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.

66문제 · 4 / 4쪽

61.APEX · 12.2절 · 18번대학 수준우리말 번역

연습문제 15–20에서 극한이 주어져 있습니다. 주어진 경로를 따라 극한을 구한 다음, 이 결과로부터 주어진 극한이 존재하지 않는 이유를 설명하세요.

lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y}

(a) 경로 y=mxy=mx 를 따라. (b) 경로 y=x2y=x^2 을 따라.

영어 원문 보기

In Exercises 15–20, a limit is given. Evaluate the limit along the paths given, then state why these results show the given limit does not exist.

lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y\displaystyle \lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y}

(a) Along the path y=mxy=mx. (b) Along the path y=x2y=x^2.

정답·풀이 보기

(a) y=mxy=mx 를 따라 극한은 다음과 같다.

lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y=lim⁡x→0sin⁡(x2)mx로피탈의 정리를 적용한다=lim⁡x→02xcos⁡(x2)m=0.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y} & = \lim_{x\to 0} \frac{\sin(x^2)}{mx} \\ \text{로피탈의 정리를 적용한다} \\ &= \lim_{x\to 0} \frac{2x\cos(x^2)}{m}\\ &= 0. \end{aligned} (b) x=0x=0 을 따라 극한은 다음과 같다. lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y=lim⁡x→0sin⁡(x2)x2.\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin(x^2)}{x^2}. 이 극한은 로피탈의 정리 또는 알려진 극한으로 구할 수 있으며, 그 값은 1이다.

직선 y=mxy=mx 를 따른 극한이 y=x2y=x^2 을 따른 극한과 같지 않으므로, 전체 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Along y=mxy=mx, the limit is:

lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y=lim⁡x→0sin⁡(x2)mxapply L’Hoˆpital’s Rule=lim⁡x→02xcos⁡(x2)m=0.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y} & = \lim_{x\to 0} \frac{\sin(x^2)}{mx} \\ \text{apply L'H\^opital's Rule} \\ &= \lim_{x\to 0} \frac{2x\cos(x^2)}{m}\\ &= 0. \end{aligned} (b) Along x=0x=0, the limit is: lim⁡(x,y)→(0,0)sin⁡(x2)y=lim⁡x→0sin⁡(x2)x2.\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{\sin(x^2)}{y} = \lim_{x\to 0} \frac{\sin(x^2)}{x^2}. This can be evaluated with L'Hopital's Rule or from known limits; it is 1.

Since the limits along the lines y=mxy=mx are not the same as the limit along y=x2y=x^2, the overall limit does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 1번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
62.APEX · 12.2절 · 19번대학 수준우리말 번역

연습문제 15–20에서 극한이 주어져 있습니다. 주어진 경로를 따라 극한을 구한 다음, 이 결과로부터 주어진 극한이 존재하지 않는 이유를 설명하세요.

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1\displaystyle \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1}

(a) 경로 y=2y=2 를 따라. (b) 경로 y=x+1y=x+1 을 따라.

영어 원문 보기

In Exercises 15–20, a limit is given. Evaluate the limit along the paths given, then state why these results show the given limit does not exist.

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1\displaystyle \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1}

(a) Along the path y=2y=2. (b) Along the path y=x+1y=x+1.

정답·풀이 보기

(a) y=2y=2 를 따라 극한은 다음과 같다.

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1=lim⁡x→1x−1x2−1=lim⁡x→11x+1=1/2.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1} & = \lim_{x\to 1} \frac{x-1}{x^2-1}\\ &= \lim_{x\to 1} \frac{1}{x+1}\\ &= 1/2. \end{aligned} (b) y=x+1y=x+1 을 따라 극한은 다음과 같다.

