본문 바로가기
Topos Uranos

실변수 함수의 극한

요약

이 수업은 변수가 한 점에 가까워질 때 함수의 값이 어떤 수에 가까워진다는 생각을 정확한 정의로 바꾼다. 직관적인 생각으로는 왜 충분하지 않은지 보이고, 극한을 묻는 것이 의미 있는 곳을 알려 주는 집적점을 도입하며, 하나의 도전과 그에 대한 응답으로 읽히는 엡실론-델타 정의를 제시한다. 정의와 그 부정을 양화사가 있는 진술로 쓰고, 극한이 존재하면 유일하다는 것, 그 점 근처의 값에만 의존한다는 것, 그리고 함수가 그 점 근처에서 유계로 남고 부호를 보존하게 만든다는 것을 증명한다. 문제들에서는 다항함수, 근호, 몫에 대해 δ를 구성하고, 어떤 극한들이 존재하지 않음을 증명하며, 주어진 ε에 응하는 가장 큰 δ를 찾는다.

학습 목표

  1. 한 점에서 함수의 극한이라는 생각을 설명하고, 그것을 그 점에서의 함수의 값과 구별한다.
  2. 엡실론과 델타로 극한의 정의를 진술하고, 그 점이 정의역의 집적점이어야 한다는 요구를 정당화하며, 정의와 그 부정을 양화사로 쓴다.
  3. 간단한 대수함수의 극한값을 정의로 증명하되, 각 엡실론에 대해 델타를 구성한다.
  4. 극한의 유일성과 국소적 성질을 증명하고, 정의의 부정을 이용하여 어떤 극한이 존재하지 않음을 증명한다.

극한의 생각

대수와 기하는 함수가 각 점에서 갖는 값을 연구하고, 미적분학은 여기에 더해, 변수가 한 점에 가까워질 때 함수의 값에 무슨 일이 일어나는지를, 그 점에서 함수가 정의되지 않더라도 연구한다. 이 필요는 오래되었다. 곡선 위의 두 점을 잇는 직선의 기울기는 차분몫으로 계산된다. 접선의 기울기는 두 점이 겹칠 때 이 몫의 값이어야 하겠지만, 그때 몫은 00\frac{0}{0}의 꼴이 되고, 이것은 수가 아니다. 마찬가지로, 움직이는 물체의 평균속도는 이동한 거리를 걸린 시간으로 나눈 몫이고, 한 순간의 속도는 걸린 시간이 없어질 만큼 줄어들 때 이 몫이 이르게 되는 값이다. 두 경우 모두, 함수가 정의되지 않는 점 근처에서 함수의 값을 묻는다.

간단한 예가 이 상황을 보여 준다. 아래의 함수는 x=1x = 1에서 정의되지 않는데, 거기서 분모가 0이 되기 때문이다. 그러나 11에 가까운 점들에서의 값은 22에 가깝다.

f(x)=x2−1x−1,f(0.9)=1.9,f(0.99)=1.99,f(1.01)=2.01,f(1.1)=2.1f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}, \qquad f(0.9) = 1.9, \quad f(0.99) = 1.99, \quad f(1.01) = 2.01, \quad f(1.1) = 2.1

그 까닭은, x≠1x \neq 1일 때 분자가 (x−1)(x+1)(x - 1)(x + 1)의 꼴로 인수분해되고 몫이 x+1x + 1과 같아지기 때문이다. ff의 그래프는 직선 y=x+1y = x + 1에서 점 (1,2)(1, 2)에 구멍이 뚫린 것이다. 이때 ff의 극한(xx가 11로 갈 때의)은 22이라고 하고, 이렇게 쓴다.

lim⁡x→1x2−1x−1=2\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = 2

그런데 「값이 22에 가까워진다」는 말은 두 가지 이유로 정의가 되지 못한다. 첫째, 가까워지는 것만으로는 충분하지 않다. xx의 값이 0.90.9에서 0.990.99로 옮겨 갈 때, ff의 값은 33에도 가까워진다. 1.991.99의 값이 33에, 1.91.9의 값보다 더 가깝기 때문이다. 그런데도 33의 값은 극한이 아니다. 22의 값을 특별하게 만드는 것은, ff의 값이 그것에 원하는 만큼 가깝게 된다는 점이지, 단지 전보다 더 가까워진다는 점이 아니다. 둘째, 표는 유한 개의 점만 살피는데, 함수는 그 점들 사이에서 다르게 행동할 수 있다. 함수 sin⁡(πx)\sin\left(\frac{\pi}{x}\right)의 값은 00이고, 이는 x=0.1x = 0.1에서도, x=0.01x = 0.01에서도, 그리고 꼴이 1n\frac{1}{n}인 모든 점에서도 그렇다. 그런데도 이 함수는 00에서 극한을 갖지 않는데, 그 점들 사이에서 −1-1에서 11까지 진동하기 때문이다. 연습 문제 3은 같은 논증으로 이것을 sin⁡(1x)\sin\left(\frac{1}{x}\right)에 대해 증명한다. 그렇다면 정의는 가까운 모든 점에 대해 동시에 말해야 하고, 「원하는 만큼 가깝게」가 무엇을 뜻하는지 수로 정해야 한다. 이를 위한 도구는 거리를 재는 절댓값과 삼각부등식이며, 이것들은 실수 직선에 관한 수업에서 공부했다.

집적점

극한을 정의하기 전에, 어떤 점에서 극한을 묻는 것이 의미가 있는지 분명히 해야 한다. 점 aa의 경우 함수의 정의역에 속할 필요는 없으며, 방금 본 예가 그것을 보여 준다. 그러나 정의역의 점들이 aa에 원하는 만큼 가까이 있어야 한다. 그렇지 않으면 관찰할 함수의 값이 없을 것이기 때문이다.

정의집적점

AA를 실수의 집합이라 하자. 실수 aa가 AA의 집적점이라는 것은, 중심이 aa인 모든 열린구간이 AA의 원소 가운데 aa와 다른 것을 포함한다는 뜻이다.

(∀δ>0)(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A)(0 < \abs{x - a} < \delta)

AA의 원소 가운데 AA의 집적점이 아닌 것을 AA의 고립점이라 한다.

