예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 0/0 꼴 극한 계산
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{3x - \sin x}{x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1}{x}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1 - x/2}{x^2}$
  4. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3}$

풀이. 모두 $x \to 0$일 때 $0/0$ 꼴이므로 로피탈 정리를 적용한다.

(1) $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{3x - \sin x}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{3 - \cos x}{1} = 3 - 1 = 2$이다.

(2) $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{1/(2\sqrt{1+x})}{1} = \frac{1}{2}$이다.

(3) $f(x) = \sqrt{1+x} - 1 - x/2$, $g(x) = x^2$라 하면 $f(0) = g(0) = 0$이고, $f'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{1+x}} - \dfrac{1}{2}$, $g'(x) = 2x$도 $f'(0) = g'(0) = 0$이므로 로피탈 정리를 한 번 더 적용해야 한다. $f''(x) = -\dfrac{1}{4}(1+x)^{-3/2}$, $g''(x) = 2$이므로 $$\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1 - x/2}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{f''(x)}{g''(x)} = \frac{-1/4}{2} = -\frac{1}{8}$$ 이다.

(4) $f(x) = x - \sin x$, $g(x) = x^3$이라 하면 $f'(x) = 1 - \cos x$, $g'(x) = 3x^2$도 $0/0$ 꼴이고, $f''(x) = \sin x$, $g''(x) = 6x$도 $0/0$ 꼴이므로 로피탈 정리를 세 번 적용한다. $f'''(x) = \cos x$, $g'''(x) = 6$이므로 $$\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x}{6} = \frac{1}{6}$$ 이다.

English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{3x - \sin x}{x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1}{x}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1 - x/2}{x^2}$
  4. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3}$

Solution. Each limit is of the form $0/0$ as $x \to 0$, so we apply L'Hôpital's Rule.

(1) $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{3x - \sin x}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{3 - \cos x}{1} = 3 - 1 = 2$.

(2) $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1}{x} = \lim_{x \to 0} \frac{1/(2\sqrt{1+x})}{1} = \frac{1}{2}$.

(3) Let $f(x) = \sqrt{1+x} - 1 - x/2$ and $g(x) = x^2$. Then $f(0) = g(0) = 0$, and $f'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{1+x}} - \dfrac{1}{2}$, $g'(x) = 2x$ again give $f'(0) = g'(0) = 0$, so we apply L'Hôpital's Rule once more. Since $f''(x) = -\dfrac{1}{4}(1+x)^{-3/2}$ and $g''(x) = 2$, $$\lim_{x \to 0} \frac{\sqrt{1+x} - 1 - x/2}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{f''(x)}{g''(x)} = \frac{-1/4}{2} = -\frac{1}{8}.$$

(4) Let $f(x) = x - \sin x$ and $g(x) = x^3$. Since $f'(x) = 1 - \cos x$, $g'(x) = 3x^2$ is again $0/0$, and $f''(x) = \sin x$, $g''(x) = 6x$ is again $0/0$, we apply L'Hôpital's Rule three times. Since $f'''(x) = \cos x$ and $g'''(x) = 6$, $$\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x}{6} = \frac{1}{6}.$$

유제 01-1 삼각함수의 0/0 극한
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x + x^2}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} \frac{\sin x}{x^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0-} \frac{\sin x}{x^2}$

풀이.

(1) $x \to 0$일 때 $0/0$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x + x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{1 + 2x} = \frac{0}{1} = 0$$ 이다.

(2), (3) $x \to 0$일 때 $\sin x \to 0$이므로 $0/0$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x}{2x}$$ 인데, $x \to 0+$이면 분자 $\cos x \to 1 \gt 0$이고 분모 $2x \to 0+$이므로 극한은 $+\infty$이고, $x \to 0-$이면 분모 $2x \to 0-$이므로 극한은 $-\infty$이다. 따라서 $$\lim_{x \to 0+} \frac{\sin x}{x^2} = +\infty, \qquad \lim_{x \to 0-} \frac{\sin x}{x^2} = -\infty$$ 이다.

English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x + x^2}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} \frac{\sin x}{x^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0-} \frac{\sin x}{x^2}$

Solution.

(1) As $x \to 0$ this is of the form $0/0$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{x + x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{1 + 2x} = \frac{0}{1} = 0.$$

(2), (3) Since $\sin x \to 0$ as $x \to 0$, this is of the form $0/0$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\cos x}{2x}.$$ As $x \to 0+$, the numerator $\cos x \to 1 \gt 0$ while the denominator $2x \to 0+$, so the limit is $+\infty$; as $x \to 0-$, the denominator $2x \to 0-$, so the limit is $-\infty$. Hence $$\lim_{x \to 0+} \frac{\sin x}{x^2} = +\infty, \qquad \lim_{x \to 0-} \frac{\sin x}{x^2} = -\infty.$$

유제 01-2 ∞/∞ 꼴 극한
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x}{1 + \tan x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\sqrt{x}}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2}$

풀이.

(1) $x \to \pi/2$일 때 $\sec x \to \infty$, $1 + \tan x \to \infty$이므로 $\infty/\infty$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x}{1 + \tan x} = \lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x \tan x}{\sec^2 x} = \lim_{x \to \pi/2} \frac{\tan x}{\sec x} = \lim_{x \to \pi/2} \sin x = 1$$ 이다.

(2) $x \to \infty$일 때 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1/\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1}{\sqrt{x}} = 0$$ 이다.

(3) $x \to \infty$일 때 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리를 두 번 적용하면 $$\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2x} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2} = \infty$$ 이다.

English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x}{1 + \tan x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\sqrt{x}}$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2}$

Solution.

(1) As $x \to \pi/2$, both $\sec x \to \infty$ and $1 + \tan x \to \infty$, so this is of the form $\infty/\infty$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x}{1 + \tan x} = \lim_{x \to \pi/2} \frac{\sec x \tan x}{\sec^2 x} = \lim_{x \to \pi/2} \frac{\tan x}{\sec x} = \lim_{x \to \pi/2} \sin x = 1.$$

(2) As $x \to \infty$ this is of the form $\infty/\infty$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1/\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1}{\sqrt{x}} = 0.$$

(3) As $x \to \infty$ this is of the form $\infty/\infty$; applying L'Hôpital's Rule twice, $$\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2x} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2} = \infty.$$

유제 01-3 곱·차 꼴 부정형 극한
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \left(x \sin \frac{1}{x}\right)$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} \sqrt{x}\,\ln x$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \left(\frac{1}{\sin x} - \frac{1}{x}\right)$

풀이.