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1=lim⁡x→12(x−1)x2−1=lim⁡x→12x+1=1.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1} & = \lim_{x\to 1} \frac{2(x-1)}{x^2-1}\\ &= \lim_{x\to 1} \frac{2}{x+1}\\ &= 1. \end{aligned}

직선 y=2y=2 와 y=x+1y=x+1 을 따른 극한이 서로 다르므로, 전체 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Along y=2y=2, the limit is:

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1=lim⁡x→1x−1x2−1=lim⁡x→11x+1=1/2.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1} & = \lim_{x\to 1} \frac{x-1}{x^2-1}\\ &= \lim_{x\to 1} \frac{1}{x+1}\\ &= 1/2. \end{aligned} (b) Along y=x+1y=x+1, the limit is:

lim⁡(x,y)→(1,2)x+y−3x2−1=lim⁡x→12(x−1)x2−1=lim⁡x→12x+1=1.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(1,2)} \frac{x+y-3}{x^2-1} & = \lim_{x\to 1} \frac{2(x-1)}{x^2-1}\\ &= \lim_{x\to 1} \frac{2}{x+1}\\ &= 1. \end{aligned}

Since the limits along the lines y=2y=2 and y=x+1y=x+1 differ, the overall limit does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.2절 · 14번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
63.APEX · 12.2절 · 20번대학 수준우리말 번역

연습문제 15–20에서 극한이 주어져 있습니다. 주어진 경로를 따라 극한을 구한 다음, 이 결과로부터 주어진 극한이 존재하지 않는 이유를 설명하세요.

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y\displaystyle \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y}

(a) 경로 x=πx=\pi 를 따라. (b) 경로 y=x−π/2y=x-\pi/2 를 따라.

영어 원문 보기

In Exercises 15–20, a limit is given. Evaluate the limit along the paths given, then state why these results show the given limit does not exist.

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y\displaystyle \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y}

(a) Along the path x=πx=\pi. (b) Along the path y=x−π/2y=x-\pi/2.

정답·풀이 보기

(a) x=πx=\pi 를 따라 극한은 다음과 같다.

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y=lim⁡y→π/20cos⁡y=0.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y} & = \lim_{y\to \pi/2} \frac{0}{\cos y}\\ &= 0. \end{aligned} (b) y=x−π/2y=x-\pi/2 를 따라 극한은 다음과 같다.

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y=lim⁡x→πsin⁡xcos⁡(x−π/2)로피탈의 정리를 적용한다:=lim⁡x→πcos⁡x−sin⁡(x−π/2)=1.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y} & = \lim_{x\to \pi} \frac{\sin x}{\cos(x-\pi/2)}\\ \text{로피탈의 정리를 적용한다:} \\ &= \lim_{x\to \pi} \frac{\cos x}{-\sin(x-\pi/2)}\\ &= 1. \end{aligned}

직선 x=πx=\pi 와 y=x−πy=x-\pi 를 따른 극한이 서로 다르므로, 전체 극한은 존재하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Along x=πx=\pi, the limit is:

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y=lim⁡y→π/20cos⁡y=0.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y} & = \lim_{y\to \pi/2} \frac{0}{\cos y}\\ &= 0. \end{aligned} (b) Along y=x−π/2y=x-\pi/2, the limit is:

lim⁡(x,y)→(π,π/2)sin⁡xcos⁡y=lim⁡x→πsin⁡xcos⁡(x−π/2)Apply L’Hoˆpital’s Rule:=lim⁡x→πcos⁡x−sin⁡(x−π/2)=1.\begin{aligned} \lim_{(x,y)\to(\pi,\pi/2)} \frac{\sin x}{\cos y} & = \lim_{x\to \pi} \frac{\sin x}{\cos(x-\pi/2)}\\ \text{Apply L'H\^opital's Rule:} \\ &= \lim_{x\to \pi} \frac{\cos x}{-\sin(x-\pi/2)}\\ &= 1. \end{aligned}

Since the limits along the lines x=πx=\pi and y=x−πy=x-\pi differ, the overall limit does not exist.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.2절 · 6번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
64.CLP-3 · 2.1절 · 3번대학 수준우리말 번역

f(x,y)=x2x2+y2f(x,y)=\dfrac{x^2}{x^2+y^2} 이라 하자.

(a) 원점에 접근하는 반직선 중 그 위에서 f(x,y)=1f(x,y)=1 인 것을 구하세요. (b) 원점에 접근하는 반직선 중 그 위에서 f(x,y)=0f(x,y)=0 인 것을 구하세요. (c) 위의 결과는 f(x,y)f(x,y) 의 극한에 대해 무엇을 보여 주는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(x,y)=x2x2+y2f(x,y)=\dfrac{x^2}{x^2+y^2}.