예를 들어, 11은 R∖{1}\mathbb{R} \setminus \{1\}(예의 함수의 정의역)의 집적점이지만, 그 집합에 속하지는 않는다. 닫힌구간 [0,1]\icc{0}{1}의 모든 점은 열린구간 (0,1)\ioo{0}{1}의 집적점이며, 끝점도 포함된다. 00은 수 1n\frac{1}{n}(nn은 자연수)의 집합의 집적점이다. 아르키메데스 성질에 의해, 모든 δ>0\delta > 0에 대해 자연수 nn이 존재하여 1n<δ\frac{1}{n} < \delta이 되기 때문이다. 반면에 집합 N\mathbb{N}에는 집적점이 없다. 중심이 aa이고 반지름이 12\frac{1}{2}인 구간은 자연수를 많아야 하나, 곧 mm만 포함한다. m=am = a이면 aa와 다른 자연수를 하나도 포함하지 않고, m≠am \neq a이면 반지름이 ∣m−a∣\abs{m - a}인 구간은 더 이상 자연수를 하나도 포함하지 않는다. 조건 0<∣x−a∣0 < \abs{x - a}는 본질적이다. 그것이 없으면 AA의 모든 원소가 AA의 집적점이 될 것이다. 중심이 aa인 모든 구간은 aa 자신을 포함하기 때문이다.

극한의 정의

이 개념들로 정의를 줄 수 있다. 「f(x)f(x)의 값이 LL에 원하는 만큼 가깝다」는 말은 이렇게 옮겨진다. 각 거리 ε>0\varepsilon > 0에 대해, 아무리 작더라도, ff의 값은 ε\varepsilon 미만의 거리로 LL에 가깝다. 단, xx의 값이 aa에 충분히 가까울 때, 곧 어떤 거리 δ>0\delta > 0 미만의 거리에 있고 aa와 같지 않을 때이다.

정의한 점에서 함수의 극한

ff를 실수의 집합 AA에서 정의된 실함수, aa를 AA의 집적점, LL을 실수라 하자. LL이 ff의 극한(xx가 aa로 갈 때의)이라 하고 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L이라 쓰는 것은, 모든 ε>0\varepsilon > 0에 대해 어떤 δ>0\delta > 0가 존재하여, 모든 xx(AA의 원소)이 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta를 만족하면 ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon도 만족할 때이다.

lim⁡x→af(x)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)\lim_{x \to a} f(x) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

기하학적으로, 조건 ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon은 그래프 위의 점 (x,f(x))(x, f(x))가 직선 y=L−εy = L - \varepsilon과 y=L+εy = L + \varepsilon 사이의 수평 띠에 있다는 것을 말한다. 조건 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta는 xx의 값이 중심이 aa이고 반지름이 δ\delta인 구간에 있으며, 그 중심은 아니라는 것을 말한다. 정의는 두 사람 사이의 게임으로 읽을 수 있다. 첫 번째 사람이 ε\varepsilon을 제시하는데, 이것은 LL 둘레의 띠의 반지름이며, 띠는 원하는 만큼 좁아도 된다. 두 번째 사람은 δ\delta로 응해야 하는데, 그 값은 반지름이 δ\delta인 구멍 뚫린 근방 위에 있는 그래프의 부분이 띠 안에 머물게 하는 값이어야 한다. 두 번째 사람이 모든 도전에 응할 수 있으면, 극한은 LL이다.

예시도전과 응답

함수 gg는 x2x^2과 같다(모든 x≠1x \neq 1에서). 그리고 x=1x = 1에서는 다른 값들과 맞지 않는 값을 일부러 정해 준다: g(1)=52g(1) = \frac{5}{2}. 극한 L=1L = 1(점 a=1a = 1에서의)에 대해 두 도전에 어떻게 응하는지 본다.

증명

  1. (∀x≠1)(g(x)=x2),g(1)=52(\forall x \neq 1)\left(g(x) = x^2\right), \qquad g(1) = \frac{5}{2}

    이 함수는 직선 전체에서 정의되어 있다. 11 근처에서 그 값들은 11에 가깝지만, x=1x = 1에서의 값만은 따로 떨어져 있다.

  2. ∣g(x)−1∣<45↔15<g(x)<95\abs{g(x) - 1} < \frac{4}{5} \leftrightarrow \frac{1}{5} < g(x) < \frac{9}{5}

    첫 번째 도전: ε=45\varepsilon = \frac{4}{5}. gg의 값들은 15\frac{1}{5}부터 95\frac{9}{5}까지의 띠에 머물러야 한다.

  3. δ=min⁡(1−15,95−1)=95−1\delta = \min\left(1 - \sqrt{\frac{1}{5}}, \sqrt{\frac{9}{5}} - 1\right) = \resaltar{\sqrt{\frac{9}{5}} - 1}

    양수인 xx(11과 다른 것)에 대해, 조건은 xx의 값이 15\sqrt{\frac{1}{5}}와 95\sqrt{\frac{9}{5}} 사이에 있는 것과 동치이다. 이 구간은 11에 대해 대칭이 아니며, 오른쪽 끝점이 더 가깝다. 두 거리 가운데 작은 것으로 응한다.

  4. 0<∣x−1∣<δ→∣g(x)−1∣<450 < \abs{x - 1} < \delta \rightarrow \abs{g(x) - 1} < \frac{4}{5}

    모든 xx의 경우, 11로부터의 거리가 δ\delta보다 작고 11이 아니면 조건을 만족한다. 구멍 뚫린 근방 위에 있는 그래프의 부분은 띠 안에 머문다. 점 (1,g(1))(1, g(1))은 띠 밖에 있지만 상관없다. 정의가 x=1x = 1의 경우를 제외하기 때문이다.

  5. ε=25→δ=75−1\varepsilon = \frac{2}{5} \rightarrow \delta = \resaltar{\sqrt{\frac{7}{5}} - 1}

    더 까다로운 도전 ε=25\varepsilon = \frac{2}{5}은 더 작은 응답을 요구한다. 일반적으로, 0<ε<10 < \varepsilon < 1일 때 δ=1+ε−1\delta = \sqrt{1 + \varepsilon} - 1이면 되고, 이것은 ε\varepsilon의 값이 작아질 때 원하는 만큼 작아진다. δ\delta의 값은 ε\varepsilon에 의존한다.

이 예는 염두에 둘 만한 정의의 세 가지 특징을 보여 준다. 첫째, δ\delta의 값은 ε\varepsilon에 의존하며, 일반적으로는 점 aa에도 의존한다. 어떤 δ\delta가 한 도전에 응하면, 그보다 작은 양수는 모두 응하므로, 하나를 찾으면 충분하고 가장 큰 것은 필요하지 않다. 둘째, aa에서의 함수의 값은, 존재하더라도 관여하지 않는다. 조건 0<∣x−a∣0 < \abs{x - a}이 그것을 제외하며, 그래서 gg의 11에서의 극한은 11이다. g(1)g(1)의 값이 52\frac{5}{2}이더라도 그렇다. 셋째, 정의역의 xx만 고려되고, 나머지는 살피지 않는다.

