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 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 각 극한의 값을 구하거나, 극한이 존재하지 않음을 보이세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

영어 원문 보기

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

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

정답·풀이 보기

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

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

이고

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 이때 r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ 이때 }r\rightarrow 0

이므로

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

이다.

(b) x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

이고, (0,1)(0,1) 을 중심으로 하는 극좌표 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta 에서

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

이므로 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어 (x,y)(x,y) 를 직선 y=1y=1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=0\theta=0 이므로 극한은 00 이고, (x,y)(x,y) 를 직선 y=x+1y=x+1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이므로 극한은 14\frac{1}{4} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

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

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

As

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 as r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ as }r\rightarrow 0

we have

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

(b) Since

x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

and, in polar coordinates centred on (0,1)(0,1), x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta,

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

we have that the limit does not exist. For example, if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=1y=1, so that θ=0\theta=0, we get the limit 00, while if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=x+1y=x+1, so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, we get the limit 14\frac{1}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 8번
# 다변수함수의 극한과 연속증명·논술도전자동 분류
2.CLP-3 · 2.1절 · 11번대학 수준우리말 번역

다음 극한을 구하거나, 존재하지 않는 이유를 설명하세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4} (d) lim⁡(x,y)→(0,0)∣y∣x\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x

영어 원문 보기

Compute the following limits or explain why they do not exist.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4} (d) lim⁡(x,y)→(0,0)∣y∣x\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}|y|^x

정답·풀이 보기

(a) 극좌표에서

xyx2+y2=r2cos⁡θsin⁡θr2=cos⁡θsin⁡θ\frac{xy}{x^2+y^2}=\frac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r^2} =\cos\theta\sin\theta

이므로 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어,

  • (x,y)(x,y) 를 양의 xx 축을 따라 (0,0)(0,0) 으로 보내면 θ=0\theta=0 이므로 극한 sin⁡θcos⁡θ∣θ=0=0\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=0}=0 을 얻고,
  • 제1사분면에서 직선 y=xy=x 를 따라 (x,y)(x,y) 를 (0,0)(0,0) 으로 보내면 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이므로 극한 sin⁡θcos⁡θ∣θ=π/4=12\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=\pi/4}=\frac{1}{2} 을 얻는다.

(b) 이 극한이 존재한다고 하면 극한

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) sin⁡(xy)x2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}

도 존재해야 하므로 이 극한은 존재하지 않는다. (lim⁡t→0sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{t\rightarrow 0}\tfrac{\sin t}{t} =1 임을 떠올리세요.)

(c)

lim⁡(x,y)→(−1,1)[x2+2xy2+y4]=(−1)2+2(−1)(1)2+(1)4=0lim⁡(x,y)→(−1,1)[1+y4]=1+(1)4=2\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[x^2+2xy^2+y^4\big] &=(-1)^2+2(-1)(1)^2+(1)^4=0 \\ \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[1+y^4\big] &=1+(1)^4=2 \end{aligned}

이고 두 번째 극한이 0이 아니므로

lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4=02=0\lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}=\frac{0}{2}=0

이다.

(d) 양의 xx 축을 따른 극한

lim⁡t→0t>0∣y∣x∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t>00t=lim⁡t→0t>00=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}|y|^x\Big|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0^t =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0 =0

과 yy 축을 따른 극한

lim⁡t→0∣y∣x∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→0∣t∣0=lim⁡t→01=1\lim_{t\rightarrow 0}|y|^x\Big|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}|t|^0 =\lim_{t\rightarrow 0}1 =1

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

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since, in polar coordinates,

xyx2+y2=r2cos⁡θsin⁡θr2=cos⁡θsin⁡θ\frac{xy}{x^2+y^2}=\frac{r^2\cos\theta\sin\theta}{r^2} =\cos\theta\sin\theta

we have that the limit does not exist. For example,

  • if we send (x,y)(x,y) to (0,0)(0,0) along the positive xx-axis, so that θ=0\theta=0, we get the limit sin⁡θcos⁡θ∣θ=0=0\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=0}=0,
  • while if we send (x,y)(x,y) to (0,0)(0,0) along the line y=xy=x in the first quadrant, so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, we get the limit sin⁡θcos⁡θ∣θ=π/4=12\sin\theta\cos\theta\big|_{\theta=\pi/4}=\frac{1}{2}.

(b) This limit does not exist, since if it were to exist the limit

lim⁡(x,y)→(0,0)xyx2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) sin⁡(xy)x2+y2=lim⁡(x,y)→(0,0)xysin⁡(xy) lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(xy)x2+y2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \frac{\sin(xy)}{x^2+y^2} =\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{xy}{\sin(xy)}\ \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\frac{\sin(xy)}{x^2+y^2}

would also exist. (Recall that lim⁡t→0sin⁡tt=1\displaystyle \lim_{t\rightarrow 0}\tfrac{\sin t}{t} =1.)

(c) Since

lim⁡(x,y)→(−1,1)[x2+2xy2+y4]=(−1)2+2(−1)(1)2+(1)4=0lim⁡(x,y)→(−1,1)[1+y4]=1+(1)4=2\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[x^2+2xy^2+y^4\big] &=(-1)^2+2(-1)(1)^2+(1)^4=0 \\ \lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\big[1+y^4\big] &=1+(1)^4=2 \end{aligned}

and the second limit is nonzero,

lim⁡(x,y)→(−1,1)x2+2xy2+y41+y4=02=0\lim_{(x,y)\rightarrow(-1,1)}\frac{x^2+2xy^2+y^4}{1+y^4}=\frac{0}{2}=0

(d) Since the limit along the positive xx-axis

lim⁡t→0t>0∣y∣x∣(x,y)=(t,0)=lim⁡t→0t>00t=lim⁡t→0t>00=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}|y|^x\Big|_{(x,y)=(t,0)} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0^t =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{t\rightarrow 0}{t>0}}0 =0

and the limit along the yy-axis

lim⁡t→0∣y∣x∣(x,y)=(0,t)=lim⁡t→0∣t∣0=lim⁡t→01=1\lim_{t\rightarrow 0}|y|^x\Big|_{(x,y)=(0,t)} =\lim_{t\rightarrow 0}|t|^0 =\lim_{t\rightarrow 0}1 =1

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.2절 · 1번
# 다변수함수의 극한과 연속계산도전자동 분류