(a) Find a ray approaching the origin along which f(x,y)=1f(x,y)=1. (b) Find a ray approaching the origin along which f(x,y)=0f(x,y)=0. (c) What does the above work show about a limit of f(x,y)f(x,y)?

정답·풀이 보기

(a) 살펴보면, y=0y=0 일 때 x≠0x \neq 0 이기만 하면 f(x,y)=1f(x,y)=1 이다. 따라서 xx 축을 따라 원점으로 접근하면 이 경로 위에서 f(x,y)=1f(x,y)=1 이다. (b) 마찬가지로 살펴보면, x=0x=0 일 때 y≠0y \neq 0 이기만 하면 f(x,y)=0f(x,y)=0 이다. 따라서 yy 축을 따라 원점으로 접근하면 이 경로 위에서 f(x,y)=0f(x,y)=0 이다. (c) 원점에 접근하는 서로 다른 두 방향이 서로 다른 값을 주므로 lim⁡(x,y)→(0,0)f(x,y)\lim\limits_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y) 는 존재하지 않는다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) By inspection, when y=0y=0, then f(x,y)=1f(x,y)=1 as long as x≠0x \neq 0. So, if we follow the xx-axis in towards the origin, f(x,y)=1f(x,y)=1 along this route. (b) Also by inspection, when x=0x=0, then f(x,y)=0f(x,y)=0 as long as y≠0y \neq 0. So, if we follow the yy-axis in towards the origin, f(x,y)=0f(x,y)=0 along this route. (c) Since two different directions give us different values as we approach the origin, lim⁡(x,y)→(0,0)f(x,y)\lim\limits_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y) does not exist.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 7번
# 다변수함수의 극한과 연속계산기본자동 분류
65.CLP-3 · 2.1절 · 6번대학 수준우리말 번역

가능하다면 다음 극한값을 구하세요.

(a) lim⁡(x,y)→(2,−1) (xy+x2)\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big) (b) lim⁡(x,y)→(0,0) xx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(0,0) x2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2} (d) lim⁡(x,y)→(0,0) x3x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2} (e) lim⁡(x,y)→(0,0) x2y2x2+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4} (f) lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy}

영어 원문 보기

Evaluate, if possible,

(a) lim⁡(x,y)→(2,−1) (xy+x2)\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big) (b) lim⁡(x,y)→(0,0) xx2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2} (c) lim⁡(x,y)→(0,0) x2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2} (d) lim⁡(x,y)→(0,0) x3x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2} (e) lim⁡(x,y)→(0,0) x2y2x2+y4\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4} (f) lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy}

정답·풀이 보기

(a) lim⁡(x,y)→(2,−1) (xy+x2)=2(−1)+22=2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big)=2(-1)+2^2=2

(b) 극좌표로 바꾸면,

lim⁡(x,y)→(0,0) xx2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π rcos⁡θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π cos⁡θr\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r\cos\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{\cos\theta}{r} \end{aligned}

이 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어,

  • θ=0\theta=0 이면,

lim⁡r→0+θ=0 cos⁡θr=lim⁡r→0+ 1r=+∞\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=0}}\ \frac{\cos\theta}{r} =\lim_{r\rightarrow0^+}\ \frac{1}{r} =+\infty

  • 반면 θ=π\theta=\pi 이면,

lim⁡r→0+θ=π cos⁡θr=lim⁡r→0+ −1r=−∞\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=\pi}}\ \frac{\cos\theta}{r} =\lim_{r\rightarrow0^+}\ \frac{-1}{r} =-\infty

이기 때문이다.

(c) 극좌표로 바꾸면,

lim⁡(x,y)→(0,0) x2x2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2cos⁡2θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π cos⁡2θ\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^2\cos^2\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \cos^2\theta \end{aligned}

이 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어,

  • θ=0\theta=0 이면,

lim⁡r→0+θ=0 cos⁡2θ=lim⁡r→0+ 1=1\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=0}}\ \cos^2\theta =\lim_{r\rightarrow0^+}\ 1 = 1

  • 반면 θ=π2\theta=\frac{\pi}{2} 이면,

lim⁡r→0+θ=π/2 cos⁡2θ=lim⁡r→0+ 0=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=\pi/2}}\ \cos^2\theta =\lim_{r\rightarrow0^+}\ 0 =0

이기 때문이다.