예시일차함수

lim⁡x→2(3x−1)=5\lim_{x \to 2} (3x - 1) = 5임을 증명한다. ε>0\varepsilon > 0가 주어졌을 때, ∣(3x−1)−5∣<ε\abs{(3x - 1) - 5} < \varepsilon이 되게 해야 한다. 식을 간단히 하면 ∣x−2∣\abs{x - 2}와의 관계가 드러난다.

∣(3x−1)−5∣=∣3x−6∣=3∣x−2∣\abs{(3x - 1) - 5} = \abs{3x - 6} = 3\abs{x - 2}

따라서 3∣x−2∣<ε3\abs{x - 2} < \varepsilon이면, 곧 ∣x−2∣<ε3\abs{x - 2} < \frac{\varepsilon}{3}이면 충분하다. δ=ε3\delta = \frac{\varepsilon}{3}으로 응한다. 0<∣x−2∣<ε30 < \abs{x - 2} < \frac{\varepsilon}{3}이면 ∣(3x−1)−5∣<3⋅ε3=ε\abs{(3x - 1) - 5} < 3 \cdot \frac{\varepsilon}{3} = \varepsilon이다. 마찬가지로, 상수함수 cc에 대해서는 어떤 δ\delta도 응한다. ∣c−c∣=0<ε\abs{c - c} = 0 < \varepsilon이기 때문이다. 항등함수에 대해서는 δ=ε\delta = \varepsilon가 응한다. 요구되는 조건 ∣x−a∣<ε\abs{x - a} < \varepsilon이 가정된 조건과 같기 때문이다. 따라서

lim⁡x→ac=c,lim⁡x→ax=a\lim_{x \to a} c = c, \qquad \lim_{x \to a} x = a

이 예의 방법이 일반적인 방법이다. ∣f(x)−L∣\abs{f(x) - L}의 식을 인수 ∣x−a∣\abs{x - a}가 나타나도록 쓰고, 나머지를 위에서 누른다. 나머지가 상수가 아닐 때는, δ\delta의 값을 미리 고정된 값으로 제한하여 누른다. 예를 들어 δ≤1\delta \leq 1로 한다. 이것이 아래 예의 기법이다.

예시제곱

lim⁡x→3x2=9\lim_{x \to 3} x^2 = 9임을 증명한다. ε>0\varepsilon > 0라 하자.

증명

  1. ∣x2−9∣=∣x−3∣⋅∣x+3∣\abs{x^2 - 9} = \abs{x - 3} \cdot \dato{f}{\abs{x + 3}}

    제곱의 차를 인수분해한다. 작게 만들 인수 ∣x−3∣\abs{x - 3}이 나타나고, 여기에 xx에 의존하는 인수가 곱해져 있다.

  2. ∣x−3∣<1→5<x+3<7→∣x+3∣<7\abs{x - 3} < 1 \rightarrow 5 < x + 3 < 7 \rightarrow \dato{c}{\abs{x + 3} < 7}

    ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1을 요구하면, xx의 값은 22와 44 사이에 있고, 둘째 인수는 77로 위에서 눌린다.

  3. δ=min⁡(1,ε7)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{7}\right)

    이 제한 아래에서, 더 나아가 7∣x−3∣<ε7\abs{x - 3} < \varepsilon이면 충분하다. 두 조건이 모두 성립하도록 δ\delta를 두 수 가운데 작은 것으로 택한다.

  4. ∣x2−9∣=∣x−3∣∣x+3∣<ε7⋅7=ε\abs{x^2 - 9} = \abs{x - 3}\abs{x + 3} < \frac{\varepsilon}{7} \cdot 7 = \resaltar{\varepsilon}

    0<∣x−3∣<δ0 < \abs{x - 3} < \delta이면 ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1이고 ∣x−3∣<ε7\abs{x - 3} < \frac{\varepsilon}{7}이다. 이로부터 요구되는 부등식이 따른다.

이 수업 처음의 극한도 같은 방식으로 증명되며, 앞으로 자주 쓸 관찰이 함께 따른다. 정의는 점 aa를 살피지 않으므로, ff의 식을 간단히 해도 된다. 단, aa와 다른 점들에서이다. x≠1x \neq 1일 때 몫 x2−1x−1\frac{x^2 - 1}{x - 1}은 x+1x + 1과 같고, 따라서 ∣f(x)−2∣=∣x−1∣\abs{f(x) - 2} = \abs{x - 1}이다. δ=ε\delta = \varepsilon이 응한다. 인수 x−1x - 1을 약분하는 것이 정당한 것은, 정의에서 xx의 값이 결코 11이 되지 않기 때문이다.

양화사가 있는 진술로서의 정의

극한의 정의는 번갈아 나오는 세 양화사를 가진 진술이다. 모든 ε\varepsilon에 대해, 어떤 δ\delta가 존재하여, 모든 xx에 대해, 라는 꼴이다. 그 논리 구조는 술어 논리가 연구하는 진술의 구조이며, 그것을 다룰 줄 아는 것이 극한을 다루는 일의 절반이다. 여기서 두 가지 귀결이 나온다.

첫째는 양화사의 순서가 중요하다는 것이다. 정의에서 δ\delta의 값은 ε\varepsilon의 값을 안 뒤에 택해지므로, 그것에 의존할 수 있다. 만약 먼저 (∃δ>0)(\exists \delta > 0)을 쓰고 그 뒤에 (∀ε>0)(\forall \varepsilon > 0)를 쓴다면, 같은 하나의 δ\delta가 모든 ε\varepsilon에 동시에 통해야 하며, 이것은 훨씬 강한 주장이다. 연습 문제 4는 그것의 특징을 밝히라고 요구한다.

둘째는 정의의 부정이 양화사의 부정 규칙으로 얻어진다는 것이다. 「모든」의 부정은 「어떤 …이 존재하여 … 아니다」이고, 「존재한다」의 부정은 「모든 …에 대해 … 아니다」이다. 이렇게 하여 LL의 값이 극한이 아니라는 것이 무슨 뜻인지 얻어진다.

명제극한 정의의 부정

ff를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 집적점, LL을 실수라 하자. 수 LL이 ff의 극한(xx가 aa로 갈 때의)이 아닐 필요충분조건은, 어떤 ε>0\varepsilon > 0이 존재하여, 모든 δ>0\delta > 0에 대해, 어떤 xx(AA의 원소)가 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta이고 ∣f(x)−L∣≥ε\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon인 것이 존재하는 것이다. 부정을 양화사 하나하나씩 안쪽으로 옮겨, 함언에 이를 때까지 계속한다.

증명

  1. ¬(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)\neg (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    정의 전체를 부정한다.

