예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 정의역·치역과 등위선
한국어

함수 $f(x,y)=\sqrt{y-x^2}$에 대해 다음 물음에 답하시오.

  1. $f$의 정의역과 치역을 구하시오.
  2. $f$의 정의역이 열린집합인지 그리고 닫힌집합인지 판단하시오.
  3. $f$의 정의역이 유계인지 판단하시오.
  4. $f$의 그래프를 좌표공간 상에 나타내시오.
  5. $f$의 등위선을 좌표평면 상에 나타내시오.

풀이.

(1) $f(x,y)=\sqrt{y-x^2}$가 정의되려면 $y-x^2\ge0$, 즉 $y\ge x^2$이어야 하므로 정의역은 $D=\{(x,y)\in\mathbb R^2 : y\ge x^2\}$이다. $x=0$으로 고정하면 $y-x^2=y$가 $[0,\infty)$의 모든 값을 가지므로 $f=\sqrt{y-x^2}$도 $[0,\infty)$의 모든 값을 취한다. 따라서 치역은 $[0,\infty)$이다.

(2) $g(x,y)=y-x^2$은 연속함수이므로 $D^c=\{(x,y):y\lt x^2\}=g^{-1}((-\infty,0))$은 열린구간의 원상이라 열린집합이고, 따라서 $D$는 닫힌집합이다. 한편 포물선 위의 점 $(a,a^2)\in D$의 임의의 근방은 $y\lt x^2$인 점을 포함하므로 $D$에 완전히 포함되는 근방이 존재하지 않는다. 따라서 $D$는 열린집합이 아니다.

(3) $D$는 $(0,y)\ (y\ge0)$ 형태의 점을 모두 포함하므로 원점으로부터의 거리가 얼마든지 커질 수 있다. 즉 $D$를 포함하는 유한 반지름의 열린 공이 존재하지 않으므로 $D$는 유계가 아니다.

(4) $z=\sqrt{y-x^2}\ (z\ge0)$이므로 양변을 제곱하면 $z^2=y-x^2$, 즉 $y=x^2+z^2$이다. 이는 $y$축을 축으로 하는 회전포물면 $y=x^2+z^2$ 중 $z\ge0$인 절반이다. 각 높이 $y=c\ (c\ge0)$에서의 단면은 반지름 $\sqrt c$인 반원 $x^2+z^2=c,\ z\ge0$이고, $y=0$에서는 원점 한 점으로 오므라드는 반포물면(트로프) 모양이다.

x y z O

(5) $f(x,y)=c\ (c\ge0)$라 하면 $\sqrt{y-x^2}=c \Leftrightarrow y-x^2=c^2 \Leftrightarrow y=x^2+c^2$이다. 즉 등위선은 꼭짓점이 $(0,c^2)$이고 $y$축 방향으로 나란히 포개진 포물선 $y=x^2+c^2$들의 모임이며, $c=0$일 때가 정의역의 경계인 $y=x^2$ 자체이다.

x y O c=0 c=1 c=√2
English

For the function $f(x,y)=\sqrt{y-x^2}$, answer the following questions.

  1. Find the domain and range of $f$.
  2. Determine whether the domain of $f$ is open and whether it is closed.
  3. Determine whether the domain of $f$ is bounded.
  4. Sketch the graph of $f$ in coordinate space.
  5. Sketch the level curves of $f$ in the coordinate plane.

Solution.

(1) $f(x,y)=\sqrt{y-x^2}$ is defined exactly when $y-x^2\ge0$, i.e., $y\ge x^2$, so the domain is $D=\{(x,y)\in\mathbb R^2 : y\ge x^2\}$. Fixing $x=0$, $y-x^2=y$ takes every value in $[0,\infty)$, so $f=\sqrt{y-x^2}$ also takes every value in $[0,\infty)$. Hence the range is $[0,\infty)$.

(2) Since $g(x,y)=y-x^2$ is continuous, $D^c=\{(x,y):y\lt x^2\}=g^{-1}((-\infty,0))$ is the preimage of an open interval, hence open, so $D$ is closed. On the other hand, for a boundary point $(a,a^2)\in D$ on the parabola, every neighborhood contains points with $y\lt x^2$, so no neighborhood of $(a,a^2)$ lies entirely in $D$. Hence $D$ is not open.

(3) $D$ contains every point $(0,y)$ with $y\ge0$, so points of $D$ can be arbitrarily far from the origin. Thus no open ball of finite radius contains $D$, so $D$ is not bounded.

(4) Since $z=\sqrt{y-x^2}\ (z\ge0)$, squaring gives $z^2=y-x^2$, i.e., $y=x^2+z^2$. This is the half ($z\ge0$) of the paraboloid of revolution $y=x^2+z^2$ about the $y$-axis. At each height $y=c\ (c\ge0)$ the cross-section is the semicircle $x^2+z^2=c,\ z\ge0$ of radius $\sqrt c$, and the surface tapers to the single point at the origin when $y=0$ — a half-paraboloid trough shape.

x y z O

(5) Let $f(x,y)=c\ (c\ge0)$. Then $\sqrt{y-x^2}=c \Leftrightarrow y-x^2=c^2 \Leftrightarrow y=x^2+c^2$. So the level curves form a family of parabolas $y=x^2+c^2$ with vertex $(0,c^2)$, nested along the $y$-axis; at $c=0$ this is exactly the domain boundary $y=x^2$.

x y O c=0 c=1 c=√2
유제 01-1 함수의 정의역과 치역
한국어

다음 함수의 정의역과 치역을 구하시오.