(1) $t = 1/x$로 치환하면 $x \to \infty$일 때 $t \to 0$이고 $0/0$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} x \sin \frac{1}{x} = \lim_{t \to 0} \frac{\sin t}{t} = \lim_{t \to 0} \frac{\cos t}{1} = 1$$ 이다.

(2) $0 \cdot (-\infty)$ 꼴이므로 $$\sqrt{x}\,\ln x = \frac{\ln x}{x^{-1/2}}$$ 로 바꾸면 $x \to 0+$일 때 $-\infty/\infty$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to 0+} \sqrt{x}\,\ln x = \lim_{x \to 0+} \frac{1/x}{-\frac12 x^{-3/2}} = \lim_{x \to 0+} (-2\sqrt{x}) = 0$$ 이다.

(3) $\infty - \infty$ 꼴이므로 통분하여 $$\frac{1}{\sin x} - \frac{1}{x} = \frac{x - \sin x}{x \sin x}$$ 로 바꾸면 $x \to 0$일 때 $0/0$ 꼴이다. 로피탈 정리를 두 번 적용하면 $$\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x \sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{\sin x + x\cos x} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{2\cos x - x \sin x} = \frac{0}{2} = 0$$ 이다.

English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \left(x \sin \frac{1}{x}\right)$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} \sqrt{x}\,\ln x$
  3. $\displaystyle\lim_{x \to 0} \left(\frac{1}{\sin x} - \frac{1}{x}\right)$

Solution.

(1) Substituting $t = 1/x$, as $x \to \infty$ we have $t \to 0$, and the limit is of the form $0/0$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} x \sin \frac{1}{x} = \lim_{t \to 0} \frac{\sin t}{t} = \lim_{t \to 0} \frac{\cos t}{1} = 1.$$

(2) This is of the form $0 \cdot (-\infty)$. Rewriting, $$\sqrt{x}\,\ln x = \frac{\ln x}{x^{-1/2}},$$ which is of the form $-\infty/\infty$ as $x \to 0+$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to 0+} \sqrt{x}\,\ln x = \lim_{x \to 0+} \frac{1/x}{-\frac12 x^{-3/2}} = \lim_{x \to 0+} (-2\sqrt{x}) = 0.$$

(3) This is of the form $\infty - \infty$. Combining the fractions, $$\frac{1}{\sin x} - \frac{1}{x} = \frac{x - \sin x}{x \sin x},$$ which is of the form $0/0$ as $x \to 0$. Applying L'Hôpital's Rule twice, $$\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x \sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{\sin x + x\cos x} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{2\cos x - x \sin x} = \frac{0}{2} = 0.$$

유제 01-4 지수 꼴 부정형 극한
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (1+x)^{1/x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} x^{1/x}$

풀이.

(1) $1^{\infty}$ 꼴이므로 $y = (1+x)^{1/x}$라 하면 $\ln y = \dfrac{\ln(1+x)}{x}$이고, $x \to 0+$일 때 $0/0$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to 0+} \ln y = \lim_{x \to 0+} \frac{1/(1+x)}{1} = 1$$ 이므로 $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (1+x)^{1/x} = e^1 = e$이다.

(2) $\infty^0$ 꼴이므로 $y = x^{1/x}$라 하면 $\ln y = \dfrac{\ln x}{x}$이고, $x \to \infty$일 때 $\infty/\infty$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \ln y = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1} = 0$$ 이므로 $\displaystyle\lim_{x \to \infty} x^{1/x} = e^0 = 1$이다.

English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (1+x)^{1/x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} x^{1/x}$

Solution.

(1) This is of the form $1^{\infty}$. Let $y = (1+x)^{1/x}$, so $\ln y = \dfrac{\ln(1+x)}{x}$, which is of the form $0/0$ as $x \to 0+$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to 0+} \ln y = \lim_{x \to 0+} \frac{1/(1+x)}{1} = 1,$$ so $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (1+x)^{1/x} = e^1 = e$.

(2) This is of the form $\infty^0$. Let $y = x^{1/x}$, so $\ln y = \dfrac{\ln x}{x}$, which is of the form $\infty/\infty$ as $x \to \infty$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \ln y = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1} = 0,$$ so $\displaystyle\lim_{x \to \infty} x^{1/x} = e^0 = 1$.

예제 02 극한이 0이 되는 계수 결정
한국어

$\displaystyle\lim_{x \to 0} \left(\frac{\tan 2x}{x^3} + \frac{a}{x^2} + \frac{\sin bx}{x}\right) = 0$이 성립하도록 하는 $a, b$를 구하시오.

풀이. $\tan u$의 매클로린 전개 $\tan u = u + \dfrac{u^3}{3} + O(u^5)$에서 $u = 2x$를 대입하면 $$\tan 2x = 2x + \frac{8x^3}{3} + O(x^5)$$ 이므로 $$\frac{\tan 2x}{x^3} = \frac{2}{x^2} + \frac{8}{3} + O(x^2)$$ 이다. 또한 $\sin bx = bx - \dfrac{b^3x^3}{6} + O(x^5)$이므로 $$\frac{\sin bx}{x} = b - \frac{b^3x^2}{6} + O(x^4)$$ 이다. 이를 모두 더하면 $$\frac{\tan 2x}{x^3} + \frac{a}{x^2} + \frac{\sin bx}{x} = \frac{2+a}{x^2} + \left(\frac{8}{3} + b\right) + O(x^2)$$ 이다. $x \to 0$일 때 이 값이 $0$으로 수렴하려면 $1/x^2$의 계수와 상수항이 모두 $0$이어야 하므로 $$2 + a = 0, \qquad \frac{8}{3} + b = 0$$ 을 얻는다. 따라서 $a = -2$, $b = -\dfrac{8}{3}$이다.

English

Find $a, b$ such that $\displaystyle\lim_{x \to 0} \left(\frac{\tan 2x}{x^3} + \frac{a}{x^2} + \frac{\sin bx}{x}\right) = 0$.

