요약
이 수업은 로피탈의 정리를 증명한다. 와 가 에 수렴하거나 가 무한대로 발산하고, 그 도함수의 비가 극한을 가지면, 몫 도 같은 극한을 갖는다. 증명은 앞 수업의 코시의 평균값 정리를 한 끝점은 고정되고 다른 끝점은 움직이는 구간에 적용한다. 분모가 무한대로 발산하는 경우에는 더 정밀한 논증이 필요하지만, 그 논증은 분자에 아무것도 요구하지 않는다. 이 정리는 한 점의 한쪽에서, 그 점에서, 그리고 무한대에서 성립하며, 여러 번 연달아 적용할 수 있다. 그렇게 하여 의 극한을 계산한다(단, 의 처음 몇 개의 도함수가 에서 영이 될 때). 부정형 , , , , 은 몫으로 환원된다. 이 수업은 또한 정리를 쓸 수 없거나 정리로는 판정할 수 없는 경우, 도함수를 계산할 때 쓴 극한에 이 정리가 쓸모없는 이유, 그리고 동치인 무한소와 결합하는 방법을 보여 준다.
학습 목표
- 코시의 평균값 정리로부터, 꼴과 꼴에 대한 로피탈의 정리를 한 점의 한쪽, 그 점, 무한대에서 증명한다.
- 부정형을 몫으로 환원하여 극한을 계산하고, 정리를 여러 번 적용하되 적용할 때마다 그 가정을 확인한다.
- 정리를 쓸 수 없거나 정리로는 판정할 수 없는 경우를 알아본다. 부정형이 아닌 극한, 극한이 없는 도함수의 비, 점 근처에서 영이 되는 분모의 도함수, 그리고 도함수의 계산이 전제하는 극한이다.
- 이 정리를 동치인 무한소 및 극한의 연산 법칙과 결합하고, 각 경우에 가장 짧은 길을 고른다.
영 분의 영 꼴
극한의 연산 법칙에 관한 수업의 몫의 극한 따름정리는 분모의 극한이 영이 아닐 것을 요구한다. 분자와 분모가 모두 에 수렴하면, 몫은 어떤 수로든, 무한대로든 갈 수 있고, 극한이 없을 수도 있다. 는 에 수렴하고, 는 에 수렴하며, 는 에서 극한을 갖지 않는다. 그래서 을 부정형이라 한다. 각 항의 극한이 몫의 극한을 결정하지 않는 것이다. 동치인 무한소에 관한 수업은 각 인수를 표에 있는 동치인 것으로 치환하여 이러한 극한의 다수를 구했다. 그러나 같은 차는 표의 인수들의 곱이 아니며, 그 항들은 치환할 수 없다.
도함수는 다른 길을 보여 준다. 이고, 와 가 에서 미분가능하며, 이면, 분자와 분모를 로 나눌 때 몫은 평균변화율들의 몫이 되고, 몫의 극한 따름정리로부터 아래를 얻는다:
그러나 도 영인 경우가 많고, 또는 와 가 에서 정의되지 않기도 한다. 로피탈의 정리는 에서의 도함수의 값을 근처에서의 그 비의 극한으로 바꾼다. 도구는 페르마, 롤, 라그랑주, 코시의 정리에 관한 수업의 코시의 평균값 정리이다. 와 가 에서 연속이고(), 의 각 점에서 미분가능하며, 가 모든 (의 원소)에 대해 성립하면, 이고 어떤 (의 원소)가 존재하여 이다. 라그랑주의 평균값 정리를 두 번 적용하면 서로 다른 두 점이 나오지만, 코시의 정리는 분자와 분모에 같은 한 점을 준다.