  1. $z=1/xy$
  2. $z=\sin xy$
  3. $w=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$
  4. $w=1/(x^2+y^2+z^2)$

풀이.

(1) $z=1/xy$가 정의되려면 $xy\ne0$, 즉 $x\ne0$이고 $y\ne0$이어야 하므로 정의역은 두 좌표축을 제외한 평면 $\{(x,y)\in\mathbb R^2 : x\ne0,\ y\ne0\}$이다. $xy$가 $0$이 아닌 임의의 실수값을 가질 수 있으므로 치역은 $\mathbb R\setminus\{0\}$이다.

(2) $xy$는 모든 실수쌍에 대해 정의되므로 정의역은 $\mathbb R^2$ 전체이다. $y=1$로 고정하면 $xy=x$가 모든 실수값을 가지므로 $\sin xy$는 $[-1,1]$의 모든 값을 취한다. 따라서 치역은 $[-1,1]$이다.

(3) $x^2+y^2+z^2\ge0$이 항상 성립하므로 정의역은 $\mathbb R^3$ 전체이다. $(t,0,0)$에서 $w=\sqrt{t^2}=|t|$이므로 $t$가 $[0,\infty)$을 움직이면 $w$도 $[0,\infty)$의 모든 값을 취한다. 따라서 치역은 $[0,\infty)$이다.

(4) $x^2+y^2+z^2=0$은 $(x,y,z)=(0,0,0)$일 때만 성립하므로 정의역은 $\mathbb R^3\setminus\{(0,0,0)\}$이다. 정의역 위에서 $x^2+y^2+z^2$은 $(0,\infty)$의 모든 값을 취하고 $t\mapsto1/t$는 $(0,\infty)$ 위에서 전단사이므로, $w$의 치역은 $(0,\infty)$이다.

English

Find the domain and range of each of the following functions.

  1. $z=1/xy$
  2. $z=\sin xy$
  3. $w=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$
  4. $w=1/(x^2+y^2+z^2)$

Solution.

(1) $z=1/xy$ is defined exactly when $xy\ne0$, i.e., $x\ne0$ and $y\ne0$, so the domain is the plane minus both coordinate axes, $\{(x,y)\in\mathbb R^2 : x\ne0,\ y\ne0\}$. Since $xy$ can be any nonzero real number, the range is $\mathbb R\setminus\{0\}$.

(2) $xy$ is defined for every pair of reals, so the domain is all of $\mathbb R^2$. Fixing $y=1$, $xy=x$ takes every real value, so $\sin xy$ takes every value in $[-1,1]$. Hence the range is $[-1,1]$.

(3) Since $x^2+y^2+z^2\ge0$ always holds, the domain is all of $\mathbb R^3$. At $(t,0,0)$, $w=\sqrt{t^2}=|t|$, so as $t$ ranges over $[0,\infty)$, $w$ takes every value in $[0,\infty)$. Hence the range is $[0,\infty)$.

(4) $x^2+y^2+z^2=0$ holds only at $(x,y,z)=(0,0,0)$, so the domain is $\mathbb R^3\setminus\{(0,0,0)\}$. On the domain, $x^2+y^2+z^2$ takes every value in $(0,\infty)$, and $t\mapsto1/t$ is a bijection on $(0,\infty)$, so the range of $w$ is $(0,\infty)$.

유제 01-2 영역의 내부·경계와 열림·닫힘
한국어

주어진 영역의 내부와 경계를 구하고, 주어진 영역이 열린집합인지 그리고 닫힌집합인지 판단하시오.

  1. $\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x^2+y^2\le 1\}$
  2. $\mathbb{R}^2$
  3. $\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x,y\in\mathbb{Q}\}$
  4. $\varnothing$

풀이.

(1) $A=\{(x,y):x^2+y^2\le1\}$이라 하자. 내부는 $\mathrm{int}\,A=\{(x,y):x^2+y^2\lt1\}$(열린 단위원판)이고, 경계는 $\partial A=\{(x,y):x^2+y^2=1\}$(단위원)이다. $A$는 경계점을 모두 포함하므로 $A\ne\mathrm{int}\,A$, 즉 열린집합이 아니다. 한편 여집합 $A^c=\{x^2+y^2\gt1\}$은 연속함수 $x^2+y^2$에 의한 열린구간의 원상이므로 열린집합이고, 따라서 $A$는 닫힌집합이다.

(2) $\mathbb R^2$의 내부는 $\mathbb R^2$ 전체(모든 점이 내점)이고, 경계는 $\varnothing$이다. $\mathbb R^2$ 자신은 전체집합이므로 열린집합이고, 여집합 $\varnothing$도 열린집합이므로 $\mathbb R^2$는 닫힌집합이기도 하다. 즉 $\mathbb R^2$는 열린집합이면서 동시에 닫힌집합이다.

