문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

로피탈 정리

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 3.2절 · 13번대학 수준우리말 번역

모든 x>0x > 0 에 대해 정의된 함수 g(x)=x2xg(x) = x^{2x} 를 생각하세요. lim⁡x→0+g(x)\lim_{x \to 0^+} g(x) 는 000^0 꼴이므로 부정형임을 확인하세요. (모든 k>0k > 0 에 대해 0k=00^k = 0 이고 모든 b≠0b \ne 0 에 대해 b0=1b^0 = 1 이지만, 두 규칙 모두 000^0 에는 적용할 수 없는 이유를 생각해 보세요.)

(a) h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)) 라 하세요. h(x)=2xln⁡(x)h(x) = 2x \ln(x) 인 이유를 설명하세요. (b) 다음으로, h(x)=2ln⁡(x)1xh(x) = \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}} 로 쓰는 것이 같은 식인 이유를 설명하세요. (c) 로피탈의 정리와 (b)의 결과를 이용하여 lim⁡x→0+h(x)\lim_{x \to 0^+} h(x) 의 값을 구하세요. (d) lim⁡x→0+h(x)\lim_{x \to 0^+} h(x) 의 값을 바탕으로 lim⁡x→0+g(x)\lim_{x \to 0^+} g(x) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function g(x)=x2xg(x) = x^{2x}, which is defined for all x>0x > 0. Observe that lim⁡x→0+g(x)\lim_{x \to 0^+} g(x) is indeterminate due to its form of 000^0. (Think about how we know that 0k=00^k = 0 for all k>0k > 0, while b0=1b^0 = 1 for all b≠0b \ne 0, but that neither rule can apply to 000^0.)

(a) Let h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)). Explain why h(x)=2xln⁡(x)h(x) = 2x \ln(x). (b) Next, explain why it is equivalent to write h(x)=2ln⁡(x)1xh(x) = \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}}. (c) Use L'Hôpital's Rule and your work in (b) to compute lim⁡x→0+h(x)\lim_{x \to 0^+} h(x). (d) Based on the value of lim⁡x→0+h(x)\lim_{x \to 0^+} h(x), determine lim⁡x→0+g(x)\lim_{x \to 0^+} g(x).

정답·풀이 보기

(a) h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)) 이고 g(x)=x2xg(x) = x^{2x} 이므로 h(x)=ln⁡(x2x)=2x⋅ln⁡(x) .h(x) = \ln(x^{2x}) = 2x \cdot \ln(x)\,. (b) x=(x−1)−1=11xx = (x^{-1})^{-1} = \frac{1}{\frac{1}{x}} 이므로 다음과 같이 쓸 수도 있다. h(x)=2ln⁡(x)1x .h(x) = \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}}\,. (c) x→0+x \to 0^+ 일 때 ln⁡(x)→−∞\ln(x) \to -\infty 이고 x→0+x \to 0^+ 일 때 1x→+∞\frac{1}{x} \to +\infty 이므로 lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2ln⁡(x)1x\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}} 은 로피탈의 정리를 적용할 수 있는 부정형이다. 로피탈의 정리를 적용하면 lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2ln⁡(x)1x=lim⁡x→0+2x−1x2\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{2}{x}}{-\frac{1}{x^2}} 식을 간단히 하면 lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2x⋅(−x21)=lim⁡x→0+(−2x)\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2}{x} \cdot \left(-\frac{x^2}{1}\right) = \lim_{x \to 0^+} (-2x) 따라서 lim⁡x→0+h(x)=0\lim_{x \to 0^+} h(x) = 0 이다. (d) lim⁡x→0+h(x)=0\lim_{x \to 0^+} h(x) = 0 임을 보였고 h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)) 이므로, x→0+x \to 0^+ 일 때 g(x)g(x) 의 자연로그는 00 에 가까워진다. ln⁡(1)=0\ln(1) = 0 이므로 g(x)g(x) 는 11 에 가까워져야 하고, 따라서 lim⁡x→0+g(x)=lim⁡x→0+x2x=1\lim_{x \to 0^+} g(x) = \lim_{x \to 0^+} x^{2x} = 1 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)) and we are given that g(x)=x2xg(x) = x^{2x}, it follows that h(x)=ln⁡(x2x)=2x⋅ln⁡(x) .h(x) = \ln(x^{2x}) = 2x \cdot \ln(x)\,. (b) Since x=(x−1)−1=11xx = (x^{-1})^{-1} = \frac{1}{\frac{1}{x}}, we can also write h(x)=2ln⁡(x)1x .h(x) = \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}}\,. (c) Since ln⁡(x)→−∞\ln(x) \to -\infty as x→0+x \to 0^+ and 1x→+∞\frac{1}{x} \to +\infty as x→0+x \to 0^+, we see that lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2ln⁡(x)1x\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}} is of an indeterminate form to which we can apply L'Hôpital's Rule. Doing so, lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2ln⁡(x)1x=lim⁡x→0+2x−1x2\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2\ln(x)}{\frac{1}{x}} = \lim_{x \to 0^+} \frac{\frac{2}{x}}{-\frac{1}{x^2}} Simplifying algebraically, lim⁡x→0+h(x)=lim⁡x→0+2x⋅(−x21)=lim⁡x→0+(−2x)\lim_{x \to 0^+} h(x) = \lim_{x \to 0^+} \frac{2}{x} \cdot \left(-\frac{x^2}{1}\right) = \lim_{x \to 0^+} (-2x) Hence, it follows that lim⁡x→0+h(x)=0\lim_{x \to 0^+} h(x) = 0. (d) Having shown that lim⁡x→0+h(x)=0\lim_{x \to 0^+} h(x) = 0 and recalling that h(x)=ln⁡(g(x))h(x) = \ln(g(x)), we know that as x→0+x \to 0^+, the natural log of g(x)g(x) tends to 00. Since ln⁡(1)=0\ln(1) = 0, it must be the case that g(x)g(x) is tending to 11, and thus lim⁡x→0+g(x)=lim⁡x→0+x2x=1\lim_{x \to 0^+} g(x) = \lim_{x \to 0^+} x^{2x} = 1