Solution. From the Maclaurin expansion $\tan u = u + \dfrac{u^3}{3} + O(u^5)$ with $u = 2x$, $$\tan 2x = 2x + \frac{8x^3}{3} + O(x^5),$$ so $$\frac{\tan 2x}{x^3} = \frac{2}{x^2} + \frac{8}{3} + O(x^2).$$ Also $\sin bx = bx - \dfrac{b^3x^3}{6} + O(x^5)$, so $$\frac{\sin bx}{x} = b - \frac{b^3x^2}{6} + O(x^4).$$ Adding all three terms, $$\frac{\tan 2x}{x^3} + \frac{a}{x^2} + \frac{\sin bx}{x} = \frac{2+a}{x^2} + \left(\frac{8}{3} + b\right) + O(x^2).$$ For this to converge to $0$ as $x \to 0$, both the coefficient of $1/x^2$ and the constant term must vanish: $$2 + a = 0, \qquad \frac{8}{3} + b = 0.$$ Hence $a = -2$ and $b = -\dfrac{8}{3}$.

유제 02-1 수평점근선 찾기
한국어

다음 함수의 수평점근선을 찾으시오.

  1. $y = x \tan \dfrac{1}{x}$
  2. $y = \dfrac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}}$

풀이.

(1) $t = 1/x$로 치환하면 $x \to \pm\infty$일 때 $t \to 0$이고 $0/0$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \pm\infty} x \tan \frac{1}{x} = \lim_{t \to 0} \frac{\tan t}{t} = \lim_{t \to 0} \frac{\sec^2 t}{1} = 1$$ 이다. 따라서 $x \to \infty$, $x \to -\infty$ 양쪽 모두 수평점근선은 $y = 1$이다.

(2) $x \to \infty$일 때 분자, 분모 모두 $\infty$로 발산하므로 로피탈 정리를 두 번 적용하면 $$\lim_{x \to \infty} \frac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{3 + 2e^{2x}}{2 + 3e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{4e^{2x}}{9e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{4}{9}e^{-x} = 0$$ 이다. $x \to -\infty$일 때는 $e^{2x} \to 0$, $e^{3x} \to 0$이므로 $$\lim_{x \to -\infty} \frac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}} = \lim_{x \to -\infty} \frac{3 + 2e^{2x}}{2 + 3e^{3x}} = \frac{3}{2}$$ 이다 (분자, 분모 모두 $-\infty$로 발산하므로 로피탈 정리를 적용했다). 따라서 $x \to \infty$일 때 수평점근선은 $y = 0$이고, $x \to -\infty$일 때 수평점근선은 $y = 3/2$이다.

English

Find the horizontal asymptotes of the following functions.

  1. $y = x \tan \dfrac{1}{x}$
  2. $y = \dfrac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}}$

Solution.

(1) Substituting $t = 1/x$, as $x \to \pm\infty$ we have $t \to 0$, and the limit is of the form $0/0$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \pm\infty} x \tan \frac{1}{x} = \lim_{t \to 0} \frac{\tan t}{t} = \lim_{t \to 0} \frac{\sec^2 t}{1} = 1.$$ Hence the horizontal asymptote is $y = 1$ both as $x \to \infty$ and as $x \to -\infty$.

(2) As $x \to \infty$, both the numerator and denominator diverge to $\infty$; applying L'Hôpital's Rule twice, $$\lim_{x \to \infty} \frac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{3 + 2e^{2x}}{2 + 3e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{4e^{2x}}{9e^{3x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{4}{9}e^{-x} = 0.$$ As $x \to -\infty$, $e^{2x} \to 0$ and $e^{3x} \to 0$, and since numerator and denominator both diverge to $-\infty$ we again apply L'Hôpital's Rule once to get $$\lim_{x \to -\infty} \frac{3x + e^{2x}}{2x + e^{3x}} = \lim_{x \to -\infty} \frac{3 + 2e^{2x}}{2 + 3e^{3x}} = \frac{3}{2}.$$ Hence the horizontal asymptote is $y = 0$ as $x \to \infty$, and $y = 3/2$ as $x \to -\infty$.

유제 02-2 지수함수의 연속과 최댓값
한국어

$f(x) = \begin{cases} (\sin x)^x & (x \gt 0) \\ a & (x = 0) \end{cases}$이라 하자.

  1. $y = f(x)$가 $x = 0$에서 연속이 되도록 하는 $a$의 값을 구하시오.
  2. $[0, \pi]$에서 $y = f(x)$의 최댓값을 구하시오.

풀이.

(1) $x \to 0+$일 때 $y = (\sin x)^x$의 극한을 구하자. $\ln y = x \ln \sin x$는 $0 \cdot (-\infty)$ 꼴이므로 $$\ln y = \frac{\ln \sin x}{1/x}$$ 로 바꾸면 $-\infty/\infty$ 꼴이다. 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to 0+} \ln y = \lim_{x \to 0+} \frac{\cot x}{-1/x^2} = \lim_{x \to 0+} \left(-x^2 \cot x\right) = \lim_{x \to 0+} \left(-x \cdot \frac{x}{\sin x} \cdot \cos x\right) = -0 \cdot 1 \cdot 1 = 0$$ 이다. 따라서 $\displaystyle\lim_{x \to 0+}(\sin x)^x = e^0 = 1$이므로, $y = f(x)$가 $x = 0$에서 연속이 되려면 $a = 1$이어야 한다.

(2) $x \in (0, \pi)$에서 $0 \lt \sin x \leq 1$이므로 $\ln \sin x \leq 0$이고, $x \gt 0$이므로 $$\ln f(x) = x \ln \sin x \leq 0$$ 이다. 즉 $f(x) \leq 1$이다. 등호는 $\ln \sin x = 0$, 즉 $\sin x = 1$일 때, 다시 말해 $x = \pi/2$일 때 성립한다 ($f(\pi/2) = 1^{\pi/2} = 1$). 한편 $x = \pi$에서는 $f(\pi) = 0^{\pi} = 0 \lt 1$이고, (1)에 의해 $f(0) = a = 1$이다. 따라서 $[0, \pi]$에서 $y = f(x)$의 최댓값은 $1$이고, $x = 0$과 $x = \pi/2$에서 이 값을 얻는다.

English

Let $f(x) = \begin{cases} (\sin x)^x & (x \gt 0) \\ a & (x = 0) \end{cases}$.

  1. Find the value of $a$ such that $y = f(x)$ is continuous at $x = 0$.
  2. Find the maximum value of $y = f(x)$ on $[0, \pi]$.

