문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

로피탈 정리

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CLP-1 · 3.7절 · 15번대학 수준우리말 번역

lim⁡x→0sin⁡(x3+3x2)sin⁡2x\lim\limits_{x\rightarrow 0}\dfrac{\sin(x^3+3x^2)}{\sin^2x} 의 값을 구하세요.

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Evaluate lim⁡x→0sin⁡(x3+3x2)sin⁡2x\lim\limits_{x\rightarrow 0}\dfrac{\sin(x^3+3x^2)}{\sin^2x}.

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x=0x=0 을 대입하면 분자와 분모가 모두 0이 된다. 따라서 로피탈의 법칙을 적용할 수 있는 부정형 중 하나이다.

lim⁡x→0sin⁡(x3+3x2)sin⁡2x⏟num→0den→0=lim⁡x→0(3x2+6x)cos⁡(x3+3x2)2sin⁡xcos⁡xx=0 을 대입해도 여전히 분자와 분모가 모두 0으로 간다. 로피탈의 법칙을 한 번 더 적용할 수도 있다. 그러나 도함수가 다소 복잡해지므로, 극한의 성질을 이용하여 분수를 두 분수의 곱으로 나눈다. 두 극한이 모두 존재하면:lim⁡x→0(3x2+6x)cos⁡(x3+3x2)2sin⁡xcos⁡x=(lim⁡x→0x2+2xsin⁡x)⋅(lim⁡x→03cos⁡(x3+3x2)2cos⁡x)오른쪽 극한은 x=0 을 그대로 대입하여 구할 수 있다:=32lim⁡x→0x2+2xsin⁡x⏟num→0den→0=32lim⁡x→02x+2cos⁡x=32(21)=3\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{\sin(x^3+3x^2)}{\sin^2x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} &= \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{(3x^2+6x)\cos(x^3+3x^2)}{2\sin x\cos x} \\ \text{$x=0$ 을 대입해도 여전히 분자와 분모가 모두 0으로 간다. 로피탈의 법칙을 한 번 더 적용할 수도 있다. 그러나 도함수가 다소 복잡해지므로, 극한의 성질을 이용하여 분수를 두 분수의 곱으로 나눈다. 두 극한이 모두 존재하면:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{(3x^2+6x)\cos(x^3+3x^2)}{2\sin x\cos x}&=\left(\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{x^2+2x}{\sin x}\right)\cdot \left(\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{3\cos(x^3+3x^2)}{2\cos x}\right) \\ \text{오른쪽 극한은 $x=0$ 을 그대로 대입하여 구할 수 있다:} \\ &=\dfrac{3}{2}\lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{x^2+2x}{\sin x}}_ {\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} \\ &= \dfrac{3}{2}\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2x+2}{\cos x}\\ &=\frac{3}{2}\left(\frac{2}{1}\right)=3\end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If we plug in x=0x=0, both numerator and denominator become zero. So, we have exactly one of the indeterminate forms that l'Hopital's Rule applies to.

lim⁡x→0sin⁡(x3+3x2)sin⁡2x⏟num→0den→0=lim⁡x→0(3x2+6x)cos⁡(x3+3x2)2sin⁡xcos⁡xIf we plug in x=0, still we find that both the numerator and the denominator go to zero. We could jump in with another iteration of l’Hoˆpital’s Rule. However, the derivatives would be a little messy, so we use limit laws and break up the fraction into the product of two fractions. If both limits exist:lim⁡x→0(3x2+6x)cos⁡(x3+3x2)2sin⁡xcos⁡x=(lim⁡x→0x2+2xsin⁡x)⋅(lim⁡x→03cos⁡(x3+3x2)2cos⁡x)We can evaluate the right-hand limit by simply plugging in x=0:=32lim⁡x→0x2+2xsin⁡x⏟num→0den→0=32lim⁡x→02x+2cos⁡x=32(21)=3\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{\sin(x^3+3x^2)}{\sin^2x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} &= \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{(3x^2+6x)\cos(x^3+3x^2)}{2\sin x\cos x} \\ \text{If we plug in $x=0$, still we find that both the numerator and the denominator go to zero. We could jump in with another iteration of l'H\^opital's Rule. However, the derivatives would be a little messy, so we use limit laws and break up the fraction into the product of two fractions. If both limits exist:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{(3x^2+6x)\cos(x^3+3x^2)}{2\sin x\cos x}&=\left(\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{x^2+2x}{\sin x}\right)\cdot \left(\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{3\cos(x^3+3x^2)}{2\cos x}\right) \\ \text{We can evaluate the right-hand limit by simply plugging in $x=0$:} \\ &=\dfrac{3}{2}\lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{x^2+2x}{\sin x}}_ {\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} \\ &= \dfrac{3}{2}\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2x+2}{\cos x}\\ &=\frac{3}{2}\left(\frac{2}{1}\right)=3\end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.7절 · 14번우리말 번역