(3) $B=\{(x,y):x,y\in\mathbb Q\}$라 하자. $\mathbb Q$가 $\mathbb R$에서 조밀하므로 $B$의 어떤 점 근방에도 무리수 성분을 가진 점이 존재하여 내점이 될 수 없으므로 내부는 $\varnothing$이다. 또한 $B$는 $\mathbb R^2$에서 조밀하여 $\overline B=\mathbb R^2$이고, $B^c$(적어도 한 성분이 무리수인 점들의 집합) 역시 조밀하여 $\overline{B^c}=\mathbb R^2$이므로 경계는 $\partial B=\overline B\cap\overline{B^c}=\mathbb R^2$이다. $B\ne\mathrm{int}\,B=\varnothing$이므로 $B$는 열린집합이 아니고, $B^c$도 조밀하여 $B^c$의 어떤 점도 내점이 아니므로(즉 $B^c$가 열린집합이 아니므로) $B$는 닫힌집합도 아니다.

(4) $\varnothing$의 내부와 경계는 모두 $\varnothing$이다. $\varnothing$은 (공허하게) 열린집합이고, 여집합 $\mathbb R^2$이 열린집합이므로 $\varnothing$도 닫힌집합이다. 즉 $\varnothing$도 열린집합이면서 닫힌집합이다.

English

Find the interior and boundary of the given region, and determine whether the region is open and whether it is closed.

  1. $\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x^2+y^2\le 1\}$
  2. $\mathbb{R}^2$
  3. $\{(x,y)\in\mathbb{R}^2 : x,y\in\mathbb{Q}\}$
  4. $\varnothing$

Solution.

(1) Let $A=\{(x,y):x^2+y^2\le1\}$. The interior is $\mathrm{int}\,A=\{(x,y):x^2+y^2\lt1\}$ (the open unit disk), and the boundary is $\partial A=\{(x,y):x^2+y^2=1\}$ (the unit circle). Since $A$ contains all its boundary points, $A\ne\mathrm{int}\,A$, so $A$ is not open. On the other hand, the complement $A^c=\{x^2+y^2\gt1\}$ is the preimage of an open interval under the continuous function $x^2+y^2$, hence open, so $A$ is closed.

(2) The interior of $\mathbb R^2$ is $\mathbb R^2$ itself (every point is interior), and its boundary is $\varnothing$. $\mathbb R^2$ is open as the whole space, and its complement $\varnothing$ is also open, so $\mathbb R^2$ is closed as well. Hence $\mathbb R^2$ is both open and closed.

(3) Let $B=\{(x,y):x,y\in\mathbb Q\}$. Since $\mathbb Q$ is dense in $\mathbb R$, every neighborhood of any point of $B$ contains points with an irrational coordinate, so no point of $B$ is interior; the interior is $\varnothing$. Also $B$ is dense in $\mathbb R^2$, so $\overline B=\mathbb R^2$, and $B^c$ (points with at least one irrational coordinate) is dense as well, so $\overline{B^c}=\mathbb R^2$; hence the boundary is $\partial B=\overline B\cap\overline{B^c}=\mathbb R^2$. Since $B\ne\mathrm{int}\,B=\varnothing$, $B$ is not open, and since $B^c$ is also dense (no point of $B^c$ is interior to $B^c$, so $B^c$ is not open), $B$ is not closed either.

(4) The interior and boundary of $\varnothing$ are both $\varnothing$. $\varnothing$ is (vacuously) open, and since its complement $\mathbb R^2$ is open, $\varnothing$ is also closed. Hence $\varnothing$ is both open and closed.

유제 01-3 로그함수 정의역의 유계성
한국어

함수 $f(x,y)=\ln(9-x^2-y^2)$의 정의역이 유계인지 판단하시오.

풀이. $f(x,y)=\ln(9-x^2-y^2)$이 정의되려면 $9-x^2-y^2\gt0$, 즉 $x^2+y^2\lt9$이어야 하므로 정의역은 원점 중심 반지름 $3$인 열린 원판 $\{(x,y):x^2+y^2\lt9\}$이다. 이 집합의 모든 점은 원점으로부터 거리가 $3$ 미만이므로, 정의역은 반지름 $3$인 (닫힌) 공 안에 완전히 포함된다. 따라서 정의역은 유계이다.

English

Determine whether the domain of the function $f(x,y)=\ln(9-x^2-y^2)$ is bounded.

Solution. $f(x,y)=\ln(9-x^2-y^2)$ is defined exactly when $9-x^2-y^2\gt0$, i.e., $x^2+y^2\lt9$, so the domain is the open disk of radius $3$ centered at the origin, $\{(x,y):x^2+y^2\lt9\}$. Every point of this set is at distance less than $3$ from the origin, so the domain is contained entirely inside the (closed) ball of radius $3$. Hence the domain is bounded.

유제 01-4 등위면 그리기
한국어

함수 $f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$의 등위면을 좌표공간 상에 나타내시오.

역주. 원문은 $f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$로 인쇄되어 있으나, 등위면(level surface) 문제이고 피제곱근 안에 $z$가 포함되어 있으므로 이는 $f(x,y,z)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$의 오기로 보인다. 이하 $f(x,y,z)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$에 대해 풀이한다.