Solution.

(1) We find the limit of $y = (\sin x)^x$ as $x \to 0+$. Since $\ln y = x \ln \sin x$ is of the form $0 \cdot (-\infty)$, rewrite it as $$\ln y = \frac{\ln \sin x}{1/x},$$ which is of the form $-\infty/\infty$. By L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to 0+} \ln y = \lim_{x \to 0+} \frac{\cot x}{-1/x^2} = \lim_{x \to 0+} \left(-x^2 \cot x\right) = \lim_{x \to 0+} \left(-x \cdot \frac{x}{\sin x} \cdot \cos x\right) = -0 \cdot 1 \cdot 1 = 0.$$ Hence $\displaystyle\lim_{x \to 0+}(\sin x)^x = e^0 = 1$, so $y = f(x)$ is continuous at $x = 0$ exactly when $a = 1$.

(2) For $x \in (0, \pi)$ we have $0 \lt \sin x \leq 1$, so $\ln \sin x \leq 0$; since $x \gt 0$, $$\ln f(x) = x \ln \sin x \leq 0,$$ i.e., $f(x) \leq 1$. Equality holds when $\ln \sin x = 0$, i.e., $\sin x = 1$, which occurs at $x = \pi/2$ (where $f(\pi/2) = 1^{\pi/2} = 1$). Meanwhile at $x = \pi$ we have $f(\pi) = 0^{\pi} = 0 \lt 1$, and by part (1), $f(0) = a = 1$. Hence the maximum value of $y = f(x)$ on $[0, \pi]$ is $1$, attained at both $x = 0$ and $x = \pi/2$.

예제 03 코시 평균값 정리로 c 찾기
한국어

주어진 함수와 주어진 구간에서 코시의 평균값 정리를 만족하는 $c$를 찾으시오.

  1. $f(x) = x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (-2, 0)$
  2. $f(x) = x^3/3 - 4x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (0, 3)$

풀이. 코시의 평균값 정리에 의해 $\dfrac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \dfrac{f'(c)}{g'(c)}$를 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재한다.

(1) $f(x) = x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (-2, 0)$일 때 $$\frac{f(0) - f(-2)}{g(0) - g(-2)} = \frac{0 - (-2)}{0 - 4} = -\frac{1}{2}$$ 이고 $f'(c) = 1$, $g'(c) = 2c$이므로 $$\frac{1}{2c} = -\frac{1}{2}$$ 에서 $c = -1$이다. $c = -1 \in (-2, 0)$이므로 조건을 만족한다.

(2) $f(x) = x^3/3 - 4x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (0, 3)$일 때 $$\frac{f(3) - f(0)}{g(3) - g(0)} = \frac{(9 - 12) - 0}{9 - 0} = -\frac{1}{3}$$ 이고 $f'(c) = c^2 - 4$, $g'(c) = 2c$이므로 $$\frac{c^2 - 4}{2c} = -\frac{1}{3}$$ 에서 $3c^2 + 2c - 12 = 0$, 즉 $$c = \frac{-2 \pm \sqrt{4 + 144}}{6} = \frac{-1 \pm \sqrt{37}}{3}$$ 이다. 이 중 $(0, 3)$에 속하는 것은 $c = \dfrac{-1 + \sqrt{37}}{3}$ ($\approx 1.69$)뿐이다.

English

Find $c$ satisfying Cauchy's Mean Value Theorem for the given functions on the given interval.

  1. $f(x) = x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (-2, 0)$
  2. $f(x) = x^3/3 - 4x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (0, 3)$

Solution. By Cauchy's Mean Value Theorem, there exists $c \in (a, b)$ such that $\dfrac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \dfrac{f'(c)}{g'(c)}$.

(1) For $f(x) = x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (-2, 0)$, $$\frac{f(0) - f(-2)}{g(0) - g(-2)} = \frac{0 - (-2)}{0 - 4} = -\frac{1}{2},$$ and $f'(c) = 1$, $g'(c) = 2c$, so $$\frac{1}{2c} = -\frac{1}{2}$$ gives $c = -1$. Since $c = -1 \in (-2, 0)$, this satisfies the condition.

(2) For $f(x) = x^3/3 - 4x$, $g(x) = x^2$, $(a, b) = (0, 3)$, $$\frac{f(3) - f(0)}{g(3) - g(0)} = \frac{(9 - 12) - 0}{9 - 0} = -\frac{1}{3},$$ and $f'(c) = c^2 - 4$, $g'(c) = 2c$, so $$\frac{c^2 - 4}{2c} = -\frac{1}{3}$$ gives $3c^2 + 2c - 12 = 0$, i.e., $$c = \frac{-2 \pm \sqrt{4 + 144}}{6} = \frac{-1 \pm \sqrt{37}}{3}.$$ Of these, only $c = \dfrac{-1 + \sqrt{37}}{3}$ ($\approx 1.69$) lies in $(0, 3)$.

유제 03 곡선의 접선벡터와 평행
한국어

두 함수 $f, g, h : [a, b] \to \mathbb{R}$이 $[a, b]$에서 연속이고 $(a, b)$에서 미분가능하다고 하자.

  1. 평면곡선 $X(t) = (f(t), g(t))$에 대해 벡터 $X(b) - X(a)$와 평행하도록 하는 접선벡터 $X'(c) = (f'(c), g'(c))$, $a \lt c \lt b$가 존재함을 보이시오.
  2. 공간곡선 $X(t) = (f(t), g(t), h(t))$에 대해 벡터 $X(b) - X(a)$와 평행하도록 하는 접선벡터 $X'(c) = (f'(c), g'(c), h'(c))$, $a \lt c \lt b$가 항상 존재하지는 않음을 보이시오.

증명.