lim⁡x→∞2x2+1−x2+x\displaystyle \lim_{x \to \infty}\sqrt{2x^2+1}-\sqrt{x^2+x} 의 값을 구하세요.

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lim⁡x→∞2x2+1−x2+x\displaystyle \lim_{x \to \infty}\sqrt{2x^2+1}-\sqrt{x^2+x} 은 ∞−∞\infty - \infty 꼴의 부정형이다. 상황을 더 잘 파악하기 위해 유리화해 보자.

lim⁡x→∞2x2+1−x2+x=lim⁡x→∞(2x2+1−x2+x)(2x2+1+x2+x2x2+1+x2+x)=lim⁡x→∞(2x2+1)−(x2+x)2x2+1+x2+x=lim⁡x→∞x2−x+12x2+1+x2+x여기서 ∞∞ 꼴의 부정형이므로 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 그러나 여기에 적용하려 하면 식이 금방 매우 복잡해진다. 대신 이전에 이런 꼴의 극한을 어떻게 처리했는지 떠올려 보자. 분모의 최고차항인 x 로 묶어 낸다.=lim⁡x→∞x(x−1+1x)x2(2+1x2)+x2(1+1x)=lim⁡x→∞x(x−1+1x)x(2+1x2+1+1x)=lim⁡x→∞x−1+1x2+1x2+1+1x⏟num→∞den→2+1=∞\begin{aligned} \lim_{x \to \infty}\sqrt{2x^2+1}-\sqrt{x^2+x}&= \lim_{x \to \infty}\left(\sqrt{2x^2+1}-\sqrt{x^2+x}\right)\left( \frac{\sqrt{2x^2+1}+\sqrt{x^2+x}}{\sqrt{2x^2+1}+\sqrt{x^2+x}}\right)\\ &=\lim_{x \to \infty} \frac{(2x^2+1)-(x^2+x)}{\sqrt{2x^2+1}+\sqrt{x^2+x}}= \lim_{x \to \infty} \frac{x^2-x+1}{\sqrt{2x^2+1}+\sqrt{x^2+x}} \\ \text{여기서 $\frac{\infty}{\infty}$ 꼴의 부정형이므로 로피탈의 정리를 쓸 수 있다. 그러나 여기에 적용하려 하면 식이 금방 매우 복잡해진다. 대신 이전에 이런 꼴의 극한을 어떻게 처리했는지 떠올려 보자. 분모의 최고차항인 $x$ 로 묶어 낸다.} \\ &=\lim_{x \to \infty} \frac{x\left(x-1+\frac{1}{x}\right)}{\sqrt{x^2(2+\frac{1}{x^2})}+\sqrt{x^2(1+\frac{1}{x})}}\\ &=\lim_{x \to \infty} \frac{x\left(x-1+\frac{1}{x}\right)}{x\left(\sqrt{2+\frac{1}{x^2}}+\sqrt{1+\frac{1}{x}}\right)}\\ &=\lim_{x \to \infty} \underbrace{\frac{x-1+\frac{1}{x}}{\sqrt{2+\frac{1}{x^2}}+\sqrt{1+\frac{1}{x}}}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to \sqrt{2}+1}}\\ &=\infty \end{aligned}

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