풀이. $f=c\ (c\ge0)$라 하면 $\sqrt{x^2+y^2+z^2}=c \Leftrightarrow x^2+y^2+z^2=c^2$이다. $c\gt0$이면 이는 원점을 중심으로 하는 반지름 $c$인 구면이고, $c=0$이면 원점 한 점으로 퇴화한다. 즉 $f$의 등위면은 원점을 중심으로 하는 동심구들의 모임이며, $c$가 커질수록 반지름이 커지는 형태이다.

x y z O c=1 c=2
English

Sketch the level surfaces of the function $f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ in coordinate space.

Note. The original problem prints $f(x,y)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$, but since this is a level-surface problem and $z$ appears under the square root, this is evidently a misprint for $f(x,y,z)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$. We solve the corrected problem $f(x,y,z)=\sqrt{x^2+y^2+z^2}$ below.

Solution. Let $f=c\ (c\ge0)$. Then $\sqrt{x^2+y^2+z^2}=c \Leftrightarrow x^2+y^2+z^2=c^2$. For $c\gt0$ this is the sphere of radius $c$ centered at the origin, and for $c=0$ it degenerates to the single point at the origin. Hence the level surfaces of $f$ form a family of concentric spheres centered at the origin, with radius increasing as $c$ increases.

x y z O c=1 c=2
유제 01-5 등위선과 함수 짝짓기
한국어

보기에 주어진 등위선과 대응하는 알맞은 함수를 짝지으시오.

A B C
  1. $z=xy$
  2. $z=\cos(x-y)$
  3. $z=x^2+y^2$

풀이. $f_1(x,y)=xy$의 등위선은 $xy=c$이다. $c\ne0$이면 원점을 지나지 않는 쌍곡선이며 $c\gt0$일 때 제1·3사분면에, $c\lt0$일 때 제2·4사분면에 놓이고, $c=0$이면 두 좌표축 자체가 등위선이 된다. 즉 그림 B(사분면마다 쌍곡선 안장 무늬)에 대응한다.

$f_2(x,y)=\cos(x-y)$의 등위선은 $\cos(x-y)=c$, 즉 $x-y=\pm\cos^{-1}c+2k\pi\ (k\in\mathbb Z)$ 꼴로 기울기 $1$인 평행한 직선들의 모임이다. 즉 그림 C(평행한 대각선 줄무늬)에 대응한다.

$f_3(x,y)=x^2+y^2$의 등위선은 $x^2+y^2=c\ (c\ge0)$, 즉 원점을 중심으로 하는 반지름 $\sqrt c$인 원들의 모임이다. 즉 그림 A(동심원)에 대응한다.

따라서 (1) $z=xy \to$ 그림 B, (2) $z=\cos(x-y) \to$ 그림 C, (3) $z=x^2+y^2 \to$ 그림 A로 짝지어진다.

English

Match each of the level curves shown below with the function it represents.

A B C
  1. $z=xy$
  2. $z=\cos(x-y)$
  3. $z=x^2+y^2$

Solution. The level curves of $f_1(x,y)=xy$ are $xy=c$. For $c\ne0$ these are hyperbolas not passing through the origin, lying in quadrants I and III when $c\gt0$ and in quadrants II and IV when $c\lt0$, while $c=0$ gives the two coordinate axes themselves. This matches figure B (a hyperbolic saddle pattern in each quadrant).

The level curves of $f_2(x,y)=\cos(x-y)$ are $\cos(x-y)=c$, i.e., $x-y=\pm\cos^{-1}c+2k\pi\ (k\in\mathbb Z)$, a family of parallel lines of slope $1$. This matches figure C (parallel diagonal stripes).

The level curves of $f_3(x,y)=x^2+y^2$ are $x^2+y^2=c\ (c\ge0)$, circles of radius $\sqrt c$ centered at the origin. This matches figure A (concentric circles).

Hence the matching is (1) $z=xy \to$ figure B, (2) $z=\cos(x-y) \to$ figure C, (3) $z=x^2+y^2 \to$ figure A.

예제 02 다변수 극한의 수렴 판정
한국어

주어진 극한이 수렴하는지 판정하고, 수렴한다면 그 극한값을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,1)}\frac{x-xy+3}{x^2y+5xy-y^3}$
  2. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(3,-4)}\sqrt{x^2+y^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2-xy}{\sqrt{x}-\sqrt{y}}$
  4. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{4xy^2}{x^2+y^2}$
  5. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{y}{x}$
  6. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{2x^2y}{x^4+y^2}$

풀이.

(1) $(x,y)\to(0,1)$일 때 분모 $x^2y+5xy-y^3$은 $(0,1)$에서 $0+0-1=-1\ne0$이므로 이 유리함수는 $(0,1)$에서 연속이고 직접 대입할 수 있다. 분자는 $(0,1)$에서 $0-0+3=3$이므로 극한값은 $\dfrac{3}{-1}=-3$이다.

(2) $\sqrt{x^2+y^2}$은 $\mathbb R^2$ 전체에서 연속이므로 직접 대입하면 극한값은 $\sqrt{3^2+(-4)^2}=\sqrt{25}=5$이다.

