문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수함수의 극한과 연속

여러 경로로 다가가 극한의 존재를 판단하고 연속성을 확인한다

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

2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.1절 · 7번대학 수준우리말 번역

(a) 극한을 구하세요: lim⁡(x,y)→(0,0)x8+y8x4+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}. (b) 다음 극한이 존재하지 않음을 증명하세요: lim⁡(x,y)→(0,0)xy5x8+y10\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}}.

영어 원문 보기

(a) Find the limit: lim⁡(x,y)→(0,0)x8+y8x4+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}. (b) Prove that the following limit does not exist: lim⁡(x,y)→(0,0)xy5x8+y10\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}}.

정답·풀이 보기

(a) 극좌표에서 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 이므로

x8+y8x4+y4=r8cos⁡8θ+r8sin⁡8θr4cos⁡4θ+r4sin⁡4θ=r4cos⁡8θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ\begin{aligned} \frac{x^8+y^8}{x^4+y^4} &=\frac{r^8\cos^8\theta+r^8\sin^8\theta}{r^4\cos^4\theta+r^4\sin^4\theta} =r^4\frac{\cos^8\theta+\sin^8\theta}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} \end{aligned}

이때

cos⁡8θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ≤cos⁡8θ+2cos⁡4θsin⁡4θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ=(cos⁡4θ+sin⁡4θ)2cos⁡4θ+sin⁡4θ=cos⁡4θ+sin⁡4θ≤2\begin{aligned} \frac{\cos^8\theta+\sin^8\theta}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} &\le \frac{\cos^8\theta+2\cos^4\theta\sin^4\theta+\sin^8\theta} {\cos^4\theta+\sin^4\theta} =\frac{\big(\cos^4\theta+\sin^4\theta\big)^2}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} \\ &=\cos^4\theta+\sin^4\theta \le 2 \end{aligned}

이므로

0≤x8+y8x4+y4≤2r40\le \frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}\le 2r^4

이다. lim⁡(x,y)→(0,0)2r4=0\displaystyle \lim_{(x,y)\to (0,0)}2r^4=0 이므로 조임 정리에 의해 lim⁡(x,y)→(0,0)x8+y8x4+y4=0\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}=0 이다.

(b) 극좌표에서

xy5x8+y10=r6cos⁡θ sin⁡5θr8cos⁡8θ+r10sin⁡10θ=1r2cos⁡θ sin⁡5θcos⁡8θ+r2sin⁡10θ\begin{aligned} \frac{xy^5}{x^8+y^{10}} &=\frac{r^6\cos\theta\,\sin^5\theta}{r^8\cos^8\theta+r^{10}\sin^{10}\theta} =\frac{1}{r^2}\frac{\cos\theta\,\sin^5\theta}{\cos^8\theta+r^2\sin^{10}\theta} \end{aligned}

이다. (x,y)→(0,0)(x,y)\to (0,0) 일 때 첫째 분수 1r2→∞\frac{1}{r^2}\to\infty 이지만, 둘째 인수는 여러 가지 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어 (x,y)(x,y) 를 yy축을 따라, 즉 θ=±π2\theta=\pm\frac{\pi}{2} 로 원점에 가까이 보내면

lim⁡(x,y)→(0,0)x=0xy5x8+y10=lim⁡y→00y10=0\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{x=0}}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{y\to 0} \frac{0}{y^{10}}=0 \end{aligned}

이다. 그러나 (x,y)(x,y) 를 직선 y=xy=x 를 따라, 즉 θ=π4,5π4\theta=\frac{\pi}{4},\frac{5\pi}{4} 로 원점에 가까이 보내면

lim⁡(x,y)→(0,0)y=xxy5x8+y10=lim⁡x→0x6x8+x10=lim⁡x→01x211+x2=+∞\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{y=x} }\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{x^6}{x^8+x^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{1}{x^2}\frac{1}{1+x^2} =+\infty \end{aligned}

이고, (x,y)(x,y) 를 직선 y=−xy=-x 를 따라, 즉 θ=−π4,3π4\theta=-\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4} 로 원점에 가까이 보내면

lim⁡(x,y)→(0,0)y=−xxy5x8+y10=lim⁡x→0−x6x8+x10=lim⁡x→0−1x211+x2=−∞\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{y=-x} }\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{-x^6}{x^8+x^{10}} =\lim_{x\to 0}- \frac{1}{x^2}\frac{1}{1+x^2} =-\infty \end{aligned}

이다. 따라서 (x,y)→(0,0)(x,y)\to(0,0) 일 때 xy5x8+y10\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} 은 하나의 값에 가까워지지 않으므로 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In polar coordinates, x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta, so that

x8+y8x4+y4=r8cos⁡8θ+r8sin⁡8θr4cos⁡4θ+r4sin⁡4θ=r4cos⁡8θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ\begin{aligned} \frac{x^8+y^8}{x^4+y^4} &=\frac{r^8\cos^8\theta+r^8\sin^8\theta}{r^4\cos^4\theta+r^4\sin^4\theta} =r^4\frac{\cos^8\theta+\sin^8\theta}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} \end{aligned}

