요약
이 수업은 극한의 연산 법칙이 닿지 않는 극한을, 극한이 알려진 다른 함수와 비교하여 구한다. 먼저 극한이 엄격하지 않은 부등식을 보존한다는 것을 증명한다. 이어서 조임 정리를 증명하는데, 이것은 새로운 엡실론-델타 논증 없이 앞 수업의 상계 판정법으로 귀착된다. 그리고 가장 많이 쓰이는 그 특수한 경우인 유계함수와 영으로 가는 함수의 곱을 다룬다. 대수학과 기하학 II에서 증명한 사인의 상계를 이용하여, 사인과 코사인이 모든 점에서 극한을 가지며 그 극한이 그 점에서의 값과 같다는 것을 증명한다. 그러면 사인, 호, 탄젠트 사이의 부등식이 삼각함수의 기본 극한 을 주고, 이미 아는 법칙들이 그로부터 나머지 삼각함수의 극한을 이끌어 낸다. 문제들은 조임 정리를 응용하고, 변수 치환으로 삼각함수의 극한을 계산하며, 의 극한을 구한다.
학습 목표
- 부호 보존으로 부등식의 보존을 증명하고, 상계 판정법으로 조임 정리와 유계함수와 영으로 가는 함수의 곱의 극한을 증명한다.
- 사인과 코사인이 모든 점에서 극한을 가지며 그 극한이 그 점에서의 값과 같다는 것을 증명하고, 그로부터 탄젠트의 극한을 이끌어 낸다.
- 삼각함수의 기본 극한 을 증명하고, 그로부터 , , , 의 극한을 이끌어 낸다.
- 비교에 의한 극한과 삼각함수의 극한을 계산하고, 각 추론을 이 수업의 정리로 정당화한다.
법칙이 닿지 않는 극한
극한의 연산 법칙에 관한 수업에서는 꼴의 부정형을 모두 식을 변형하여 공통인수를 약분함으로써 해결했다. 몫 는, 가 으로 갈 때, 그런 처리를 허용하지 않는다. 사인은 다항식이 아니며, 어떤 인수분해로도 분자에 인수 를 만들어 낼 수 없기 때문이다. 곱의 법칙 역시 의 에서의 극한을 결정하지 못하는데, 인수 가 극한을 갖지 않기 때문이며, 이는 실변수 함수의 극한에 관한 수업의 연습 문제 3에서 증명하도록 한 것이다.
그러나 두 경우 모두 함수는 더 간단한 다른 두 함수 사이에 갇혀 있다. 의 절댓값은 를 넘지 않고, 몫 는 뒤에서 보듯이 와 사이에 있다. 그렇다면, 같은 수로 가는 두 함수 사이에 갇힌 함수도 그 수로 간다는 것을 한 번에 증명해 두는 것이 좋다. 이 수업의 증명들은 앞 수업의 계획을 따른다. 각 결과를 하나의 부등식으로 귀착시키고, 나머지는 상계 판정법 또는 그로부터 이끌어 낸 도구가 처리한다.
앞 수업의 약속을 그대로 유지한다. , , 는 같은 하나의 집합 에서 정의된 실함수이고, 점 는 의 집적점이며, 어떤 것이 「 근처에서」 성립한다는 것은 어떤 이 존재하여 모든 (의 원소로서 을 만족하는 것)가 그것을 만족한다는 뜻이다. 세 보조정리를 다룬 대목의 끝에서 얻은 도구를 떠올리자. 이고 이면, 모든 함수 가운데 근처에서 아래와 같은 상계(단, )를 만족하는 것은 로 간다.
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