  2. (∃ε>0)¬(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0) \resaltar{\neg} (\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    전칭 진술의 부정은 그것이 성립하지 않는 경우가 존재한다는 것이다.

  3. (∃ε>0)(∀δ>0)¬(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0) \resaltar{\neg} (\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    존재 진술의 부정은 모든 경우가 성립하지 않는다는 것이다.

  4. (∃ε>0)(∀δ>0)(∃x∈A)¬(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A) \resaltar{\neg} \left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)

    다시 전칭 진술을 부정한다.

  5. (∃ε>0)(∀δ>0)(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ∧∣f(x)−L∣≥ε)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \wedge \resaltar{\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon}\right)

    함언이 거짓일 필요충분조건은 전건이 참이고 후건이 거짓인 것이다. 또한 삼분법에 의해 ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon의 부정은 ∣f(x)−L∣≥ε\abs{f(x) - L} \geq \varepsilon이다.

게임의 말로 하면, LL의 값이 극한이 아닌 것은 첫 번째 사람이 어떤 응답도 통하지 않는 도전을 가지고 있을 때이다. 제시된 δ\delta의 값이 아무리 작아도, 구멍 뚫린 근방의 점 가운데 그 값이 띠를 벗어나는 것이 있다. 함수가 aa에서 극한을 갖지 않음을 증명하려면, 어떤 실수 LL도 극한이 아님을 보여야 하며, 예제 4에서 그렇게 한다.

기본 성질

기호 lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L은 마치 하나뿐인 수인 것처럼 그 극한에 대해 말한다. 이것은 증명을 필요로 한다. 곧 서로 다른 두 수가 동시에 정의를 만족할 수 없다는 증명이다. 여기서 aa의 값이 정의역의 집적점이어야 한다는 요구가 작용한다. 그렇지 않다면 어떤 δ0>0\delta_0 > 0이 존재하여, 정의역의 어떤 xx도 0<∣x−a∣<δ00 < \abs{x - a} < \delta_0를 만족하지 않을 것이다. 언제나 이 δ0\delta_0으로 응하면, 정의의 함언은 모든 LL에 대해 참이 될 것이다. 그 전건이 결코 성립하지 않기 때문이다. 그러면 모든 수가 극한이 될 것이다.

정리극한의 유일성

ff를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 집적점이라 하자. lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L이고 lim⁡x→af(x)=L′\lim_{x \to a} f(x) = L'이면 L=L′L = L'이다. 귀류법으로 생각한다. 두 극한이 다르다고, 예를 들어 L<L′L < L'이라고 가정하고, ε\varepsilon을 충분히 작게 택하여 반지름이 ε\varepsilon인 두 띠(각각 LL과 L′L' 둘레의)가 서로 닿지 않게 한다.

증명

  1. ε=L′−L2>0\dato{e}{\varepsilon = \frac{L' - L}{2} > 0}

    L<L′L < L'이라 가정하고, ε\varepsilon을 둘 사이의 거리의 절반이라 하자. 이것은 양수이다.

  2. 0<∣x−a∣<δ1→∣f(x)−L∣<ε,0<∣x−a∣<δ2→∣f(x)−L′∣<ε0 < \abs{x - a} < \delta_1 \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon, \qquad 0 < \abs{x - a} < \delta_2 \rightarrow \abs{f(x) - L'} < \varepsilon

    반지름이 ε\varepsilon이고 각각 LL과 L′L' 둘레에 있는 두 띠는 공통점이 없으며, 이 ε\varepsilon으로 각 극한에 정의를 적용한다. 두 응답 δ1\delta_1과 δ2\delta_2가 얻어지며, 이들은 일반적으로 다르다.

  3. δ=min⁡(δ1,δ2),(∃x∈A)(0<∣x−a∣<δ)\delta = \min(\delta_1, \delta_2), \quad (\exists x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta\right)

    두 조건이 동시에 성립하도록 두 반지름 가운데 작은 것을 택한다. aa의 값이 AA의 집적점이므로, 반지름이 δ\delta인 구멍 뚫린 근방은 정의역의 어떤 xx를 포함한다.

  4. ∣f(x)−L∣<ε∧∣f(x)−L′∣<ε\dato{d}{\abs{f(x) - L} < \varepsilon \wedge \abs{f(x) - L'} < \varepsilon}

    이 xx에 대해 두 부등식이 모두 성립한다. 값 f(x)f(x)는 두 띠에 동시에 있게 될 것이다.

  5. L′−L≤∣L′−f(x)∣+∣f(x)−L∣<2ε=L′−LL' - L \leq \abs{L' - f(x)} + \abs{f(x) - L} < 2\varepsilon = \resaltar{L' - L}

    삼각부등식에 의해, LL과 L′L' 사이의 거리는 2ε2\varepsilon보다 작게 되는데, 이것은 바로 그 거리이다. 모순이다. 따라서 L<L′L < L'일 수 없다. 마찬가지로 L′<LL' < L일 수도 없으며, 삼분법에 의해 L=L′L = L'이다.

아래의 보조정리는 몫 x2−1x−1\frac{x^2 - 1}{x - 1}을 간단히 할 수 있게 해 준 관찰을 정식화한다. aa에서의 극한은 aa 근처에서의 함수의 값에만 의존하고, aa에서 갖는 값에도, 그 점에서 먼 값에도 의존하지 않는다.

보조정리극한은 가까운 값에만 의존한다

ff와 gg를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 집적점이라 하고, r>0r > 0은 f(x)=g(x)f(x) = g(x)이 모든 xx(AA의 원소로서 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r인 것)에 대해 성립하게 하는 수라 하자. lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L이면 lim⁡x→ag(x)=L\lim_{x \to a} g(x) = L이다. ff에 통하는 응답을 택하고, 필요하면 rr까지 줄이면 된다.

증명

  1. 0<∣x−a∣<δ1→∣f(x)−L∣<ε\dato{f}{0 < \abs{x - a} < \delta_1 \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon}

    ε>0\varepsilon > 0이라 하자. 가정에 의해 어떤 응답 δ1\delta_1이 존재한다(ff에 대한).

  2. δ=min⁡(δ1,r)\delta = \min(\delta_1, r)

    이 응답과, 두 함수가 일치하는 반지름 가운데 작은 것을 택한다.

  3. ∣g(x)−L∣=∣f(x)−L∣<ε\abs{g(x) - L} = \abs{\resaltar{f(x)} - L} < \varepsilon

    xx의 값이 AA의 원소이고 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta이면 g(x)=f(x)g(x) = f(x)이다. δ≤r\delta \leq r이기 때문이다. 그리고 f(x)f(x)의 값은 띠 안에 있다. δ≤δ1\delta \leq \delta_1이기 때문이다.