한 번 더 — 비슷한 문제Active Calculus · 3.2절 · 12번우리말 번역

다음 함수의 수직 점근선과 수평 점근선을 모두 구하세요.

R(x)=3(x−a)(x−b)5(x−a)(x−c) ,R(x) = \frac{3(x-a)(x-b)}{5(x-a)(x-c)}\,, 여기서 aa, bb, cc 는 서로 다른 임의의 상수이다. 또한 RR 가 연속이 아닌 xx 의 값을 모두 쓰세요. aa, bb, cc 의 값을 분명히 표시하여 RR 의 그래프의 가능한 모양을 그리세요.

다 풀었으면 정답 확인

먼저, RR 의 분자와 분모가 모두 이차식이므로 x→∞x \to \infty 일 때의 극한은 최고차항의 계수의 비로 구할 수 있다. 즉,

lim⁡x→∞R(x)=35\lim_{x \to \infty} R(x) = \frac{3}{5}

이므로 RR 의 수평 점근선은 y=35y = \frac{3}{5} 이다.

다음으로, bb 와 cc 가 서로 다르므로 x=bx = b 일 때 RR 의 분자는 0이고 (분모는 0이 아니고), 따라서 R(b)=0R(b) = 0 이다. 또한 x=cx = c 일 때 분모는 0이고 (분자는 0이 아니고), 이로 인해 x=cx = c 에 수직 점근선이 생긴다.

마지막으로, x=ax = a 는 분자와 분모를 모두 0으로 만든다. 따라서 R(a)R(a) 는 정의되지 않으므로 RR 의 그래프는 x=ax = a 에서 구멍이 있거나 수직 점근선을 가진다. 어느 쪽인지 판단하기 위해 극한을 계산하면

lim⁡x→a3(x−a)(x−b)5(x−a)(x−c)=lim⁡x→a3(x−b)5(x−c)=3(a−b)5(a−c) .\lim_{x \to a} \frac{3(x-a)(x-b)}{5(x-a)(x-c)} = \lim_{x \to a} \frac{3(x-b)}{5(x-c)} = \frac{3(a-b)}{5(a-c)}\,. 이는 RR 가 점 (a,3(a−b)5(a−c))(a, \frac{3(a-b)}{5(a-c)}) 에 구멍을 가짐을 나타낸다. 게다가 RR 는 x=ax = a 와 x=cx = c 에서 연속이 아니다.

RR 의 그래프의 가능한 모양은 다음 그림과 같다.

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