문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수함수의 극한과 연속

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

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 문제OpenStax 3권 · 4.2절 · 10번우리말 번역

다음 연습문제에서 x 와 yx\,\text{와}\,y 의 주어진 값에서 극한의 값을 구하세요. 극한이 존재하지 않으면, 존재하지 않는다고 쓰고 그 이유를 설명하세요.

lim⁡(x,y)→(2,5)(1x−5y)\lim_{(x,y)\to (2,5)}\left(\frac{1}{x}-\frac{5}{y}\right)

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