아래의 두 성질은 극한이 그 점 근처에서 함수에 조건을 부과한다는 것을 말한다. 첫째는 함수가 유계로 남게 하고, 둘째는 극한이 0이 아닐 때 함수가 극한의 부호를 갖게 한다. 둘 다 미리 택한 ε\varepsilon으로 정의를 적용하여 얻어지며, 극한의 연산 법칙에 관한 수업에서 곱과 몫의 법칙을 증명하는 도구가 될 것이다.

명제국소 유계성과 부호 보존

ff를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 집적점이라 하고, lim⁡x→af(x)=L\lim_{x \to a} f(x) = L라 하자. 그러면 어떤 δ>0\delta > 0이 존재하여, 모든 xx(AA의 원소로서 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta인 것)에 대해 ∣f(x)∣<∣L∣+1\abs{f(x)} < \abs{L} + 1이 성립한다. 또한 L≠0L \neq 0이면, 어떤 δ>0\delta > 0가 존재하여, 그 같은 xx에 대해 f(x)f(x)의 값은 LL과 같은 부호를 가지며 ∣f(x)∣>∣L∣2\abs{f(x)} > \frac{\abs{L}}{2}이다. 각 주장은 구체적인 도전에 적용된 정의이다. 첫째에는 ε=1\varepsilon = 1, 둘째에는 ε=∣L∣2\varepsilon = \frac{\abs{L}}{2}를 쓴다.

증명

  1. 0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<10 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \dato{u}{\abs{f(x) - L} < 1}

    ε=1\varepsilon = 1로 하면, 정의로부터 어떤 δ\delta가 얻어져, ff의 값과 LL 사이의 거리가 11보다 작다.

  2. ∣f(x)∣≤∣f(x)−L∣+∣L∣<∣L∣+1\abs{f(x)} \leq \abs{f(x) - L} + \abs{L} < \resaltar{\abs{L} + 1}

    삼각부등식에 의해, f(x)f(x)의 절댓값은 LL의 절댓값에 이 거리를 더한 것을 넘지 않는다.

  3. L−∣L∣2<f(x)<L+∣L∣2\dato{m}{L - \frac{\abs{L}}{2} < f(x) < L + \frac{\abs{L}}{2}}

    L≠0L \neq 0이면, ε=∣L∣2\varepsilon = \frac{\abs{L}}{2}(이것은 양수이다)로 하여, 정의로부터 다른 δ\delta가 얻어지고, f(x)f(x)의 값은 중심이 LL이고 반지름이 ∣L∣2\frac{\abs{L}}{2}인 구간에 머문다.

  4. L>0→f(x)>L2>0,L<0→f(x)<L2<0L > 0 \rightarrow f(x) > \resaltar{\frac{L}{2}} > 0, \qquad L < 0 \rightarrow f(x) < \resaltar{\frac{L}{2}} < 0

    L>0L > 0이면 왼쪽 끝점은 L2\frac{L}{2}이고, 이것은 양수이다. L<0L < 0이면 오른쪽 끝점은 L2\frac{L}{2}이고, 이것은 음수이다. 두 경우 모두 f(x)f(x)의 값은 LL과 같은 부호를 가지며, 00으로부터의 거리가 ∣L∣2\frac{\abs{L}}{2}보다 크다.

정의를 이용하면 어떤 극한의 값도 증명할 수 있지만, 함수가 복잡해질수록 일이 늘어난다. 극한의 연산 법칙에 관한 수업은 이 수업을 바탕으로 합, 곱, 몫, 거듭제곱, 근호의 법칙을 증명하며, 이 법칙들을 쓰면 매번 δ\delta를 다시 찾지 않고도 대부분의 극한을 계산할 수 있다.

예제

문제들은 난이도 순으로 나아간다. 처음 셋은 다항식, 근호, 몫에 대해 δ\delta를 구성하며, 각각 ∣x−a∣\abs{x - a}에 딸린 인수를 위에서 누르는 자기만의 방법을 가진다. 넷째는 정의의 부정을 이용하여 극한이 존재하지 않음을 증명한다. 마지막 문제는 주어진 도전에 응하는 가장 큰 δ\delta를 찾는다.

예제 1이차 다항식

정의를 이용하여 lim⁡x→2(x2+x)=6\lim_{x \to 2} (x^2 + x) = 6임을 증명하여라.

풀이

  1. ∣(x2+x)−6∣=∣x−2∣⋅∣x+3∣\abs{(x^2 + x) - 6} = \abs{x - 2} \cdot \dato{f}{\abs{x + 3}}

    ε>0\varepsilon > 0이라 하자. 22는 다항식 x2+x−6x^2 + x - 6의 근이므로, 이 다항식은 인수 x−2x - 2를 갖는다.

  2. ∣x−2∣<1→4<x+3<6→∣x+3∣<6\abs{x - 2} < 1 \rightarrow 4 < x + 3 < 6 \rightarrow \dato{c}{\abs{x + 3} < 6}

    미리 반지름을 11로 제한한다. 그러면 xx의 값은 11과 33 사이에 있고, 둘째 인수는 위에서 눌린다.

  3. δ=min⁡(1,ε6)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{6}\right)

    이 제한 아래에서는 6∣x−2∣<ε6\abs{x - 2} < \varepsilon이면 충분하다. 두 반지름 가운데 작은 것을 택한다.

  4. ∣(x2+x)−6∣=∣x−2∣∣x+3∣<ε6⋅6=ε\abs{(x^2 + x) - 6} = \abs{x - 2}\abs{x + 3} < \frac{\varepsilon}{6} \cdot 6 = \resaltar{\varepsilon}

    0<∣x−2∣<δ0 < \abs{x - 2} < \delta이면 두 조건이 모두 성립하고, 요구되는 부등식이 따른다.

예제 2제곱근

정의를 이용하여 lim⁡x→4x=2\lim_{x \to 4} \sqrt{x} = 2임을 증명하여라. 단, 함수는 [0,∞)\ico{0}{\infty}에서 정의되어 있다.

풀이

  1. x−2=(x−2)(x+2)x+2=x−4x+2\sqrt{x} - 2 = \frac{(\sqrt{x} - 2)(\sqrt{x} + 2)}{\sqrt{x} + 2} = \dato{q}{\frac{x - 4}{\sqrt{x} + 2}}

    ε>0\varepsilon > 0이라 하자. x−4x - 4의 식이 나타나도록, 켤레식 x+2\sqrt{x} + 2를 곱하고 나눈다. 이것은 양수이다.