(3) $\sqrt x,\sqrt y$가 정의되는 $x,y\ge0$이고 $x\ne y$인 범위에서 $$\frac{x^2-xy}{\sqrt x-\sqrt y}=\frac{x(x-y)}{\sqrt x-\sqrt y}=\frac{x(x-y)(\sqrt x+\sqrt y)}{(\sqrt x-\sqrt y)(\sqrt x+\sqrt y)}=\frac{x(x-y)(\sqrt x+\sqrt y)}{x-y}=x(\sqrt x+\sqrt y)$$ 이다. 우변은 $(0,0)$에서 연속이므로 극한값은 $0\cdot(\sqrt0+\sqrt0)=0$이다.

(4) $\dfrac{y^2}{x^2+y^2}\le1$이므로 $\left|\dfrac{4xy^2}{x^2+y^2}\right|=4|x|\cdot\dfrac{y^2}{x^2+y^2}\le4|x|$이고, $(x,y)\to(0,0)$일 때 $4|x|\to0$이므로 조임정리에 의해 극한값은 $0$이다.

(5) 경로 $y=kx$ ($k$는 상수)를 따라 접근하면 $\dfrac yx=\dfrac{kx}{x}=k$로 경로에 따라 값이 달라진다. 예를 들어 $y=0$을 따르면 극한은 $0$이고 $y=x$를 따르면 극한은 $1$로 서로 다르다. 따라서 극한은 발산한다(존재하지 않는다).

(6) 경로 $y=kx^2$ ($k$는 상수)를 따라 접근하면 $$\frac{2x^2y}{x^4+y^2}=\frac{2x^2\cdot kx^2}{x^4+k^2x^4}=\frac{2kx^4}{(1+k^2)x^4}=\frac{2k}{1+k^2}$$ 로 $x$에 무관하게 $k$에 따라 값이 달라진다. 예를 들어 $k=0$($y=0$)이면 극한은 $0$이고 $k=1$($y=x^2$)이면 극한은 $1$로 서로 다르다. 따라서 극한은 발산한다.

English

Determine whether the given limit converges, and if it does, find its value.

  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,1)}\frac{x-xy+3}{x^2y+5xy-y^3}$
  2. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(3,-4)}\sqrt{x^2+y^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2-xy}{\sqrt{x}-\sqrt{y}}$
  4. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{4xy^2}{x^2+y^2}$
  5. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{y}{x}$
  6. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{2x^2y}{x^4+y^2}$

Solution.

(1) As $(x,y)\to(0,1)$, the denominator $x^2y+5xy-y^3$ equals $0+0-1=-1\ne0$ at $(0,1)$, so this rational function is continuous at $(0,1)$ and we may substitute directly. The numerator equals $0-0+3=3$ at $(0,1)$, so the limit is $\dfrac{3}{-1}=-3$.

(2) $\sqrt{x^2+y^2}$ is continuous on all of $\mathbb R^2$, so substituting directly gives $\sqrt{3^2+(-4)^2}=\sqrt{25}=5$.

(3) On the region $x,y\ge0,\ x\ne y$ where $\sqrt x,\sqrt y$ are defined, $$\frac{x^2-xy}{\sqrt x-\sqrt y}=\frac{x(x-y)}{\sqrt x-\sqrt y}=\frac{x(x-y)(\sqrt x+\sqrt y)}{(\sqrt x-\sqrt y)(\sqrt x+\sqrt y)}=\frac{x(x-y)(\sqrt x+\sqrt y)}{x-y}=x(\sqrt x+\sqrt y).$$ The right-hand side is continuous at $(0,0)$, so the limit is $0\cdot(\sqrt0+\sqrt0)=0$.

(4) Since $\dfrac{y^2}{x^2+y^2}\le1$, we have $\left|\dfrac{4xy^2}{x^2+y^2}\right|=4|x|\cdot\dfrac{y^2}{x^2+y^2}\le4|x|$, and $4|x|\to0$ as $(x,y)\to(0,0)$, so by the Squeeze Theorem the limit is $0$.

(5) Along the path $y=kx$ ($k$ constant), $\dfrac yx=\dfrac{kx}{x}=k$ depends on the path. For instance, along $y=0$ the limit is $0$, while along $y=x$ the limit is $1$ — different values. Hence the limit diverges (does not exist).

(6) Along the path $y=kx^2$ ($k$ constant), $$\frac{2x^2y}{x^4+y^2}=\frac{2x^2\cdot kx^2}{x^4+k^2x^4}=\frac{2kx^4}{(1+k^2)x^4}=\frac{2k}{1+k^2},$$ independent of $x$ but depending on $k$. For instance, $k=0$ ($y=0$) gives limit $0$, while $k=1$ ($y=x^2$) gives limit $1$ — different values. Hence the limit diverges.

유제 02-1 원점에서의 연속 판정
한국어

아래 함수가 원점에서 연속인지 판정하시오.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{2xy}{x^2+y^2}, & (x,y)\neq(0,0) \\[2pt] 0, & (x,y)=(0,0) \end{cases}$$

풀이. 경로 $y=kx$ ($k$는 상수)를 따라 원점에 접근하면 $$f(x,kx)=\frac{2x\cdot kx}{x^2+k^2x^2}=\frac{2k}{1+k^2}$$ 로 $k$에 따라 값이 달라진다 (예: $y=0$이면 $0$, $y=x$이면 $1$). 즉 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$는 경로에 따라 서로 다른 값을 가지므로 존재하지 않는다. 극한이 존재하지 않으므로 $f(0,0)=0$과의 일치 여부와 무관하게 $f$는 원점에서 연속이 아니다.