As

cos⁡8θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ≤cos⁡8θ+2cos⁡4θsin⁡4θ+sin⁡8θcos⁡4θ+sin⁡4θ=(cos⁡4θ+sin⁡4θ)2cos⁡4θ+sin⁡4θ=cos⁡4θ+sin⁡4θ≤2\begin{aligned} \frac{\cos^8\theta+\sin^8\theta}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} &\le \frac{\cos^8\theta+2\cos^4\theta\sin^4\theta+\sin^8\theta} {\cos^4\theta+\sin^4\theta} =\frac{\big(\cos^4\theta+\sin^4\theta\big)^2}{\cos^4\theta+\sin^4\theta} \\ &=\cos^4\theta+\sin^4\theta \le 2 \end{aligned}

we have

0≤x8+y8x4+y4≤2r40\le \frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}\le 2r^4

As lim⁡(x,y)→(0,0)2r4=0\displaystyle \lim_{(x,y)\to (0,0)}2r^4=0, the squeeze theorem yields lim⁡(x,y)→(0,0)x8+y8x4+y4=0\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^8+y^8}{x^4+y^4}=0.

(b) In polar coordinates

xy5x8+y10=r6cos⁡θ sin⁡5θr8cos⁡8θ+r10sin⁡10θ=1r2cos⁡θ sin⁡5θcos⁡8θ+r2sin⁡10θ\begin{aligned} \frac{xy^5}{x^8+y^{10}} &=\frac{r^6\cos\theta\,\sin^5\theta}{r^8\cos^8\theta+r^{10}\sin^{10}\theta} =\frac{1}{r^2}\frac{\cos\theta\,\sin^5\theta}{\cos^8\theta+r^2\sin^{10}\theta} \end{aligned}

As (x,y)→(0,0)(x,y)\to (0,0) the first fraction 1r2→∞\frac{1}{r^2}\to\infty but the second factor can take many different values. For example, if we send (x,y)(x,y) towards the origin along the yy–axis, i.e. with θ=±π2\theta=\pm\frac{\pi}{2},

lim⁡(x,y)→(0,0)x=0xy5x8+y10=lim⁡y→00y10=0\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{x=0}}\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{y\to 0} \frac{0}{y^{10}}=0 \end{aligned}

but if we send (x,y)(x,y) towards the origin along the line y=xy=x, i.e. with θ=π4,5π4\theta=\frac{\pi}{4},\frac{5\pi}{4},

lim⁡(x,y)→(0,0)y=xxy5x8+y10=lim⁡x→0x6x8+x10=lim⁡x→01x211+x2=+∞\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{y=x} }\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{x^6}{x^8+x^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{1}{x^2}\frac{1}{1+x^2} =+\infty \end{aligned}

and if we send (x,y)(x,y) towards the origin along the line y=−xy=-x, i.e. with θ=−π4,3π4\theta=-\frac{\pi}{4},\frac{3\pi}{4},

lim⁡(x,y)→(0,0)y=−xxy5x8+y10=lim⁡x→0−x6x8+x10=lim⁡x→0−1x211+x2=−∞\begin{aligned} \lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{(x,y)\to(0,0)}{y=-x} }\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} =\lim_{x\to 0} \frac{-x^6}{x^8+x^{10}} =\lim_{x\to 0}- \frac{1}{x^2}\frac{1}{1+x^2} =-\infty \end{aligned}

So xy5x8+y10\frac{xy^5}{x^8+y^{10}} does not approach a single value as (x,y)→(0,0)(x,y)\to(0,0) and the limit does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 6번
# 다변수함수의 극한과 연속증명·논술보통자동 분류
2.CLP-3 · 2.1절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음 각 극한의 값을 구하거나 극한이 존재하지 않음을 보이세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)x3−y3x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)x2−y4x2+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}

영어 원문 보기

Evaluate each of the following limits or show that it does not exist.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)x3−y3x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)x2−y4x2+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}

정답·풀이 보기

(a) 극좌표로 나타내면

x3−y3x2+y2=r3cos⁡3θ−r3sin⁡3θr2=rcos⁡3θ−rsin⁡3θ\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2}=\frac{r^3\cos^3\theta-r^3\sin^3\theta}{r^2} =r\cos^3\theta-r\sin^3\theta

이다.

∣rcos⁡3θ−rsin⁡3θ∣≤2r\big|r\cos^3\theta-r\sin^3\theta\big|\le 2r

이고 r→0r\rightarrow 0 일 때 2r→02r\rightarrow 0 이므로, 극한이 존재하고 그 값은 00 이다.