  2. ∣x−2∣=∣x−4∣x+2≤∣x−4∣2\abs{\sqrt{x} - 2} = \frac{\abs{x - 4}}{\sqrt{x} + 2} \leq \dato{c}{\frac{\abs{x - 4}}{2}}

    분모는 적어도 22이다. x≥0\sqrt{x} \geq 0이기 때문이다. 이번에는 반지름을 제한할 필요가 없다. 이 상계가 정의역 전체에서 성립하기 때문이다.

  3. δ=2ε\delta = 2\varepsilon

    따라서 ∣x−4∣2<ε\frac{\abs{x - 4}}{2} < \varepsilon이면 충분하다.

  4. ∣x−2∣≤∣x−4∣2<2ε2=ε\abs{\sqrt{x} - 2} \leq \frac{\abs{x - 4}}{2} < \frac{2\varepsilon}{2} = \resaltar{\varepsilon}

    x≥0x \geq 0이고 0<∣x−4∣<2ε0 < \abs{x - 4} < 2\varepsilon이면 요구되는 부등식이 얻어진다. 정의역의 xx만 살핀다. 근호가 정의되지 않는 음수들은, 비록 44에 가깝더라도(ε\varepsilon의 값이 클 때) 고려되지 않는다.

예제 3몫

정의를 이용하여 lim⁡x→31x=13\lim_{x \to 3} \frac{1}{x} = \frac{1}{3}임을 증명하여라. 단, 함수는 R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}에서 정의되어 있다.

풀이

  1. ∣1x−13∣=∣3−x3x∣=∣x−3∣3∣x∣\abs{\frac{1}{x} - \frac{1}{3}} = \abs{\frac{3 - x}{3x}} = \frac{\abs{x - 3}}{\dato{d}{3\abs{x}}}

    ε>0\varepsilon > 0이라 하자. 차를 통분한다.

  2. ∣x−3∣<1→x>2→3∣x∣>6\abs{x - 3} < 1 \rightarrow x > 2 \rightarrow \dato{c}{3\abs{x} > 6}

    이제 ∣x−3∣\abs{x - 3}에 딸린 인수가 분모에 있으므로, 분모가 00에 가까워지지 않게 해야 한다. ∣x−3∣<1\abs{x - 3} < 1이면 x>2x > 2이고, 분모는 66보다 크다.

  3. δ=min⁡(1,6ε)\delta = \min(1, 6\varepsilon)

    이 제한 아래에서 몫은 ∣x−3∣6\frac{\abs{x - 3}}{6}보다 작고, 이 양이 ε\varepsilon보다 작으면 충분하다.

  4. ∣1x−13∣<∣x−3∣6<6ε6=ε\abs{\frac{1}{x} - \frac{1}{3}} < \frac{\abs{x - 3}}{6} < \frac{6\varepsilon}{6} = \resaltar{\varepsilon}

    0<∣x−3∣<δ0 < \abs{x - 3} < \delta이면 두 조건이 모두 성립한다. 미리 제한하지 않으면 이 방법은 실패한다. x=0x = 0 근처에서 몫이 한없이 커지기 때문이다.

예제 4뛰는 함수

부호함수는 R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}에서 정의되며, 양수에서는 11, 음수에서는 −1-1의 값을 갖는다. xx의 값이 00으로 갈 때 이 함수가 극한을 갖지 않음을 증명하여라.

s(x)=x∣x∣s(x) = \frac{x}{\abs{x}}

풀이

  1. (∀L)(∃ε>0)(∀δ>0)(∃x)(0<∣x∣<δ∧∣s(x)−L∣≥ε)(\forall L)(\exists \varepsilon > 0)(\forall \delta > 0)(\exists x)\left(0 < \abs{x} < \delta \wedge \abs{s(x) - L} \geq \varepsilon\right)

    00은 정의역의 집적점이다. 어떤 실수 LL도 극한이 아님을 증명해야 한다. 정의의 부정에 의해, 각 LL에 대해 어떤 δ\delta도 응하지 못하는 도전을 찾으면 충분하다. ε=1\varepsilon = 1를 제시하고, 모든 LL에 대해 그것을 쓴다.

  2. s(δ2)=1,s(−δ2)=−1s\left(\frac{\delta}{2}\right) = 1, \qquad s\left(-\frac{\delta}{2}\right) = -1

    δ>0\delta > 0을 임의의 수라 하자. 반지름이 δ\delta인 구멍 뚫린 근방은 양수 하나와 음수 하나를 포함하며, 거기서 함수의 값은 각각 11과 −1-1이다.

  3. 2=∣1−(−1)∣≤∣1−L∣+∣L−(−1)∣2 = \abs{1 - (-1)} \leq \abs{1 - L} + \abs{L - (-1)}

    11과 −1-1 사이의 거리는 22이다. 삼각부등식에 의해, LL에서 이 두 값까지의 거리의 합은 적어도 22이다.

  4. ∣s(δ2)−L∣≥1∨∣s(−δ2)−L∣≥1\abs{s\left(\frac{\delta}{2}\right) - L} \geq 1 \vee \abs{s\left(-\frac{\delta}{2}\right) - L} \geq 1

    이로부터 두 거리 가운데 하나는 적어도 11이다. 둘 다 11보다 작다면, 그 합은 22보다 작을 것이기 때문이다.

  5. ¬(∃L)(lim⁡x→0s(x)=L)\neg (\exists L)\left(\lim_{x \to 0} s(x) = L\right)

    이렇게 하여, 각 LL에 대해 도전 ε=1\varepsilon = 1에는 응답이 없다. 폭이 22이고 경계를 제외한 띠는 값 11과 −1-1을 동시에 포함하지 못한다. 이 함수는 00에서 극한을 갖지 않는다.

예제 5가장 큰 δ

함수 f(x)=x2f(x) = x^2에 대해, 점 a=1a = 1에서, L=1L = 1과 도전 ε=12\varepsilon = \frac{1}{2}에 대해, 이 도전에 응하는 가장 큰 δ\delta를 구하여라.

풀이

  1. ∣x2−1∣<12↔12<x2<32\abs{x^2 - 1} < \frac{1}{2} \leftrightarrow \frac{1}{2} < x^2 < \frac{3}{2}

    조건 ∣x2−1∣<12\abs{x^2 - 1} < \frac{1}{2}은 x2x^2의 값이 12\frac{1}{2}와 32\frac{3}{2} 사이에 있다는 뜻이다.

  2. 12<x<32\sqrt{\frac{1}{2}} < x < \sqrt{\frac{3}{2}}

    11 근처에서 xx의 값은 양수이며, 조건은 xx의 값이 두 끝점의 제곱근 사이에 있는 것과 동치이다.

