4x3+8x2+16x,x≤−4f(x)=\left\{\begin{array}{lcc} \dfrac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4}&,&x>-4\\ &\\ x^3+8x^2+16x&,&x\le-4 \end{array}\right.

(a) Evaluate lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-} f(x). (b) Evaluate lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+} f(x). (c) Evaluate lim⁡x→−4f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4} f(x).

정답·풀이 보기

(a) lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-}f(x) 의 값을 구할 때는 −4-4 보다 작은 xx 의 값만 생각한다. 이 값들에 대해 f(x)=x3+8x2+16xf(x)=x^3+8x^2+16x 이다. 따라서 lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4−(x3+8x2+16x)=(−4)3+8(−4)2+16(−4)=0\lim_{x \to -4^-}f(x)=\lim_{x \to -4^-} (x^3+8x^2+16x)=(-4)^3+8(-4)^2+16(-4)=0 x3+8x2+16xx^3+8x^2+16x 는 다항식이므로 x=−4x=-4 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다.

(b) lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x) 의 값을 구할 때는 −4-4 보다 큰 xx 의 값만 생각한다. 이 값들에 대해

f(x)=x2+8x+16x2+30x−4따라서,lim⁡x→−4+f(x)=lim⁡x→−4+x2+8x+16x2+30x−4이 함수는 유리함수이고 x=−4 는 정의역에 속하므로(0으로 나누는 것과 같은 문제가 없으므로) 이번에도 x=−4 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다:=(−4)2+8(−4)+16(−4)2+30(−4)−4=0−108=0\begin{aligned} f(x)&=\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{따라서,} \\ \lim_{x \to -4^+}f(x)&=\lim_{x \to -4^+}\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{이 함수는 유리함수이고 $x=-4$ 는 정의역에 속하므로(0으로 나누는 것과 같은 문제가 없으므로) 이번에도 $x=-4$ 를 직접 대입하여 극한을 구할 수 있다:} \\ &=\frac{(-4)^2+8(-4)+16}{(-4)^2+30(-4)-4}=\frac{0}{-108}=0 \end{aligned}

(c) lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4+f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to -4^-}f(x)=\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x)=0 이므로 lim⁡x→−4f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -4}f(x)=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) When we evaluate lim⁡x→−4−f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^-}f(x), we only consider values of xx that are less than −4-4. For these values, f(x)=x3+8x2+16xf(x)=x^3+8x^2+16x. So, lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4−(x3+8x2+16x)=(−4)3+8(−4)2+16(−4)=0\lim_{x \to -4^-}f(x)=\lim_{x \to -4^-} (x^3+8x^2+16x)=(-4)^3+8(-4)^2+16(-4)=0 Note that, because x3+8x2+16xx^3+8x^2+16x is a polynomial, we can evaluate the limit by directly substituting in x=−4x=-4.

(b) When we evaluate lim⁡x→−4+f(x)\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x), we only consider values of xx that are greater than −4-4. For these values,

f(x)=x2+8x+16x2+30x−4So,lim⁡x→−4+f(x)=lim⁡x→−4+x2+8x+16x2+30x−4This is a rational function, and x=−4 is in its domain (we aren’t doing anything suspect, like dividing by 0), so again we can directly substitute x=−4 to evaluate the limit:=(−4)2+8(−4)+16(−4)2+30(−4)−4=0−108=0\begin{aligned} f(x)&=\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{So,} \\ \lim_{x \to -4^+}f(x)&=\lim_{x \to -4^+}\frac{x^2+8x+16}{x^2+30x-4} \\ \text{This is a rational function, and $x=-4$ is in its domain (we aren't doing anything suspect, like dividing by 0), so again we can directly substitute $x=-4$ to evaluate the limit:} \\ &=\frac{(-4)^2+8(-4)+16}{(-4)^2+30(-4)-4}=\frac{0}{-108}=0 \end{aligned}

(c) Since lim⁡x→−4−f(x)=lim⁡x→−4+f(x)=0\displaystyle \lim_{x\to -4^-}f(x)=\displaystyle \lim_{x \to -4^+}f(x)=0, we conclude lim⁡x→−4f(x)=0\displaystyle \lim_{x \to -4}f(x)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.3절 · 41번
# 극한의 성질과 계산계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 1.5절 · 27번우리말 번역

lim⁡x→∞f(x)≠lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle\lim_{x \rightarrow\infty} f(x) \neq \displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x) 이고, 두 극한이 모두 (유한한) 실수인 유리함수 f(x)f(x) 를 하나 제시하세요.