(1) $v = X(b) - X(a) = (f(b) - f(a),\, g(b) - g(a))$라 하고 $$\varphi(t) = f(t)\bigl(g(b) - g(a)\bigr) - g(t)\bigl(f(b) - f(a)\bigr)$$ 이라 하자. $\varphi$는 $[a, b]$에서 연속이고 $(a, b)$에서 미분가능하다. 계산하면 $$\varphi(a) = f(a)g(b) - f(a)g(a) - g(a)f(b) + g(a)f(a) = f(a)g(b) - g(a)f(b),$$ $$\varphi(b) = f(b)g(b) - f(b)g(a) - g(b)f(b) + g(b)f(a) = f(a)g(b) - g(a)f(b)$$ 이므로 $\varphi(a) = \varphi(b)$이다. 롤의 정리에 의해 $\varphi'(c) = 0$을 만족하는 $c \in (a, b)$가 존재하고, $$\varphi'(c) = f'(c)\bigl(g(b) - g(a)\bigr) - g'(c)\bigl(f(b) - f(a)\bigr) = 0$$ 이다. 이는 벡터 $X'(c) = (f'(c), g'(c))$와 $v = X(b) - X(a)$의 외적(스칼라)이 $0$임을 뜻하므로, $X'(c)$는 $v$와 평행하다.

(2) $f(t) = \cos t$, $g(t) = \sin t$, $h(t) = t$, $(a, b) = (0, 2\pi)$인 경우를 생각하자. 이들은 $[0, 2\pi]$에서 연속이고 $(0, 2\pi)$에서 미분가능하다. $$X(2\pi) - X(0) = (\cos 2\pi - \cos 0,\ \sin 2\pi - \sin 0,\ 2\pi - 0) = (0, 0, 2\pi)$$ 이므로 $X'(c) = (-\sin c, \cos c, 1)$이 $(0, 0, 2\pi)$와 평행하려면 $$-\sin c = 0, \qquad \cos c = 0$$ 이 동시에 성립해야 한다. 그러나 $\sin^2 c + \cos^2 c = 1$이므로 $\sin c = \cos c = 0$을 동시에 만족하는 $c$는 존재하지 않는다. 따라서 이 경우 $X'(c)$가 $X(b) - X(a)$와 평행하도록 하는 $c \in (a, b)$는 존재하지 않으며, 공간곡선에서는 그러한 $c$가 항상 존재하지는 않는다.

$\square$
English

Let two functions $f, g, h : [a, b] \to \mathbb{R}$ be continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$.

  1. For the plane curve $X(t) = (f(t), g(t))$, show that there exists a tangent vector $X'(c) = (f'(c), g'(c))$, $a \lt c \lt b$, parallel to the vector $X(b) - X(a)$.
  2. For the space curve $X(t) = (f(t), g(t), h(t))$, show that a tangent vector $X'(c) = (f'(c), g'(c), h'(c))$, $a \lt c \lt b$, parallel to the vector $X(b) - X(a)$ does not always exist.

Proof.

(1) Let $v = X(b) - X(a) = (f(b) - f(a),\, g(b) - g(a))$, and define $$\varphi(t) = f(t)\bigl(g(b) - g(a)\bigr) - g(t)\bigl(f(b) - f(a)\bigr).$$ Then $\varphi$ is continuous on $[a, b]$ and differentiable on $(a, b)$. Computing, $$\varphi(a) = f(a)g(b) - f(a)g(a) - g(a)f(b) + g(a)f(a) = f(a)g(b) - g(a)f(b),$$ $$\varphi(b) = f(b)g(b) - f(b)g(a) - g(b)f(b) + g(b)f(a) = f(a)g(b) - g(a)f(b),$$ so $\varphi(a) = \varphi(b)$. By Rolle's Theorem, there exists $c \in (a, b)$ with $\varphi'(c) = 0$, i.e., $$\varphi'(c) = f'(c)\bigl(g(b) - g(a)\bigr) - g'(c)\bigl(f(b) - f(a)\bigr) = 0.$$ This means the (scalar) cross product of $X'(c) = (f'(c), g'(c))$ and $v = X(b) - X(a)$ is $0$, so $X'(c)$ is parallel to $v$.

(2) Consider $f(t) = \cos t$, $g(t) = \sin t$, $h(t) = t$, $(a, b) = (0, 2\pi)$, which are continuous on $[0, 2\pi]$ and differentiable on $(0, 2\pi)$. Then $$X(2\pi) - X(0) = (\cos 2\pi - \cos 0,\ \sin 2\pi - \sin 0,\ 2\pi - 0) = (0, 0, 2\pi),$$ so for $X'(c) = (-\sin c, \cos c, 1)$ to be parallel to $(0, 0, 2\pi)$ we would need $$-\sin c = 0 \quad \text{and} \quad \cos c = 0$$ simultaneously. But since $\sin^2 c + \cos^2 c = 1$, no $c$ satisfies $\sin c = \cos c = 0$ at once. Hence no $c \in (a, b)$ makes $X'(c)$ parallel to $X(b) - X(a)$ in this case, so for space curves such a $c$ does not always exist.

$\square$
예제 04 함수의 증가율 비교
한국어

$x \to \infty$일 때 두 함수의 증가율을 비교하시오.

  1. $f(x) = e^x$, $g(x) = x^2$
  2. $f(x) = 3^x$, $g(x) = 2^x$
  3. $f(x) = x^2$, $g(x) = \ln x$
  4. $f(x) = \ln x$, $g(x) = x^{1/n}$ (단, $n$은 자연수)
  5. $f(x) = a^x$, $g(x) = b^x$ (단, $a \gt b \gt 0$)
  6. $f(x) = \log_a x$, $g(x) = \log_b x$ (단, $a \gt b \gt 1$)

풀이. $x \to \infty$일 때 두 함수의 비의 극한을 조사한다.

(1) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2}$는 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리를 두 번 적용하면 $$\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2x} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2} = \infty$$ 이다. 따라서 $f(x) = e^x$는 $g(x) = x^2$보다 빠르게 증가한다.

(2) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{3^x}{2^x} = \lim_{x \to \infty} \left(\frac{3}{2}\right)^x = \infty$이다 ($3/2 \gt 1$이므로). 따라서 $f(x) = 3^x$는 $g(x) = 2^x$보다 빠르게 증가한다.

(3) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{\ln x}$는 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x}{1/x} = \lim_{x \to \infty} 2x^2 = \infty$$ 이다. 따라서 $f(x) = x^2$는 $g(x) = \ln x$보다 빠르게 증가한다.

(4) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^{1/n}}$는 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^{1/n}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{\frac{1}{n}x^{1/n - 1}} = \lim_{x \to \infty} n x^{-1/n} = 0$$ 이다. 따라서 $g(x) = x^{1/n}$은 $f(x) = \ln x$보다 빠르게 증가한다 (즉 로그함수는 임의의 양의 거듭제곱보다 느리게 증가한다).