(d) 극좌표로 바꾸면,

lim⁡(x,y)→(0,0) x3x2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π r3cos⁡3θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π rcos⁡3θ=0\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^3\cos^3\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ r\cos^3\theta =0 \end{aligned}

모든 θ\theta 에 대해 ∣cos⁡θ∣≤1|\cos\theta|\le 1 이기 때문이다.

(e) 극좌표로 바꾸면,

lim⁡(x,y)→(0,0) x2y2x2+y4=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2cos⁡2θ r2sin⁡2θr2cos⁡2θ+r4sin⁡4θ=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2sin⁡2θcos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=0\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^2\cos^2\theta\ r^2\sin^2\theta} {r^2\cos^2\theta+r^4\sin^4\theta} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ r^2\sin^2\theta \frac{\cos^2\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} \\ &= 0 \end{aligned}

여기서 모든 r>0r>0 에 대해 다음이 성립함을 이용하였다.

∣sin⁡2θcos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ∣≤cos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ≤{cos⁡2θcos⁡2θ(cos⁡θ≠0 일 때)0(cos⁡θ=0 일 때)}≤1\left|\sin^2\theta\frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta}\right| \le \frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} \le \left.\begin{cases} \frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta}&\text{(}\cos\theta\ne 0\text{ 일 때)}\\ 0 &\text{(}\cos\theta =0\text{ 일 때)}\end{cases} \right\} \le 1

(f) 먼저 다음을 관찰하자.

lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy=[lim⁡x→0 sin⁡xx][lim⁡y→0 ey−1y]\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy} =\left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] \end{aligned}

[lim⁡x→0 sin⁡xx]\displaystyle \left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] 은 로피탈 법칙 또는 미분계수의 정의를 이용하여 구할 수 있으며, 다음과 같다.

lim⁡x→0 sin⁡xx=lim⁡x→0 sin⁡x−sin⁡0x−0=ddxsin⁡x∣x=0=cos⁡x∣x=0=1\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x} =\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x-\sin 0}{x-0} =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sin x\bigg|_{x=0} =\cos x\Big|_{x=0}=1

마찬가지로 [lim⁡y→0 ey−1y]\displaystyle \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] 도 로피탈 법칙 또는 미분계수의 정의를 이용하여 구할 수 있으며, 다음과 같다.

lim⁡y→0 ey−1y=lim⁡y→0 ey−e0y−0=ddyey∣y=0=ey∣y=0=1\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y} =\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-e^0}{y-0} =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}e^y\bigg|_{y=0} =e^y\Big|_{y=0}=1

따라서 모두 합하면

lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy=[lim⁡x→0 sin⁡xx][lim⁡y→0 ey−1y]=[1] [1]=1\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy} =\left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] =[1]\ [1]=1 \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) lim⁡(x,y)→(2,−1) (xy+x2)=2(−1)+22=2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(2,-1)}\ \big(xy+x^2\big)=2(-1)+2^2=2

(b) Switching to polar coordinates,

lim⁡(x,y)→(0,0) xx2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π rcos⁡θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π cos⁡θr\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r\cos\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{\cos\theta}{r} \end{aligned}

which does not exist, since, for example,

  • if θ=0\theta=0, then

lim⁡r→0+θ=0 cos⁡θr=lim⁡r→0+ 1r=+∞\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=0}}\ \frac{\cos\theta}{r} =\lim_{r\rightarrow0^+}\ \frac{1}{r} =+\infty

  • while if θ=π\theta=\pi, then

lim⁡r→0+θ=π cos⁡θr=lim⁡r→0+ −1r=−∞\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=\pi}}\ \frac{\cos\theta}{r} =\lim_{r\rightarrow0^+}\ \frac{-1}{r} =-\infty