(b) xx축을 따라 (0,0)(0,0) 에 접근할 때의 극한은

lim⁡t→0x2−y4x2+y4∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t2−04t2+04=1\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow 0}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}\bigg|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{t\rightarrow 0}\frac{t^2-0^4}{t^2+0^4} =1 \end{aligned}

이다. 한편 yy축을 따라 (0,0)(0,0) 에 접근할 때의 극한은

lim⁡t→0x2−y4x2+y4∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→002−t402+t4=−1\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow 0}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}\bigg|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}\frac{0^2-t^4}{0^2+t^4} =-1 \end{aligned}

이다. 두 값이 서로 다르므로 (x,y)→0(x,y)\rightarrow 0 일 때의 극한은 존재하지 않는다.

극좌표로 바꾸면 원점 근처에서 x2−y4x2+y4\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4} 의 거동을 더 자세히 이해할 수 있다.

x2−y4x2+y4=r2cos⁡2θ−r4sin⁡4θr2cos⁡2θ+r4sin⁡4θ=cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4} =\frac{r^2\cos^2\theta-r^4\sin^4\theta}{r^2\cos^2\theta+r^4\sin^4\theta} =\frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta}

이제 θ\theta 를 임의로 고정하고 r→0r\rightarrow 0 이라 하자(즉 양의 xx축과 이루는 각이 θ\theta 인 반직선을 따라 원점에 접근한다). cos⁡θ≠0\cos\theta\ne 0 이면(즉 그 반직선이 yy축의 일부가 아니면)

lim⁡r→0cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=cos⁡2θcos⁡2θ=1\begin{aligned} \lim_{r\rightarrow 0} \frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} =\frac{\cos^2\theta}{\cos^2\theta} =1 \end{aligned}

이다. 그러나 cos⁡θ=0\cos\theta= 0 이면(즉 그 반직선이 yy축의 일부이면)

lim⁡r→0cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=lim⁡r→0−r2sin⁡4θr2sin⁡4θ=−sin⁡4θsin⁡4θ=−1\begin{aligned} \lim_{r\rightarrow 0} \frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} =\lim_{r\rightarrow 0} \frac{-r^2\sin^4\theta}{r^2\sin^4\theta} =\frac{-\sin^4\theta}{\sin^4\theta} =-1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In polar coordinates

x3−y3x2+y2=r3cos⁡3θ−r3sin⁡3θr2=rcos⁡3θ−rsin⁡3θ\frac{x^3-y^3}{x^2+y^2}=\frac{r^3\cos^3\theta-r^3\sin^3\theta}{r^2} =r\cos^3\theta-r\sin^3\theta

Since

∣rcos⁡3θ−rsin⁡3θ∣≤2r\big|r\cos^3\theta-r\sin^3\theta\big|\le 2r

and 2r→02r\rightarrow 0 as r→0r\rightarrow 0, the limit exists and is 00.

(b) The limit as we approach (0,0)(0,0) along the xx-axis is

lim⁡t→0x2−y4x2+y4∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t2−04t2+04=1\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow 0}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}\bigg|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{t\rightarrow 0}\frac{t^2-0^4}{t^2+0^4} =1 \end{aligned}

On the other hand the limit as we approach (0,0)(0,0) along the yy-axis is

lim⁡t→0x2−y4x2+y4∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→002−t402+t4=−1\begin{aligned} \lim_{t\rightarrow 0}\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4}\bigg|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}\frac{0^2-t^4}{0^2+t^4} =-1 \end{aligned}

These are different, so the limit as (x,y)→0(x,y)\rightarrow 0 does not exist.

We can gain a more detailed understanding of the behaviour of x2−y4x2+y4\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4} near the origin by switching to polar coordinates.

x2−y4x2+y4=r2cos⁡2θ−r4sin⁡4θr2cos⁡2θ+r4sin⁡4θ=cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ\frac{x^2-y^4}{x^2+y^4} =\frac{r^2\cos^2\theta-r^4\sin^4\theta}{r^2\cos^2\theta+r^4\sin^4\theta} =\frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta}

Now fix any θ\theta and let r→0r\rightarrow 0 (so that we are approaching the origin along the ray that makes an angle θ\theta with the positive xx-axis). If cos⁡θ≠0\cos\theta\ne 0 (i.e. the ray is not part of the yy-axis)

lim⁡r→0cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=cos⁡2θcos⁡2θ=1\begin{aligned} \lim_{r\rightarrow 0} \frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} =\frac{\cos^2\theta}{\cos^2\theta} =1 \end{aligned}

But if cos⁡θ=0\cos\theta= 0 (i.e. the ray is part of the yy-axis)

lim⁡r→0cos⁡2θ−r2sin⁡4θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=lim⁡r→0−r2sin⁡4θr2sin⁡4θ=−sin⁡4θsin⁡4θ=−1\begin{aligned} \lim_{r\rightarrow 0} \frac{\cos^2\theta-r^2\sin^4\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} =\lim_{r\rightarrow 0} \frac{-r^2\sin^4\theta}{r^2\sin^4\theta} =\frac{-\sin^4\theta}{\sin^4\theta} =-1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.2절 · 42번
# 다변수함수의 극한과 연속증명·논술보통자동 분류