  3. 1−12≈0.293,32−1≈0.2251 - \sqrt{\frac{1}{2}} \approx 0.293, \qquad \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 \approx 0.225

    11에서 두 끝점까지의 거리는 다르다. 포물선은 11의 오른쪽에서 더 빨리 올라가며, 오른쪽 끝점이 더 가깝다.

  4. δ=32−1=6−22\delta = \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 = \resaltar{\frac{\sqrt{6} - 2}{2}}

    중심이 11이고 반지름이 δ\delta인 구간은 구한 구간 안에 들어가야 한다. 그 반지름은 두 거리 가운데 작은 것을 넘을 수 없으며, 이 작은 거리가 도전에 응한다.

  5. 0<32−1<δ′,∣(32)2−1∣=120 < \sqrt{\frac{3}{2}} - 1 < \delta', \qquad \abs{\left(\sqrt{\frac{3}{2}}\right)^2 - 1} = \frac{1}{2}

    그보다 큰 반지름은 통하지 않는다. δ′>δ\delta' > \delta이면, 점 x=32x = \sqrt{\frac{3}{2}}와 11 사이의 거리는 δ′\delta'보다 작고, 거기서 x2x^2과 11 사이의 거리는 정확히 12\frac{1}{2}이며, 이것은 ε\varepsilon보다 작지 않다.

연습 문제

문제들은 난이도 순으로 나아간다. 처음 둘은 다른 다항식으로 반지름을 제한하는 기법을 되풀이한다. 셋째는 진동하는 함수에 정의의 부정을 적용한다. 넷째는 양화사의 순서를 바꾸면 무슨 일이 일어나는지 살핀다. 마지막 문제는 단 한 점에서만 극한을 갖는 함수를 연구한다. 각 문제에는 힌트가 있으며, 스스로 시도해 본 뒤에만 여는 것이 좋다.

연습 문제 1또 하나의 이차 다항식

정의를 이용하여 lim⁡x→−1(2x2−3x)=5\lim_{x \to -1} (2x^2 - 3x) = 5임을 증명하여라.

힌트

2x2−3x−52x^2 - 3x - 5의 식을 인수분해하여라. 이 식은 근 −1-1을 갖는다. 반지름을 11로 제한하고, −2-2부터 00까지의 구간에서 다른 인수를 위에서 눌러라.

정답

2x2−3x−5=(x+1)(2x−5)2x^2 - 3x - 5 = (x + 1)(2x - 5)이고, ∣x+1∣<1\abs{x + 1} < 1이면 ∣2x−5∣<9\abs{2x - 5} < 9이므로, 아래의 δ가 응한다.

δ=min⁡(1,ε9)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{9}\right)
연습 문제 2세제곱

정의를 이용하여 lim⁡x→1x3=1\lim_{x \to 1} x^3 = 1임을 증명하여라.

힌트

세제곱의 차의 인수분해 x3−1=(x−1)(x2+x+1)x^3 - 1 = (x - 1)(x^2 + x + 1)을 이용하고, xx의 값이 00과 22 사이에 있을 때 둘째 인수를 위에서 눌러라.

정답

∣x−1∣<1\abs{x - 1} < 1이면 0<x2+x+1<70 < x^2 + x + 1 < 7이므로, 아래의 δ가 응한다.

δ=min⁡(1,ε7)\delta = \min\left(1, \frac{\varepsilon}{7}\right)
연습 문제 3진동하는 함수

함수 sin⁡(1x)\sin\left(\frac{1}{x}\right)(R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\}에서 정의된 것)은 xx의 값이 00으로 갈 때 극한을 갖지 않음을 증명하여라.

힌트

예제 4의 방법을 따르라. 중심이 00인 모든 구멍 뚫린 근방에는 함수의 값이 11인 점들과 −1-1인 점들이 있다. xx의 값으로 꼴이 1π2+2nπ\frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}와 13π2+2nπ\frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}인 것을 찾아라. 단, nn은 충분히 큰 자연수이다.

정답

각 LL에 대해 어떤 δ\delta도 도전 ε=1\varepsilon = 1에 응하지 못한다. nn의 값이 클 때 아래의 두 점과 00 사이의 거리가 δ\delta보다 작고, 거기서 함수의 값은 각각 11과 −1-1이기 때문이다.

xn=1π2+2nπ,yn=13π2+2nπx_n = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}, \qquad y_n = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}
풀이 과정

풀이

  1. 0<13π2+2nπ<1π2+2nπ<12nπ<δ0 < \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi} < \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi} < \frac{1}{2n\pi} < \resaltar{\delta}

    LL을 실수라 하고 δ>0\delta > 0라 하자. 아르키메데스 성질에 의해 자연수 nn이 존재하여 2nπ>1δ2n\pi > \frac{1}{\delta}이다. 그러면 아래의 두 점은 양수이고 δ\delta보다 작다.

  2. sin⁡(π2+2nπ)=1,sin⁡(3π2+2nπ)=−1\sin\left(\frac{\pi}{2} + 2n\pi\right) = 1, \qquad \sin\left(\frac{3\pi}{2} + 2n\pi\right) = -1

    첫째 점에서 1x\frac{1}{x}의 값은 사인값이 11인 각이고, 둘째 점에서는 사인값이 −1-1인 각이다.

  3. ∣1−L∣+∣L+1∣≥2→∣1−L∣≥1∨∣−1−L∣≥1\abs{1 - L} + \abs{L + 1} \geq 2 \rightarrow \abs{1 - L} \geq 1 \vee \abs{-1 - L} \geq 1

    예제 4에서처럼, LL에서 11과 −1-1까지의 거리의 합은 적어도 22이며, 그 가운데 하나는 적어도 11이다. 도전 ε=1\varepsilon = 1에는 응답이 없으며, 어떤 LL에 대해서도 그렇다.

연습 문제 4양화사의 순서

ff를 AA에서 정의된 함수, aa를 AA의 집적점, LL을 실수라 하자. 아래의 진술은 극한의 정의에서 처음 두 양화사를 맞바꾸어 얻어지는 것인데, 이 진술이 성립할 필요충분조건은 ff의 값이 LL이고, 이것이 AA의 점 가운데 중심이 aa인 어떤 구멍 뚫린 근방에 있는 모든 점에서 성립하는 것임을 증명하여라. 함수 x2x^2은 a=3a = 3에서, L=9L = 9일 때 이 진술을 만족하는가?

(∃δ>0)(∀ε>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣<ε)(\exists \delta > 0)(\forall \varepsilon > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)
힌트

음이 아닌 수가 모든 ε>0\varepsilon > 0보다 작으면, 그 수는 00이다. 그렇지 않으면 그 수 자신이, 그 수가 그보다 작지 않은 ε\varepsilon이 될 것이다.