English

Determine whether the function below is continuous at the origin.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{2xy}{x^2+y^2}, & (x,y)\neq(0,0) \\[2pt] 0, & (x,y)=(0,0) \end{cases}$$

Solution. Along the path $y=kx$ ($k$ constant) approaching the origin, $$f(x,kx)=\frac{2x\cdot kx}{x^2+k^2x^2}=\frac{2k}{1+k^2},$$ which depends on $k$ (e.g., $0$ along $y=0$, and $1$ along $y=x$). Hence $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$ takes different values along different paths, so it does not exist. Since the limit fails to exist, $f$ is not continuous at the origin, regardless of the value $f(0,0)=0$.

유제 02-2 여러 극한의 수렴 판정
한국어

주어진 극한이 수렴하는지 판정하고, 수렴한다면 그 극한값을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{\substack{(x,y)\to(2,0) \\ 2x-y\neq 4}}\frac{\sqrt{2x-y}-2}{2x-y-4}$
  2. $\displaystyle\lim_{P\to(1,3,4)}\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}\right)$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(1,1)}\frac{\tan y-y\tan x}{y-x}$
  4. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}y\sin\frac{1}{x}$
  5. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\tan^{-1}xy}{xy}$
  6. $\displaystyle\lim_{(x,y,z)\to(0,0,0)}\cos\left(\frac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\right)$

풀이.

(1) $u=2x-y$라 하면 $(x,y)\to(2,0),\ 2x-y\ne4$일 때 $u\to4,\ u\ne4$이고, $$\frac{\sqrt{2x-y}-2}{2x-y-4}=\frac{\sqrt u-2}{u-4}=\frac{\sqrt u-2}{(\sqrt u-2)(\sqrt u+2)}=\frac1{\sqrt u+2}$$ 이다. $u\to4$이면 $\dfrac1{\sqrt u+2}\to\dfrac1{2+2}=\dfrac14$이므로 극한값은 $\dfrac14$이다.

(2) $x,y,z$가 모두 $0$이 아닌 점 $(1,3,4)$에서 $\dfrac1x+\dfrac1y+\dfrac1z$는 연속이므로 직접 대입하면 $1+\dfrac13+\dfrac14=\dfrac{12+4+3}{12}=\dfrac{19}{12}$이다.

(3) 경로 $y=1$을 따라 $x\to1$이면 $h_1(x)=\tan1-\tan x$가 $h_1(1)=0$이므로 $$\lim_{x\to1}\frac{\tan1-\tan x}{1-x}=\lim_{x\to1}\frac{\tan x-\tan1}{x-1}=\left.\frac{d}{dx}\tan x\right|_{x=1}=\sec^21$$ 이다. 경로 $x=1$을 따라 $y\to1$이면 $h_2(y)=\tan y-y\tan1$이 $h_2(1)=\tan1-\tan1=0$이므로 $$\lim_{y\to1}\frac{\tan y-y\tan1}{y-1}=h_2'(1)=\sec^21-\tan1$$ 이다. $\tan1\ne0$이므로 $\sec^21\ne\sec^21-\tan1$이고, 두 경로의 극한값이 다르므로 원래 극한은 발산한다.

(4) $|\sin(1/x)|\le1$이므로 $|y\sin(1/x)|\le|y|$이고, $(x,y)\to(0,0)$일 때 $|y|\to0$이므로 조임정리에 의해 극한값은 $0$이다.

(5) $t=xy$라 하면 $|xy|\le\dfrac{x^2+y^2}{2}$이므로 $(x,y)\to(0,0)$일 때 $t\to0$이다. $g(t)=\dfrac{\tan^{-1}t}{t}$는 $g(0):=1$로 정의하면 $t=0$에서 연속이고(테일러 전개 $\tan^{-1}t=t-\frac{t^3}{3}+\cdots$에서 $g(t)\to1$), 따라서 극한값은 $1$이다.

(6) $x^2\le x^2+y^2+z^2$이므로 $0\le\dfrac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\le z^2$이고, $(x,y,z)\to(0,0,0)$일 때 $z^2\to0$이므로 조임정리에 의해 $\dfrac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\to0$이다. $\cos$은 연속이므로 극한값은 $\cos0=1$이다.

English

Determine whether the given limit converges, and if it does, find its value.

  1. $\displaystyle\lim_{\substack{(x,y)\to(2,0) \\ 2x-y\neq 4}}\frac{\sqrt{2x-y}-2}{2x-y-4}$
  2. $\displaystyle\lim_{P\to(1,3,4)}\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}+\frac{1}{z}\right)$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(1,1)}\frac{\tan y-y\tan x}{y-x}$
  4. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}y\sin\frac{1}{x}$
  5. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{\tan^{-1}xy}{xy}$
  6. $\displaystyle\lim_{(x,y,z)\to(0,0,0)}\cos\left(\frac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\right)$

Solution.