(5) $a \gt b \gt 0$이므로 $a/b \gt 1$이고, $$\lim_{x \to \infty} \frac{a^x}{b^x} = \lim_{x \to \infty} \left(\frac{a}{b}\right)^x = \infty$$ 이다. 따라서 $f(x) = a^x$는 $g(x) = b^x$보다 빠르게 증가한다.

(6) 밑을 바꾸면 $\log_a x = \dfrac{\ln x}{\ln a}$, $\log_b x = \dfrac{\ln x}{\ln b}$이므로 $$\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\log_a x}{\log_b x} = \frac{\ln b}{\ln a}$$ 는 $x$에 무관한 상수이다 ($a \gt b \gt 1$이므로 $\ln a \gt \ln b \gt 0$이고 이 상수는 $0$과 $1$ 사이의 값). 따라서 $f(x) = \log_a x$와 $g(x) = \log_b x$는 같은 증가율을 가지며, $\log_b x = \dfrac{\ln a}{\ln b}\log_a x$로 비례 관계에 있다.

English

Compare the growth rates of the two functions as $x \to \infty$.

  1. $f(x) = e^x$, $g(x) = x^2$
  2. $f(x) = 3^x$, $g(x) = 2^x$
  3. $f(x) = x^2$, $g(x) = \ln x$
  4. $f(x) = \ln x$, $g(x) = x^{1/n}$ (where $n$ is a natural number)
  5. $f(x) = a^x$, $g(x) = b^x$ (where $a \gt b \gt 0$)
  6. $f(x) = \log_a x$, $g(x) = \log_b x$ (where $a \gt b \gt 1$)

Solution. We examine the limit of the ratio of the two functions as $x \to \infty$.

(1) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2}$ is of the form $\infty/\infty$; applying L'Hôpital's Rule twice, $$\lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{x^2} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2x} = \lim_{x \to \infty} \frac{e^x}{2} = \infty.$$ Hence $f(x) = e^x$ grows faster than $g(x) = x^2$.

(2) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{3^x}{2^x} = \lim_{x \to \infty} \left(\frac{3}{2}\right)^x = \infty$ since $3/2 \gt 1$. Hence $f(x) = 3^x$ grows faster than $g(x) = 2^x$.

(3) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{\ln x}$ is of the form $\infty/\infty$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x}{1/x} = \lim_{x \to \infty} 2x^2 = \infty.$$ Hence $f(x) = x^2$ grows faster than $g(x) = \ln x$.

(4) $\displaystyle\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^{1/n}}$ is of the form $\infty/\infty$, so by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^{1/n}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{\frac{1}{n}x^{1/n - 1}} = \lim_{x \to \infty} n x^{-1/n} = 0.$$ Hence $g(x) = x^{1/n}$ grows faster than $f(x) = \ln x$ (that is, a logarithm grows slower than any positive power of $x$).

(5) Since $a \gt b \gt 0$, we have $a/b \gt 1$, and $$\lim_{x \to \infty} \frac{a^x}{b^x} = \lim_{x \to \infty} \left(\frac{a}{b}\right)^x = \infty.$$ Hence $f(x) = a^x$ grows faster than $g(x) = b^x$.

(6) Changing base, $\log_a x = \dfrac{\ln x}{\ln a}$ and $\log_b x = \dfrac{\ln x}{\ln b}$, so $$\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\log_a x}{\log_b x} = \frac{\ln b}{\ln a}$$ is a constant independent of $x$ (since $a \gt b \gt 1$, $\ln a \gt \ln b \gt 0$, and this constant lies between $0$ and $1$). Hence $f(x) = \log_a x$ and $g(x) = \log_b x$ have the same growth rate, related proportionally by $\log_b x = \dfrac{\ln a}{\ln b}\log_a x$.

유제 04 증가율 비교
한국어

$x \to \infty$일 때 주어진 함수들의 증가율을 비교하시오.

  1. $f(x) = \sqrt{x^2 + 5}$, $g(x) = (2\sqrt{x} - 1)^2$
  2. $f(x) = \ln(x + 999)$, $g(x) = \ln x$
  3. $f(x) = \log_2(x^2)$, $g(x) = \log_{10}(10x)$, $h(x) = 1/\sqrt{x}$, $r(x) = 1/x^2$

풀이.

(1) $x \to \infty$일 때 $\sqrt{x^2+5} = x\sqrt{1 + 5/x^2}$이고, $g(x) = (2\sqrt{x}-1)^2 = 4x - 4\sqrt{x} + 1$이다. $$\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{x\sqrt{1+5/x^2}}{4x - 4\sqrt{x}+1} = \lim_{x \to \infty} \frac{\sqrt{1+5/x^2}}{4 - 4/\sqrt{x} + 1/x} = \frac{1}{4}$$ 로 $0$이 아닌 유한한 상수이므로, $f(x) = \sqrt{x^2+5}$와 $g(x) = (2\sqrt{x}-1)^2$은 같은 증가율을 갖는다 ($g$가 $f$보다 항상 약 $4$배 크다).

(2) $\ln(x+999) = \ln x + \ln\!\left(1 + \dfrac{999}{x}\right)$이고 $x \to \infty$일 때 $\infty/\infty$ 꼴이므로 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln(x+999)}{\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/(x+999)}{1/x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x}{x+999} = 1$$ 이다. 따라서 $f(x) = \ln(x+999)$와 $g(x) = \ln x$는 같은 증가율을 가지며, 사실상 점근적으로 같다.

(3) 먼저 $f(x) = \log_2(x^2) = \dfrac{2\ln x}{\ln 2}$, $g(x) = \log_{10}(10x) = 1 + \dfrac{\ln x}{\ln 10} \sim \dfrac{\ln x}{\ln 10}$이므로 $$\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{2\ln x/\ln 2}{\ln x/\ln 10} = \frac{2\ln 10}{\ln 2}$$ 는 $0$이 아닌 유한한 상수이다. 따라서 $f, g$는 같은 증가율(둘 다 $\ln x$의 상수배)을 갖는다.