정답

진술의 δ\delta를 고정하면, 구멍 뚫린 근방의 각 xx는 ∣f(x)−L∣<ε\abs{f(x) - L} < \varepsilon을 만족하고, 이는 모든 ε>0\varepsilon > 0에 대해 그러하므로 f(x)=Lf(x) = L이다. 역은 자명하다. 함수 x2x^2은 33에서 이 진술을 만족하지 않는다. 거기서의 극한은 99이지만, 어떤 구간에서도 상수가 아니기 때문이다.

(3+δ2)2≠9\left(3 + \frac{\delta}{2}\right)^2 \neq 9
풀이 과정

풀이

  1. (∀ε>0)(∣f(x)−L∣<ε)\dato{t}{(\forall \varepsilon > 0)\left(\abs{f(x) - L} < \varepsilon\right)}

    진술을 가정하고, δ\delta를 그것이 존재를 주장하는 반지름이라 하자. xx(AA의 원소)로서 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta인 것을 택한다. 부등식은 모든 양수 ε\varepsilon에 대해 성립한다.

  2. ∣f(x)−L∣<∣f(x)−L∣→⊥,f(x)=L\abs{f(x) - L} < \abs{f(x) - L} \rightarrow \bot, \qquad \resaltar{f(x) = L}

    만약 ∣f(x)−L∣\abs{f(x) - L}의 값이 양수라면, ε=∣f(x)−L∣\varepsilon = \abs{f(x) - L}로 택할 수 있고, 부등식은 어떤 수가 자기 자신보다 작다고 말하게 된다. 따라서 그 값은 00이고, f(x)=Lf(x) = L이다.

  3. 0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−L∣=0<ε0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - L} = 0 < \varepsilon

    거꾸로, ff의 값이 LL이고, 이것이 AA의 점 가운데 반지름이 δ\delta인 구멍 뚫린 근방에 있는 점들에서 성립하면, 그 같은 δ\delta가 모든 ε\varepsilon에 통한다. 거리가 00이기 때문이다.

  4. 0<∣x−3∣<6→x2≠90 < \abs{x - 3} < 6 \rightarrow x^2 \neq 9

    함수 x2x^2의 값이 99가 되는 점은, 33 근처에 있으면서 그것과 다른 점들 가운데 하나도 없다. 따라서 이 함수는 진술을 만족하지 않지만, 극한의 정의는 만족한다. 순서를 바꾼 진술은 같은 것을 달리 말하는 방식이 아니라, 훨씬 강한 주장이다.

연습 문제 5단 한 점에서의 극한

아래의 함수는 유리수에서 xx, 무리수에서 00의 값을 갖는다. 00에서의 극한이 00이고, 어떤 점 a≠0a \neq 0에서도 극한을 갖지 않음을 증명하여라.

h(x)={xx∈Q0x∉Qh(x) = \begin{cases} x & x \in \mathbb{Q} \\ 0 & x \notin \mathbb{Q} \end{cases}
힌트

00에서는, 모든 경우에 ∣h(x)∣≤∣x∣\abs{h(x)} \leq \abs{x}임에 주목하여라. a≠0a \neq 0에서는, 도전 ε=∣a∣3\varepsilon = \frac{\abs{a}}{3}를 제시하고, 모든 구간에 유리수와 무리수가 있다는 것을 이용하여라. 이것은 실수 직선에 관한 수업에서 증명했다. 가까운 무리수는 LL의 값이 00에 가깝도록 강제하고, 가까운 유리수는 그 값이 aa에 가깝도록 강제한다.

정답

00에서는 δ=ε\delta = \varepsilon가 응한다. a≠0a \neq 0에서는, 만약 LL이 극한이라면, 무리수 yy와 유리수 xx(반지름이 min⁡(δ,∣a∣3)\min\left(\delta, \frac{\abs{a}}{3}\right)인 구멍 뚫린 근방의 점)이 아래의 두 부등식을 동시에 줄 것인데, 이 부등식들은 양립할 수 없다.

∣L∣<∣a∣3,∣L∣>∣x∣−∣a∣3>∣a∣3\abs{L} < \frac{\abs{a}}{3}, \qquad \abs{L} > \abs{x} - \frac{\abs{a}}{3} > \frac{\abs{a}}{3}
풀이 과정

풀이

  1. 0<∣x∣<ε→∣h(x)−0∣≤∣x∣<ε0 < \abs{x} < \varepsilon \rightarrow \abs{h(x) - 0} \leq \abs{x} < \varepsilon

    00에서: 유리수에서는 ∣h(x)∣=∣x∣\abs{h(x)} = \abs{x}이고, 무리수에서는 ∣h(x)∣=0\abs{h(x)} = 0이다. 두 경우 모두 h(x)h(x)와 00 사이의 거리는 xx와 00 사이의 거리를 넘지 않으며, δ=ε\delta = \varepsilon이 응한다.

  2. δ′=min⁡(δ,∣a∣3)\delta' = \min\left(\delta, \frac{\abs{a}}{3}\right)

    a≠0a \neq 0이라 하고, LL이 aa에서의 극한이라 가정하자. ε=∣a∣3\varepsilon = \frac{\abs{a}}{3}에 대해 응하는 δ\delta가 존재하며, 필요하면 그것을 ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}까지 줄인다.

  3. ∣0−L∣<∣a∣3→∣L∣<∣a∣3\abs{0 - L} < \frac{\abs{a}}{3} \rightarrow \dato{i}{\abs{L} < \frac{\abs{a}}{3}}

    반지름이 δ′\delta'인 구멍 뚫린 근방에는 무리수 yy가 있으며, 거기서 hh의 값은 00이다. 극한은 00에 가깝게 된다.

  4. ∣x−L∣<∣a∣3,∣x∣>∣a∣−∣a∣3=2∣a∣3\abs{x - L} < \frac{\abs{a}}{3}, \qquad \dato{r}{\abs{x} > \abs{a} - \frac{\abs{a}}{3} = \frac{2\abs{a}}{3}}

    유리수 xx도 있으며, 거기서 hh의 값은 xx이다. xx와 aa 사이의 거리가 ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}보다 작으므로, 그 절댓값은 2∣a∣3\frac{2\abs{a}}{3}보다 크다.

  5. ∣L∣≥∣x∣−∣x−L∣>2∣a∣3−∣a∣3=∣a∣3\abs{L} \geq \abs{x} - \abs{x - L} > \frac{2\abs{a}}{3} - \frac{\abs{a}}{3} = \resaltar{\frac{\abs{a}}{3}}

    삼각부등식에 의해, ∣L∣\abs{L}의 값은 ∣a∣3\frac{\abs{a}}{3}보다 작으면서 동시에 크게 된다. 모순이다. aa에서는 극한이 없다.