문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

로피탈 정리

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

CLP-1 · 3.7절 · 24번대학 수준우리말 번역

kk가 상수일 때, lim⁡x→0eksin⁡(x2)−(1+2x2)x4\lim\limits_{x\rightarrow 0}\dfrac{e^{k\sin(x^2)}-(1+2x^2)}{x^4} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→0eksin⁡(x2)−(1+2x2)x4\lim\limits_{x\rightarrow 0}\dfrac{e^{k\sin(x^2)}-(1+2x^2)}{x^4}, where kk is a constant.

정답·풀이 보기

가장 먼저 눈에 띄는 것은, kk 의 값에 관계없이 x=0x=0 을 대입하면 분자와 분모가 모두 0이 된다는 점이다. 이 사실을 이용하여 로피탈의 정리를 적용하자.

lim⁡x→0eksin⁡(x2)−(1+2x2)x4⏟num→0den→0=lim⁡x→02kxcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−4x4x3=lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2x=0 을 대입하면 분모는 0이 되고 분자는 2k−4 가 된다. 극한의 거동이 k 에 따라 달라지므로 경우를 나누어야 한다.k=2 일 때:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=lim⁡x→04cos⁡(x2)e2sin⁡(x2)−44x2⏟num→0den→0=lim⁡x→0−8xsin⁡(x2)e2sin⁡(x2)+16xcos⁡2(x2)e2sin⁡(x2)8x=lim⁡x→0[−sin⁡(x2)e2sin⁡(x2)+2cos⁡2(x2)e2sin⁡(x2)]=2k>2 일 때, 분자는 양의 상수인 2k−4 에 가까워지고 분모는 오른쪽에서 0 에 가까워지므로:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=∞k<2 일 때, 분자는 음의 상수인 2k−4 에 가까워지고 분모는 오른쪽에서 0 에 가까워지므로:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=−∞\begin{aligned} \lim\limits_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{e^{k\sin(x^2)}-(1+2x^2)}{x^4}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2kx\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4x}{4x^3}\\ &=\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2} \\ \text{$x=0$ 을 대입하면 분모는 0이 되고 분자는 $2k-4$ 가 된다. 극한의 거동이 $k$ 에 따라 달라지므로 경우를 나누어야 한다.} \\ \\ \text{$k=2$ 일 때:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= \lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{4\cos(x^2)e^{2\sin(x^2)}-4}{4x^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to0}}\\ &= \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{-8x\sin(x^2)e^{2\sin(x^2)} +16x\cos^2(x^2)e^{2\sin(x^2)}}{8x}\\ &= \lim_{x\rightarrow 0}\big[-\sin(x^2)e^{2\sin(x^2)} +2\cos^2(x^2)e^{2\sin(x^2)}\big]\\ &=2 \\ \text{$k>2$ 일 때, 분자는 양의 상수인 $2k-4$ 에 가까워지고 분모는 오른쪽에서 $0$ 에 가까워지므로:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= \infty \\ \text{$k<2$ 일 때, 분자는 음의 상수인 $2k-4$ 에 가까워지고 분모는 오른쪽에서 $0$ 에 가까워지므로:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= -\infty \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The first thing we notice is, regardless of kk, when we plug in x=0x=0 both numerator and denominator become zero. Let's use this fact, and apply l'Hopital's Rule.

lim⁡x→0eksin⁡(x2)−(1+2x2)x4⏟num→0den→0=lim⁡x→02kxcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−4x4x3=lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2When we plug in x=0, the denominator becomes 0, and the numerator becomes 2k−4. So, we’ll need some cases, because the behaviour of the limit depends on k.For k=2:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=lim⁡x→04cos⁡(x2)e2sin⁡(x2)−44x2⏟num→0den→0=lim⁡x→0−8xsin⁡(x2)e2sin⁡(x2)+16xcos⁡2(x2)e2sin⁡(x2)8x=lim⁡x→0[−sin⁡(x2)e2sin⁡(x2)+2cos⁡2(x2)e2sin⁡(x2)]=2For k>2, the numerator goes to 2k−4, which is a positive constant, while the denominator goes to 0 from the right, so:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=∞For k<2, the numerator goes to 2k−4, which is a negative constant, while the denominator goes to 0 from the right, so:lim⁡x→02kcos⁡(x2)eksin⁡(x2)−44x2=−∞\begin{aligned} \lim\limits_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{e^{k\sin(x^2)}-(1+2x^2)}{x^4}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2kx\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4x}{4x^3}\\ &=\lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2} \\ \text{When we plug in $x=0$, the denominator becomes 0, and the numerator becomes $2k-4$. So, we'll need some cases, because the behaviour of the limit depends on $k$.} \\ \\ \text{For $k=2$:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= \lim_{x\rightarrow 0}\underbrace{\dfrac{4\cos(x^2)e^{2\sin(x^2)}-4}{4x^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to0}{\mathrm{den}\to0}}\\ &= \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{-8x\sin(x^2)e^{2\sin(x^2)} +16x\cos^2(x^2)e^{2\sin(x^2)}}{8x}\\ &= \lim_{x\rightarrow 0}\big[-\sin(x^2)e^{2\sin(x^2)} +2\cos^2(x^2)e^{2\sin(x^2)}\big]\\ &=2 \\ \text{For $k>2$, the numerator goes to $2k-4$, which is a positive constant, while the denominator goes to $0$ from the right, so:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= \infty \\ \text{For $k<2$, the numerator goes to $2k-4$, which is a negative constant, while the denominator goes to $0$ from the right, so:} \\ \lim_{x\rightarrow 0}\dfrac{2k\cos(x^2)e^{k\sin(x^2)}-4}{4x^2}&= -\infty \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.7절 · 15번우리말 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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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}

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