이라 하고, 와 를 의 각 점에서 미분가능한 함수라 하며, 가 모든 (의 원소)에 대해 성립한다고 하자. 와 가 에 수렴하고(일 때), 또
여기서 은 실수, 또는 이다. 그러면 가 모든 (의 원소)에 대해 성립하고,
와 를 값 으로 보충하고(에서), 코시의 정리를 에서 적용한다. 몫 는 증분의 비이며, 와 사이의 한 점에서의 도함수의 비와 같다. 그림은 , , 으로 놓고 점 를 보여 준다. 몫 는 원점과 에 대응하는 점을 잇는 현의 기울기이고, 에서의 도함수의 비는 평행한 접선의 기울기이다.
증명
와 를 각각 와 와 같고(에서) 과 같은(에서) 함수라 하자. 를 의 원소라 하자. 둘 다 에서 연속이다. 에서는 우극한이 이기 때문이고, 나머지 점에서는 극한으로서의 도함수에 관한 수업의 미분가능하면 연속이라는 정리에 의한다. 의 각 점에서 둘은 미분가능하며 도함수는 와 의 도함수이다. 이는 미분법의 공식에 관한 수업의 미분계수의 국소성 보조정리에 의한다.
코시의 평균값 정리(에서)에 의해 , 즉 이고, 어떤 (와 사이)가 존재하여 증분의 비는 에서의 도함수의 비와 같다.
을 실수라 하고 라 하자. 좌극한과 우극한에 관한 수업의 우극한의 정의에 의해, 어떤 ( 이하로 잡을 수 있다)가 존재하여 이다(단, ). 이면, 위에서 얻은 점 는 를 만족한다. 이면, 도전 에 대한 같은 논증으로 를 얻고, 이면 를 얻는다.
가 에 어떻게 의존하는지도, 유일한지도 알 필요가 없다. 와 사이에 있으면 충분하다. 가정 는 구간 전체에서 요구된다. 코시의 정리가 각 에서 그것을 쓰기 때문이다. 극한은 가까운 값들에만 의존하므로, 그것이 성립하는 구간 를 아무리 작더라도 하나 찾으면 충분하다. 반면, 분모의 도함수가 그 점에 집적하는 고립점들에서만 영이 되거나, 변수가 무한대로 발산할 때 유계가 아닌 고립점들에서만 영이 되는 것으로는 충분하지 않으며, 예제 5가 이를 보여 준다. 와 가 더 큰 집합에서 정의되어 있으면, 로의 제한에 정리를 적용하면 되고, 이 제한들은 에서 같은 우극한을 갖는다.
왼쪽에서도 마찬가지이며, 구간 ()와 를 쓴다. 좌극한과 우극한에 관한 수업의 평행이동과 대칭이동 명제에 의해, 와 에 의 오른쪽 근처에서 정리를 적용하면 된다. 연쇄 법칙은 두 도함수의 부호를 바꾸지만 그 비는 바꾸지 않는다. 가정이 의 양쪽, 즉 와 에서 성립하면, 같은 수업의 극한과 한쪽 극한 정리에 의해 일 때의 극한을 얻는다(이 무한대이면, 두 반지름 중 작은 것으로 같은 논증을 한다). 함수는 에서 정의되어 있을 수도 있고 아닐 수도 있으며, 그곳에서의 값은 관여하지 않는다.
을 생각하자. 분자와 분모는 에 수렴하고, 분모의 도함수 은 밖에서 영이 되지 않는다. 도함수의 비는 로, 다시 꼴이며, 그 분모의 도함수 도 밖에서 영이 되지 않는다. 새 몫 는 삼각함수의 기본 극한에 의해 에 수렴한다:
이 등식의 열은 오른쪽에서 왼쪽으로 읽는다. 마지막 극한이 존재하고, 정리를 두 번 적용하여 그 값이 뒤로 전해진다. 두 번째 극한이 존재함을 알기 전에 첫 번째 등호를 쓰는 것은 계산을 적어 두는 한 방식일 뿐이며, 계산을 마쳤을 때 정당화된다. 두 번째 극한은 동치 무한소 표로도, 을 써서 얻을 수 있다. 첫 번째 극한은 그렇지 않다.
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