Using l’Hôpital’s rule#
간단한 수학 얘기이다. 로피탈의 정리를 활용하여 극한 문제를 풀자.
로피탈의 정리는 다음과 같다.
Definition
미분가능한 함수 f,g:R→R 에서 limx→af(x)=0 혹은 limx→a∣f(x)∣=∞ 이고, limx→ag(x)=0 혹은 limx→a∣g(x)∣=∞ 일 경우에 다음이 성립한다.
x→alimg(x)f(x)=x→alimg′(x)f′(x)
유명 강사 ‘현’ 씨께서는 쓰지 말라 당부 하셨지만 안 쓸 이유가 없을 뿐더러 안 쓰면 손해이다.
l’Hopital’s Rule II#
다음이 성립한다.
l’Hopital’s Rule II
x→alimg(x)f(x)=x→alimg′′(x)f′′(x)
증명은 삼단논법이다. 이계도함수 뿐만 아니라 로피탈의 정리를 만족하는 경우 삼계, 사계도함수까지도 성립한다.
따라서 다음과 같은 알고리즘으로 모든 극한 문제를 풀 수 있다.
Algorithm
미분가능한 함수 f(x), g(x)에 대하여 limx→ag(x)f(x)를 구하기 위해 f(x)의 n계도함수 fn(x)에 대해 limx→afn(x)=0거나, g(x)의 n계도함수 gn(x)에 대해 limx→agn(x)=0 인 n을 계산하고 limx→agn(x)fn(x) 를 구한다.
거의 모든 경우에서 n=1이다.
Application#
예제 몇 가지를 풀어보자.
x→1lim14x3+25x2−12x−27x4−3x3−13x2+51x−36를 구해보자.
f(x)=x4−3x3−13x2+51x−36 에 대해 f′(x)=4x3−9x2−26x+51이고, g(x)=14x3+25x2−12x−27 에 대해 g′(x)=42x2+50x−12 이다.
x→1lim42x2+50x−124x3−9x2−26x+51=41답은 41 이다.
다른 예를 들어보자.
x→0+lim37x+log73x73x+log37xf(x)=73x+log37x 에 대해 limx→0+f(x)=−∞ 이고 g(x)=37x+log73x 에 대해 limx→0+g(x)=−∞ 이니 로피탈의 정리를 쓸 수 있다.
f′(x)=xln3773xxln37ln73+1 g′(x)=xln7337xxln37ln73+1 g′(x)f′(x)=(37xxln37ln73+1)xln37(37xxln37ln73+1)xln73 x→0+limg′(x)f′(x)=ln37ln73=log3773=x→0+limg(x)f(x)이와 같이 문제를 아주 빠르게 풀 수 있다.
Caution#
무지성 로피탈은 문제 풀이 속도가 느려질 수 있다. 특히 알고리즘에서 만족하는 n이 3 이상일 때이다. 예를 들어보자.
x→0lim2x4cos2x−2cosx+1이때 알고리즘에 따르면 만족하는 n=4이다. 이때 로피탈의 정리를 사용하면 문제 풀이 시간이 많이 걸린다.
x→0lim2x4cos2x−2cosx+1=x→0lim21×(x2)2(cosx−1)2 x→0lim21×(x2)2(cosx−1)2=x→0lim21×(x2cosx−1)2 x→0lim21×(x2cosx−1)2=x→0lim21×(21)2=81로 구하는 것이 더 쉽고 빠르다. 무지성 로피탈은 수학 3등급이나 하는 것이니 피하도록 하자.