(1) Let $u=2x-y$. As $(x,y)\to(2,0)$ with $2x-y\ne4$, we have $u\to4,\ u\ne4$, and $$\frac{\sqrt{2x-y}-2}{2x-y-4}=\frac{\sqrt u-2}{u-4}=\frac{\sqrt u-2}{(\sqrt u-2)(\sqrt u+2)}=\frac1{\sqrt u+2}.$$ As $u\to4$, $\dfrac1{\sqrt u+2}\to\dfrac1{2+2}=\dfrac14$, so the limit is $\dfrac14$.

(2) At $(1,3,4)$, where $x,y,z$ are all nonzero, $\dfrac1x+\dfrac1y+\dfrac1z$ is continuous, so substituting directly gives $1+\dfrac13+\dfrac14=\dfrac{12+4+3}{12}=\dfrac{19}{12}$.

(3) Along the path $y=1$ as $x\to1$, $h_1(x)=\tan1-\tan x$ satisfies $h_1(1)=0$, so $$\lim_{x\to1}\frac{\tan1-\tan x}{1-x}=\lim_{x\to1}\frac{\tan x-\tan1}{x-1}=\left.\frac{d}{dx}\tan x\right|_{x=1}=\sec^21.$$ Along the path $x=1$ as $y\to1$, $h_2(y)=\tan y-y\tan1$ satisfies $h_2(1)=\tan1-\tan1=0$, so $$\lim_{y\to1}\frac{\tan y-y\tan1}{y-1}=h_2'(1)=\sec^21-\tan1.$$ Since $\tan1\ne0$, we have $\sec^21\ne\sec^21-\tan1$, so the two paths give different limits and the original limit diverges.

(4) Since $|\sin(1/x)|\le1$, we have $|y\sin(1/x)|\le|y|$, and $|y|\to0$ as $(x,y)\to(0,0)$, so by the Squeeze Theorem the limit is $0$.

(5) Let $t=xy$. Since $|xy|\le\dfrac{x^2+y^2}{2}$, we have $t\to0$ as $(x,y)\to(0,0)$. The function $g(t)=\dfrac{\tan^{-1}t}{t}$, defined at $t=0$ by $g(0):=1$, is continuous there (from the Taylor expansion $\tan^{-1}t=t-\frac{t^3}{3}+\cdots$, $g(t)\to1$), so the limit is $1$.

(6) Since $x^2\le x^2+y^2+z^2$, we have $0\le\dfrac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\le z^2$, and $z^2\to0$ as $(x,y,z)\to(0,0,0)$, so by the Squeeze Theorem $\dfrac{x^2z^2}{x^2+y^2+z^2}\to0$. Since $\cos$ is continuous, the limit is $\cos0=1$.

유제 02-3 조각정의 함수의 극한
한국어

아래 함수에 대해 다음 극한이 수렴하는지 판정하고, 수렴한다면 그 극한값을 구하시오.

$$f(x,y)=\begin{cases} 1, & y\ge x^4 \\ 1, & y\le 0 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}$$
  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,1)}f(x,y)$
  2. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(2,3)}f(x,y)$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$

풀이. 정의에서 $f(x,y)=0$은 $0\lt y\lt x^4$인 점에서만 일어나고, 그 밖의 모든 점에서는 $f(x,y)=1$이다.

(1) $(0,1)$ 근방에서는 $x$가 $0$에 가까워 $x^4$도 $0$에 가깝고 $y$는 $1$에 가까우므로, 예컨대 $|x|\lt0.8,\ y\gt\frac12$인 근방 전체에서 $x^4\lt0.8^4\approx0.41\lt\frac12\lt y$가 성립하여 $y\ge x^4$이다. 따라서 이 근방에서 $f\equiv1$이므로 극한값은 $1$이다.

(2) $(2,3)$에서 $x^4=16$이므로 $y=3\lt16=x^4$이고 $y=3\gt0$이다. 즉 $(2,3)$은 $0\lt y\lt x^4$인 영역(“그 밖”)의 내부점이며, $x^4$이 $16$ 근처, $y$가 $3$ 근처에 머무르는 $(2,3)$의 한 근방에서도 여전히 $0\lt y\lt x^4$이 성립한다. 따라서 이 근방에서 $f\equiv0$이므로 극한값은 $0$이다.

(3) 경로 $y=0$ ($x\to0,\ x\ne0$)을 따르면 $y\le0$이 항상 성립하므로 $f(x,0)=1$이고 극한은 $1$이다. 반면 경로 $y=x^4/2$ ($x\to0,\ x\ne0$)를 따르면 $0\lt\frac{x^4}2\lt x^4$이므로 $f\left(x,\frac{x^4}2\right)=0$이고 극한은 $0$이다. 두 경로의 극한값이 다르므로 $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$는 발산한다.

English

For the function below, determine whether each of the following limits converges, and if it does, find its value.

$$f(x,y)=\begin{cases} 1, & y\ge x^4 \\ 1, & y\le 0 \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases}$$
  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,1)}f(x,y)$
  2. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(2,3)}f(x,y)$
  3. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$

Solution. By the definition, $f(x,y)=0$ only at points with $0\lt y\lt x^4$, and $f(x,y)=1$ everywhere else.