영어 원문 보기

Give a rational function f(x)f(x) with the properties that lim⁡x→∞f(x)≠lim⁡x→−∞f(x)\displaystyle\lim_{x \rightarrow\infty} f(x) \neq \displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x), and both limits are (finite) real numbers.

정답·풀이 보기

먼저, 무한대에서의 극한이 실수인 유리함수가 필요하다. 이는 분모의 차수가 분자의 차수보다 크거나 같다는 뜻이다. 경우는 두 가지이다. 분모의 차수가 분자의 차수보다 큰 경우와, 분모의 차수가 분자의 차수와 같은 경우이다.

분모의 차수가 분자의 차수보다 크면 lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x \rightarrow \infty} f(x)=\displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x)=0 이므로 두 극한이 같다. 이는 우리가 찾는 함수가 아니다.

분모의 차수가 분자의 차수와 같으면 xx 가 ±∞\pm \infty 로 갈 때의 극한은 최고차항의 비이다. 이번에도 두 극한이 같다. 따라서 위와 같은 유리함수는 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we need a rational function whose limit at infinity is a real number. This means that the degree of the bottom is greater than or equal to the degree of the top. There are two cases: the denominator has higher degree than the numerator, or the denominator has the same degree as the numerator.

If the denominator has higher degree than the numerator, then lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→−∞f(x)=0\displaystyle\lim_{x \rightarrow \infty} f(x)=\displaystyle\lim_{x \rightarrow -\infty} f(x)=0, so the limits are equal–not what we're looking for.

If the denominator has the same degree as the numerator, then the limit as xx goes to ±∞\pm \infty is the ratio of the leading terms: again, the limits are equal. So no rational function exists as described.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.5절 · 24번
# 무한대에서의 극한과 점근선계산도전자동 분류
4.CLP-1 · 1.6절 · 26번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15 의 근을 포함하는, 길이가 1인 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to find an interval of length one containing a root of f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 다항식이므로 모든 점에서 연속이다. f(a)>0f(a)>0 이고 f(b)<0f(b)<0 인 값 aa, bb 를 찾을 수 있다면, 사잇값 정리에 의해 (a,b)(a,b) 에 f(c)=0f(c)=0 인 cc 가 존재한다. 즉, 구간 [a,b][a,b] 에 근이 있다. 계산하기 쉬운 xx 값부터 대입해 보자.

f(0)=15f(0)=15 이고, f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8 이다. 0 은 f(0)f(0) 과 f(1)f(1) 사이에 있고 ff 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)=0f(x)=0 인 xx 가 [0,1][0,1] 에 반드시 존재한다. 즉, [0,1][0,1] 에 근이 있다.

이 구간이 가장 찾기 쉬운 구간이었다. 계속 대입해 보면 두 구간을 더 찾을 수 있다. f(−1)=26f(-1)=26 (양수)이고 f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (음수)이므로 [−2,−1][-2,-1] 에 근이 있다.

계산이 까다롭지만 [14,15][14,15] 에도 근이 있다.

이것은 중요한 요령이다. 차수가 높은 다항식은 근의 정확한 값을 구하는 것이 불가능한 경우가 많다. 사잇값 정리를 이용하면 적어도 근이 반드시 있는 범위를 제시할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

f(x)f(x) is a polynomial, so it's continuous everywhere. If we can find values aa and bb so that f(a)>0f(a)>0 and f(b)<0f(b)<0, then by the IVT, there will exist some cc in (a,b)(a,b) where f(c)=0f(c)=0; that is, there is a root in the interval [a,b][a,b]. Let's start plugging in easy values of xx.

f(0)=15f(0)=15, and f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8. Since 0 is between f(0)f(0) and f(1)f(1), and since ff is continuous, by IVT there must be some xx in [0,1][0,1] for which f(x)=0f(x)=0: that is, there is some root in [0,1][0,1].