(c) Switching to polar coordinates,

lim⁡(x,y)→(0,0) x2x2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2cos⁡2θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π cos⁡2θ\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^2\cos^2\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \cos^2\theta \end{aligned}

which does not exist, since, for example,

  • if θ=0\theta=0, then

lim⁡r→0+θ=0 cos⁡2θ=lim⁡r→0+ 1=1\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=0}}\ \cos^2\theta =\lim_{r\rightarrow0^+}\ 1 = 1

  • while if θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, then

lim⁡r→0+θ=π/2 cos⁡2θ=lim⁡r→0+ 0=0\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{\theta=\pi/2}}\ \cos^2\theta =\lim_{r\rightarrow0^+}\ 0 =0

(d) Switching to polar coordinates,

lim⁡(x,y)→(0,0) x3x2+y2=lim⁡r→0+0≤θ<2π r3cos⁡3θr2=lim⁡r→0+0≤θ<2π rcos⁡3θ=0\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^3}{x^2+y^2} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^3\cos^3\theta}{r^2} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ r\cos^3\theta =0 \end{aligned}

since ∣cos⁡θ∣≤1|\cos\theta|\le 1 for all θ\theta.

(e) Switching to polar coordinates,

lim⁡(x,y)→(0,0) x2y2x2+y4=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2cos⁡2θ r2sin⁡2θr2cos⁡2θ+r4sin⁡4θ=lim⁡r→0+0≤θ<2π r2sin⁡2θcos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ=0\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}\ \frac{x^2y^2}{x^2+y^4} &=\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ \frac{r^2\cos^2\theta\ r^2\sin^2\theta} {r^2\cos^2\theta+r^4\sin^4\theta} =\lim_{\genfrac{}{}{0pt}{}{r\rightarrow0^+}{0\le\theta<2\pi}}\ r^2\sin^2\theta \frac{\cos^2\theta}{\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} \\ &= 0 \end{aligned}

Here, we used that

∣sin⁡2θcos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ∣≤cos⁡2θcos⁡2θ+r2sin⁡4θ≤{cos⁡2θcos⁡2θ if cos⁡θ≠00 if cos⁡θ=0}≤1\left|\sin^2\theta\frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta}\right| \le \frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta+r^2\sin^4\theta} \le \left.\begin{cases} \frac{\cos^2\theta} {\cos^2\theta}&\text{ if }\cos\theta\ne 0 \\ 0 &\text { if }\cos\theta =0 \end{cases} \right\} \le 1

for all r>0r>0.

(f) To start, observe that

lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy=[lim⁡x→0 sin⁡xx][lim⁡y→0 ey−1y]\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy} =\left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] \end{aligned}

We may evaluate [lim⁡x→0 sin⁡xx]\displaystyle \left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] by l'Hopital's rule or by using the definition of the derivative to give

lim⁡x→0 sin⁡xx=lim⁡x→0 sin⁡x−sin⁡0x−0=ddxsin⁡x∣x=0=cos⁡x∣x=0=1\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x} =\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x-\sin 0}{x-0} =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\sin x\bigg|_{x=0} =\cos x\Big|_{x=0}=1

Similarly, we may evaluate [lim⁡y→0 ey−1y]\displaystyle \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] by l'Hopital's rule or by using the definition of the derivative to give

lim⁡y→0 ey−1y=lim⁡y→0 ey−e0y−0=ddyey∣y=0=ey∣y=0=1\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y} =\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-e^0}{y-0} =\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}e^y\bigg|_{y=0} =e^y\Big|_{y=0}=1

So all together

lim⁡(x,y)→(0,0) (sin⁡x)(ey−1)xy=[lim⁡x→0 sin⁡xx][lim⁡y→0 ey−1y]=[1] [1]=1\begin{aligned} \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\ \frac{(\sin x)\left(e^y-1\right)}{xy} =\left[\lim_{x\rightarrow 0}\ \frac{\sin x}{x}\right] \left[\lim_{y\rightarrow 0}\ \frac{e^y-1}{y}\right] =[1]\ [1]=1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.2절 · 10번
# 다변수함수의 극한과 연속계산보통자동 분류
66.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