(1) Near $(0,1)$, $x$ is close to $0$ so $x^4$ is close to $0$, while $y$ is close to $1$; for instance, throughout the neighborhood $|x|\lt0.8,\ y\gt\frac12$ we have $x^4\lt0.8^4\approx0.41\lt\frac12\lt y$, so $y\ge x^4$ holds. Hence $f\equiv1$ on this neighborhood, so the limit is $1$.

(2) At $(2,3)$, $x^4=16$, so $y=3\lt16=x^4$ and $y=3\gt0$. Thus $(2,3)$ is an interior point of the region $0\lt y\lt x^4$ (the "otherwise" case), and on a neighborhood of $(2,3)$ where $x^4$ stays near $16$ and $y$ stays near $3$, the inequality $0\lt y\lt x^4$ still holds. Hence $f\equiv0$ on this neighborhood, so the limit is $0$.

(3) Along the path $y=0$ ($x\to0,\ x\ne0$), $y\le0$ always holds, so $f(x,0)=1$ and the limit along this path is $1$. Along the path $y=x^4/2$ ($x\to0,\ x\ne0$), $0\lt\frac{x^4}2\lt x^4$, so $f\left(x,\frac{x^4}2\right)=0$ and the limit along this path is $0$. Since the two paths give different limits, $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}f(x,y)$ diverges.

유제 02-4 연속이 되도록 함숫값 정하기
한국어

주어진 함수가 원점에서 연속이 되도록 $f(0,0)$의 값을 정하시오.

$$f(x,y)=xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}$$

풀이. $(x,y)\ne(0,0)$에서 $|xy|\le\dfrac{x^2+y^2}2$이고 $|x^2-y^2|\le x^2+y^2$이므로 $$\left|xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}\right|\le\frac{\frac{x^2+y^2}2\cdot(x^2+y^2)}{x^2+y^2}=\frac{x^2+y^2}2$$ 이다. $(x,y)\to(0,0)$일 때 우변이 $0$으로 수렴하므로 조임정리에 의해 $$\lim_{(x,y)\to(0,0)}xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}=0$$ 이다. 따라서 $f$가 원점에서 연속이 되려면 $f(0,0)=0$으로 정해야 한다.

English

Determine the value of $f(0,0)$ so that the given function is continuous at the origin.

$$f(x,y)=xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}$$

Solution. For $(x,y)\ne(0,0)$, since $|xy|\le\dfrac{x^2+y^2}2$ and $|x^2-y^2|\le x^2+y^2$, $$\left|xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}\right|\le\frac{\frac{x^2+y^2}2\cdot(x^2+y^2)}{x^2+y^2}=\frac{x^2+y^2}2.$$ Since the right-hand side tends to $0$ as $(x,y)\to(0,0)$, the Squeeze Theorem gives $$\lim_{(x,y)\to(0,0)}xy\,\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}=0.$$ Hence $f$ is continuous at the origin exactly when $f(0,0)=0$.

문제 · Problems

문제 01 급수함수의 정의역과 등위선
한국어

함수 $f(x,y)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\left(\dfrac{x}{y}\right)^n$의 정의역을 구하고 $(1,2)$를 지나는 $f(x,y)$의 등위선을 구하시오.

English

Find the domain of the function $f(x,y)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\left(\dfrac{x}{y}\right)^n$, and find the level curve of $f(x,y)$ passing through $(1,2)$.

문제 02 원점에서의 연속 판정
한국어

다음 함수가 원점에서 연속인지 판정하시오.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{\sin(x-y)}{|x|+|y|}, & |x|+|y|\neq 0 \\[2pt] 0, & (x,y)=(0,0) \end{cases}$$
English

Determine whether the following function is continuous at the origin.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{\sin(x-y)}{|x|+|y|}, & |x|+|y|\neq 0 \\[2pt] 0, & (x,y)=(0,0) \end{cases}$$
문제 03 극한의 발산 증명
한국어

주어진 극한이 발산함을 보이시오.

  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}$
  2. $\displaystyle\lim_{\substack{(x,y)\to(0,0) \\ xy\neq 0}}\frac{x^3+y^3}{xy}$
English

Show that the given limit diverges.

  1. $\displaystyle\lim_{(x,y)\to(0,0)}\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}$
  2. $\displaystyle\lim_{\substack{(x,y)\to(0,0) \\ xy\neq 0}}\frac{x^3+y^3}{xy}$
문제 04 (임용19A-3) 연속을 위한 자연수 n의 최솟값
한국어

다음과 같이 정의된 함수 $f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}$가 $(0,0)$에서 연속이 되도록 하는 자연수 $n$의 최솟값을 구하시오.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{x^n y^n}{x^{30}+y^{30}}, & ((x,y)\neq(0,0)) \\[2pt] 0, & ((x,y)=(0,0)) \end{cases}$$
English

Find the smallest natural number $n$ such that the function $f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}$ defined below is continuous at $(0,0)$.

$$f(x,y)=\begin{cases} \dfrac{x^n y^n}{x^{30}+y^{30}}, & ((x,y)\neq(0,0)) \\[2pt] 0, & ((x,y)=(0,0)) \end{cases}$$