문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

로피탈 정리

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CLP-1 · 3.7절 · 20번대학 수준우리말 번역

lim⁡x→0cos⁡xx2\lim\limits_{x \to 0}\sqrt[x^2]{\cos x}의 값을 구하세요.

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Evaluate lim⁡x→0cos⁡xx2\lim\limits_{x \to 0}\sqrt[x^2]{\cos x}.

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lim⁡x→0cos⁡x=1\displaystyle \lim_{x \to 0} \cos x =1이고 lim⁡x→01x2=∞\displaystyle \lim_{x \to 0}\frac{1}{x^2}=\infty이므로 lim⁡x→0(cos⁡x)1x2\displaystyle \lim_{x \to 0}(\cos x)^{\frac{1}{x^2}} 은 1∞1^\infty 꼴의 부정형이다. 로피탈 정리를 쓰고 싶지만, 그러려면 함수를 분수 꼴의 부정형으로 바꿔야 한다. 그래서 로그를 사용한다.

y:=(cos⁡x)1x2log⁡y=log⁡((cos⁡x)1x2)=1x2log⁡(cos⁡x)=log⁡cos⁡xx2lim⁡x→0log⁡y=lim⁡x→0log⁡cos⁡xx2⏟num→0den→0=lim⁡x→0−sin⁡xcos⁡x2x=lim⁡x→0−tan⁡x2x⏟num→0den→0=lim⁡x→0−sec⁡2x2=lim⁡x→0−12cos⁡2x=−12따라서, lim⁡x→0y=lim⁡x→0elog⁡y=e−1/2=1e\begin{aligned} y:&=(\cos x)^{\frac{1}{x^2}}\\ \log y &= \log \left((\cos x)^{\frac{1}{x^2}}\right)=\frac{1}{x^2}\log(\cos x)=\frac{\log \cos x}{x^2}\\ \lim_{x \to 0}\log y &=\lim_{x \to 0}\underbrace{\frac{\log \cos x}{x^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{-\sin x}{\cos x}}{2x}= \lim_{x \to 0} \underbrace{\frac{-\tan x}{2x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} = \lim_{x \to 0}\frac{-\sec^2x}{2}\\ &=\lim_{x \to 0}\frac{-1}{2\cos^2 x}=-\frac{1}{2}\\ \text{따라서, } \lim_{x \to 0} y &=\lim_{x \to 0}e^{\log y}=e^{-1/2}=\frac{1}{\sqrt{e}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

lim⁡x→0cos⁡x=1\displaystyle \lim_{x \to 0} \cos x =1 and lim⁡x→01x2=∞\displaystyle \lim_{x \to 0}\frac{1}{x^2}=\infty, so lim⁡x→0(cos⁡x)1x2\displaystyle \lim_{x \to 0}(\cos x)^{\frac{1}{x^2}} has the indeterminate form 1∞1^\infty. We want to use l'Hopital, but we need to get our function into a fractional indeterminate form. So, we'll use a logarithm.

y:=(cos⁡x)1x2log⁡y=log⁡((cos⁡x)1x2)=1x2log⁡(cos⁡x)=log⁡cos⁡xx2lim⁡x→0log⁡y=lim⁡x→0log⁡cos⁡xx2⏟num→0den→0=lim⁡x→0−sin⁡xcos⁡x2x=lim⁡x→0−tan⁡x2x⏟num→0den→0=lim⁡x→0−sec⁡2x2=lim⁡x→0−12cos⁡2x=−12Therefore, lim⁡x→0y=lim⁡x→0elog⁡y=e−1/2=1e\begin{aligned} y:&=(\cos x)^{\frac{1}{x^2}}\\ \log y &= \log \left((\cos x)^{\frac{1}{x^2}}\right)=\frac{1}{x^2}\log(\cos x)=\frac{\log \cos x}{x^2}\\ \lim_{x \to 0}\log y &=\lim_{x \to 0}\underbrace{\frac{\log \cos x}{x^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} = \lim_{x \to 0} \frac{\frac{-\sin x}{\cos x}}{2x}= \lim_{x \to 0} \underbrace{\frac{-\tan x}{2x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to 0}} = \lim_{x \to 0}\frac{-\sec^2x}{2}\\ &=\lim_{x \to 0}\frac{-1}{2\cos^2 x}=-\frac{1}{2}\\ \text{Therefore, } \lim_{x \to 0} y &=\lim_{x \to 0}e^{\log y}=e^{-1/2}=\frac{1}{\sqrt{e}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.7절 · 19번우리말 번역

lim⁡x→0sin⁡2xx2\lim\limits_{x \to 0}\sqrt[x^2]{\sin^2 x}의 값을 구하세요.

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lim⁡x→0sin⁡2x=0\displaystyle \lim_{x \to 0} \sin^2 x = 0이고 lim⁡x→01x2=∞\displaystyle \lim_{x \to 0}\frac{1}{x^2}=\infty이므로 0∞0^\infty 꼴이다. (sin⁡2x\sin^2 x는 양수이므로 거듭제곱근이 정의된다.) 이는 부정형이 아니다: lim⁡x→0sin⁡2xx2=0\lim\limits_{x \to 0}\sqrt[x^2]{\sin^2 x}=0.

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