한편 $h(x) = 1/\sqrt{x} \to 0$, $r(x) = 1/x^2 \to 0$이고 $$\lim_{x \to \infty} \frac{r(x)}{h(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x^2}{1/\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} x^{-3/2} = 0$$ 이므로 $r(x)$가 $h(x)$보다 더 빠르게 $0$으로 수렴한다. 즉 $h(x)$는 $r(x)$보다 느리게 감소한다. 정리하면, $f, g$는 (발산 방향으로) 같은 증가율을 갖고, $h, r$은 모두 $0$으로 수렴하되 $h$가 $r$보다 느리게 감소한다.

English

Compare the growth rates of the given functions as $x \to \infty$.

  1. $f(x) = \sqrt{x^2 + 5}$, $g(x) = (2\sqrt{x} - 1)^2$
  2. $f(x) = \ln(x + 999)$, $g(x) = \ln x$
  3. $f(x) = \log_2(x^2)$, $g(x) = \log_{10}(10x)$, $h(x) = 1/\sqrt{x}$, $r(x) = 1/x^2$

Solution.

(1) As $x \to \infty$, $\sqrt{x^2+5} = x\sqrt{1 + 5/x^2}$, and $g(x) = (2\sqrt{x}-1)^2 = 4x - 4\sqrt{x} + 1$. $$\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{x\sqrt{1+5/x^2}}{4x - 4\sqrt{x}+1} = \lim_{x \to \infty} \frac{\sqrt{1+5/x^2}}{4 - 4/\sqrt{x} + 1/x} = \frac{1}{4},$$ a nonzero finite constant. Hence $f(x) = \sqrt{x^2+5}$ and $g(x) = (2\sqrt{x}-1)^2$ have the same growth rate ($g$ is consistently about $4$ times $f$).

(2) Since $\ln(x+999) = \ln x + \ln\!\left(1 + \dfrac{999}{x}\right)$, and this is of the form $\infty/\infty$ as $x \to \infty$, by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln(x+999)}{\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/(x+999)}{1/x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x}{x+999} = 1.$$ Hence $f(x) = \ln(x+999)$ and $g(x) = \ln x$ have the same growth rate, and are in fact asymptotically equal.

(3) First, $f(x) = \log_2(x^2) = \dfrac{2\ln x}{\ln 2}$ and $g(x) = \log_{10}(10x) = 1 + \dfrac{\ln x}{\ln 10} \sim \dfrac{\ln x}{\ln 10}$, so $$\lim_{x \to \infty} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{2\ln x/\ln 2}{\ln x/\ln 10} = \frac{2\ln 10}{\ln 2},$$ a nonzero finite constant. Hence $f, g$ have the same growth rate (both are constant multiples of $\ln x$).

Meanwhile $h(x) = 1/\sqrt{x} \to 0$ and $r(x) = 1/x^2 \to 0$, and $$\lim_{x \to \infty} \frac{r(x)}{h(x)} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x^2}{1/\sqrt{x}} = \lim_{x \to \infty} x^{-3/2} = 0,$$ so $r(x)$ converges to $0$ faster than $h(x)$; that is, $h(x)$ decreases more slowly than $r(x)$. In summary, $f, g$ have the same growth rate (as they diverge), while $h, r$ both converge to $0$ with $h$ decreasing more slowly than $r$.

예제 05 o·O 표기 판정
한국어

두 함수 $f(x), g(x)$에 대해 $f(x) = o(g(x))$인지 판단하고 $f(x) = O(g(x))$인지 판단하시오.

  1. $f(x) = x$, $g(x) = \ln x$
  2. $f(x) = x^2$, $g(x) = x^3 + 1$
  3. $f(x) = x + \sin x$, $g(x) = x$
  4. $f(x) = e^x + x^2$, $g(x) = e^x$
  5. $f(x) = x$, $g(x) = e^x$

풀이. $x \to \infty$일 때를 기준으로 판단한다. $f = o(g)$는 $\displaystyle\lim \frac{f(x)}{g(x)} = 0$을, $f = O(g)$는 $x$가 충분히 클 때 $\left|\dfrac{f(x)}{g(x)}\right|$가 유계임을 뜻한다.

(1) $\displaystyle\frac{x}{\ln x} \to \infty$이므로 ($x$가 $\ln x$보다 빠르게 증가) $x = o(\ln x)$는 거짓이고, 비가 유계가 아니므로 $x = O(\ln x)$도 거짓이다.

(2) $\displaystyle\frac{x^2}{x^3+1} \to 0$이므로 $x^2 = o(x^3+1)$은 참이다. $o$이면 자동으로 $O$이므로 $x^2 = O(x^3+1)$도 참이다.

(3) $\displaystyle\frac{x+\sin x}{x} = 1 + \frac{\sin x}{x} \to 1 \neq 0$이므로 $x + \sin x = o(x)$는 거짓이다. 그러나 이 비가 $1$로 수렴하여 (유계이므로) $x + \sin x = O(x)$는 참이다.

(4) $\displaystyle\frac{e^x+x^2}{e^x} = 1 + \frac{x^2}{e^x} \to 1 \neq 0$이므로 $e^x+x^2 = o(e^x)$는 거짓이다. 비가 $1$로 수렴하므로 $e^x+x^2 = O(e^x)$는 참이다.

(5) $\displaystyle\frac{x}{e^x} \to 0$이므로 $x = o(e^x)$는 참이고, 따라서 $x = O(e^x)$도 참이다.

English

For the two functions $f(x), g(x)$, determine whether $f(x) = o(g(x))$ and whether $f(x) = O(g(x))$.

  1. $f(x) = x$, $g(x) = \ln x$
  2. $f(x) = x^2$, $g(x) = x^3 + 1$
  3. $f(x) = x + \sin x$, $g(x) = x$
  4. $f(x) = e^x + x^2$, $g(x) = e^x$
  5. $f(x) = x$, $g(x) = e^x$

Solution. We take the limit to be $x \to \infty$ throughout. Recall $f = o(g)$ means $\displaystyle\lim \frac{f(x)}{g(x)} = 0$, and $f = O(g)$ means $\left|\dfrac{f(x)}{g(x)}\right|$ stays bounded for $x$ sufficiently large.

(1) Since $\displaystyle\frac{x}{\ln x} \to \infty$ ($x$ grows faster than $\ln x$), $x = o(\ln x)$ is false; since the ratio is unbounded, $x = O(\ln x)$ is also false.

(2) Since $\displaystyle\frac{x^2}{x^3+1} \to 0$, $x^2 = o(x^3+1)$ is true. Since $o$ implies $O$, $x^2 = O(x^3+1)$ is also true.