That was the easiest interval to find. If you keep playing around, you find two more. f(−1)=26f(-1)=26 (positive) and f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (negative), so there is a root in [−2,−1][-2,-1].

The arithmetic is nasty, but there is also a root in [14,15][14,15].

This is an important trick. For high-degree polynomials, it is often impossible to get the exact values of the roots. Using the IVT, we can at least give a range where a root must be.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 23번
# 함수의 연속계산도전자동 분류
5.CLP-1 · 1.6절 · 27번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 73\sqrt[3]{7} 의 소수 근삿값을 적어도 소수 둘째 자리까지 정확하게 구하세요. 계산기를 사용해도 되지만 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈에만 사용할 수 있습니다.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to give a decimal approximation of 73\sqrt[3]{7} that is correct to at least two decimal places. You may use a calculator, but only to add, subtract, multiply, and divide.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)=x3f(x)=x^3 이라 하자. ff 는 다항식이므로 모든 곳에서 연속이다. f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b) 이면 73\sqrt[3]{7} 은 aa 와 bb 사이에 있다. 이 부등식을 만족시키면서 서로 매우 가까운 aa 와 bb 를 찾을 수 있다면, 73\sqrt[3]{7} 의 좋은 근삿값을 얻을 수 있다.

  • 정수부터 시작해 보자. 13<7<231^3<7<2^3 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1,2)(1,2) 에 있다.
  • 범위를 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.5)f(1.5) 를 살펴보자. (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.5,2)(1.5,2) 에 있다.
  • 더 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.75)f(1.75) 를 살펴보자. (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.75,2)(1.75,2) 에 있다.
  • 여러 값을 시험해 보면 f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2) 임을 알 수 있으므로 73\sqrt[3]{7} 은 1.91.9 와 22 사이에 있다.
  • 더 시험해 보면 f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92) 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 (1.91,1.92)(1.91,1.92) 에 있다.
  • 73\sqrt[3]{7} 을 소수 둘째 자리까지 반올림한 근삿값을 얻으려면 73\sqrt[3]{7} 이 1.9151.915 보다 큰지 작은지를 알아야 한다. 실제로 f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7 이므로 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915 이고, 따라서 소수 둘째 자리까지 반올림하면 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91 이다.

이것이 73\sqrt[3]{7} 을 어림하는 당연한 방법으로 느껴진다면 잘 이해한 것이다. 사잇값 정리는 매우 직관적인 원리를 정식으로 나타낸 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=x3f(x)=x^3. Since ff is a polynomial, it is continuous everywhere. If f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b), then 73\sqrt[3]{7} is somewhere between aa and bb. If we can find aa and bb that satisfy these inequalities, and are very close together, that will give us a good approximation for 73\sqrt[3]{7}.

  • Let's start with integers. 13<7<231^3<7<2^3, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1,2)(1,2).
  • Let's narrow this down, say by testing f(1.5)f(1.5). (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.5,2)(1.5,2).
  • Let's narrow further, say by testing f(1.75)f(1.75). (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.75,2)(1.75,2).
  • Testing various points, we find f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2), so 73\sqrt[3]{7} is between 1.91.9 and 22.
  • By testing more, we find f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92), so 73\sqrt[3]{7} is in (1.91,1.92)(1.91,1.92).
  • In order to get an approximation for 73\sqrt[3]{7} that is rounded to two decimal places, we have to know whether 73\sqrt[3]{7} is greater or less than 1.9151.915; indeed f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7, so 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915; then rounded to two decimal places, 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91.

If this seems like the obvious way to approximate 73\sqrt[3]{7}, that's good. The IVT is a formal statement of a very intuitive principle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 26번
# 함수의 연속계산도전자동 분류