(3) Since $\displaystyle\frac{x+\sin x}{x} = 1 + \frac{\sin x}{x} \to 1 \neq 0$, $x + \sin x = o(x)$ is false. But since this ratio converges to $1$ (hence is bounded), $x + \sin x = O(x)$ is true.

(4) Since $\displaystyle\frac{e^x+x^2}{e^x} = 1 + \frac{x^2}{e^x} \to 1 \neq 0$, $e^x+x^2 = o(e^x)$ is false. Since the ratio converges to $1$, $e^x+x^2 = O(e^x)$ is true.

(5) Since $\displaystyle\frac{x}{e^x} \to 0$, $x = o(e^x)$ is true, and hence $x = O(e^x)$ is also true.

유제 05 o·O 명제의 참·거짓
한국어

주어진 명제의 참 거짓을 판정하시오.

  1. $x = O(2x)$
  2. $e^x = o(e^{2x})$
  3. $\dfrac{1}{x+3} = O\left(\dfrac{1}{x}\right)$
  4. $\ln x = o(\ln(x^2 + 1))$

풀이. 이전 문제와 같이 $x \to \infty$일 때를 기준으로 판단한다.

(1) $\displaystyle\frac{x}{2x} = \frac{1}{2}$은 모든 $x$에 대해 일정한 상수이므로 유계이다. 따라서 $x = O(2x)$는 참이다.

(2) $\displaystyle\frac{e^x}{e^{2x}} = e^{-x} \to 0$이므로 $e^x = o(e^{2x})$는 참이다.

(3) $\displaystyle\frac{1/(x+3)}{1/x} = \frac{x}{x+3} \to 1$로 유계이므로 $\dfrac{1}{x+3} = O\!\left(\dfrac{1}{x}\right)$는 참이다.

(4) $x \to \infty$일 때 $\ln(x^2+1) \sim \ln(x^2) = 2\ln x$이므로 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{\ln(x^2+1)} = \lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\ln x + \ln(1+1/x^2)} = \frac{1}{2}$$ 이다. 이 극한이 $0$이 아니라 $1/2$이므로 $\ln x = o(\ln(x^2+1))$은 거짓이다.

English

Determine whether the given statements are true or false.

  1. $x = O(2x)$
  2. $e^x = o(e^{2x})$
  3. $\dfrac{1}{x+3} = O\left(\dfrac{1}{x}\right)$
  4. $\ln x = o(\ln(x^2 + 1))$

Solution. As before, we take the limit to be $x \to \infty$.

(1) $\displaystyle\frac{x}{2x} = \frac{1}{2}$ is a constant for all $x$, hence bounded. So $x = O(2x)$ is true.

(2) $\displaystyle\frac{e^x}{e^{2x}} = e^{-x} \to 0$, so $e^x = o(e^{2x})$ is true.

(3) $\displaystyle\frac{1/(x+3)}{1/x} = \frac{x}{x+3} \to 1$, which is bounded, so $\dfrac{1}{x+3} = O\!\left(\dfrac{1}{x}\right)$ is true.

(4) As $x \to \infty$, $\ln(x^2+1) \sim \ln(x^2) = 2\ln x$, so $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{\ln(x^2+1)} = \lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{2\ln x + \ln(1+1/x^2)} = \frac{1}{2}.$$ Since this limit is $1/2 \neq 0$, $\ln x = o(\ln(x^2+1))$ is false.

문제 · Problems

문제 01 로그평균 부등식
한국어
  1. $y = e^x$이 아래로 볼록임을 보이시오.
  2. $0 \lt a \lt b$에 대해 다음이 성립함을 설명하시오. $$e^{(\ln a + \ln b)/2}(\ln b - \ln a) \lt \int_{\ln a}^{\ln b} e^x\,dx \lt \frac{e^{\ln a} + e^{\ln b}}{2}(\ln b - \ln a)$$
  3. (2)를 이용하여 $0 \lt a \lt b$에 대해 다음이 성립함을 설명하시오. $$\sqrt{ab} \lt \frac{b - a}{\ln b - \ln a} \lt \frac{a + b}{2}$$

이때 $\dfrac{b - a}{\ln b - \ln a}$를 $a, b$의 로그평균(logarithmic mean)이라 한다.

English
  1. Show that $y = e^x$ is convex.
  2. For $0 \lt a \lt b$, explain why the following holds. $$e^{(\ln a + \ln b)/2}(\ln b - \ln a) \lt \int_{\ln a}^{\ln b} e^x\,dx \lt \frac{e^{\ln a} + e^{\ln b}}{2}(\ln b - \ln a)$$
  3. Using (2), explain why the following holds for $0 \lt a \lt b$. $$\sqrt{ab} \lt \frac{b - a}{\ln b - \ln a} \lt \frac{a + b}{2}$$

The quantity $\dfrac{b - a}{\ln b - \ln a}$ is called the logarithmic mean of $a, b$.

문제 02 지수 방정식의 해
한국어

$x^{x^x} = (x^x)^x$의 해를 구하시오. (단, $x \gt 0$)

English

Find the solutions of $x^{x^x} = (x^x)^x$. (Here, $x \gt 0$.)

문제 03 지수 꼴 극한 계산
한국어

다음 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (\cos \sqrt{x})^{1/x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} (x + e^x)^{2/x}$
English

Evaluate the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{x \to 0+} (\cos \sqrt{x})^{1/x}$
  2. $\displaystyle\lim_{x \to \infty} (x + e^x)^{2/x}$
문제 04 지수·로그와 다항함수 증가율
한국어
  1. $f(x) = e^x$는 다항함수 $h(x) = a_n x^n + \cdots + a_0$보다 빠르게 증가함을 보이시오. (단, $a_n \gt 0$)
  2. $g(x) = \ln x$는 다항함수 $h(x) = a_n x^n + \cdots + a_0$보다 느리게 증가함을 보이시오. (단, $a_n \gt 0$, $n \geq 1$)
English
  1. Show that $f(x) = e^x$ grows faster than the polynomial $h(x) = a_n x^n + \cdots + a_0$. (Here, $a_n \gt 0$.)
  2. Show that $g(x) = \ln x$ grows slower than the polynomial $h(x) = a_n x^n + \cdots + a_0$. (Here, $a_n \gt 0$, $n \geq 1$.)