Wane
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Using l'Hôpital's rule
2024-10-12

Using l’Hôpital’s rule#

간단한 수학 얘기이다. 로피탈의 정리를 활용하여 극한 문제를 풀자.

로피탈의 정리는 다음과 같다.

Definition

미분가능한 함수 f,g:RRf, g: \mathbb{R} \to \mathbb{R} 에서 limxaf(x)=0\lim_{x \to a}f(x) = 0 혹은 limxaf(x)=\lim_{x \to a}|f(x)| = \infty 이고, limxag(x)=0\lim_{x \to a}g(x) = 0 혹은 limxag(x)=\lim_{x \to a}|g(x)| = \infty 일 경우에 다음이 성립한다.

limxaf(x)g(x)=limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to a}\frac{f'(x)}{g'(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
limxaf(x)g(x)=limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x \to a}\frac{f''(x)}{g''(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)f(x), g(x)g(x)에 대하여 limxaf(x)g(x)\lim_{x \to a}\frac{f(x)}{g(x)}를 구하기 위해 f(x)f(x)nn계도함수 fn(x)f_n(x)에 대해 limxafn(x)0\lim_{x \to a}f_n(x) \neq 0거나, g(x)g(x)nn계도함수 gn(x)g_n(x)에 대해 limxagn(x)0\lim_{x \to a}g_n(x) \neq 0nn을 계산하고 limxafn(x)gn(x)\lim_{x \to a}\frac{f_n(x)}{g_n(x)} 를 구한다.

거의 모든 경우에서 n=1n=1이다.

Application#

예제 몇 가지를 풀어보자.

limx1x43x313x2+51x3614x3+25x212x27\lim_{x \to 1}\frac{x^4 - 3x^3 - 13x^2 + 51x - 36}{14x^3 + 25x^2 - 12x - 27}

를 구해보자.

f(x)=x43x313x2+51x36f(x) = x^4 - 3x^3 - 13x^2 + 51x - 36 에 대해 f(x)=4x39x226x+51f'(x) = 4x^3 - 9x^2 - 26x + 51이고, g(x)=14x3+25x212x27g(x) = 14x^3 + 25x^2 - 12x - 27 에 대해 g(x)=42x2+50x12g'(x) = 42x^2 + 50x - 12 이다.

limx14x39x226x+5142x2+50x12=14\lim_{x \to 1}\frac{4x^3 - 9x^2 - 26x + 51}{42x^2 + 50x - 12} = \frac{1}{4}

답은 14\frac{1}{4} 이다.

다른 예를 들어보자.

limx0+73x+log37x37x+log73x\lim_{x \to 0+}\frac{73^x+\log_{37}x}{37^x+\log_{73}x}

f(x)=73x+log37xf(x) = 73^x+\log_{37}x 에 대해 limx0+f(x)=\lim_{x \to 0+}f(x)=-\infty 이고 g(x)=37x+log73xg(x) = 37^x+\log_{73}x 에 대해 limx0+g(x)=\lim_{x \to 0+}g(x)=-\infty 이니 로피탈의 정리를 쓸 수 있다.

f(x)=73xxln37ln73+1xln37f'(x) = \frac{73^xx\ln37\ln73+1}{x\ln37} g(x)=37xxln37ln73+1xln73g'(x) = \frac{37^xx\ln37\ln73+1}{x\ln73} f(x)g(x)=(37xxln37ln73+1)xln73(37xxln37ln73+1)xln37\frac{f'(x)}{g'(x)} = \frac{(37^xx\ln37\ln73+1)x\ln73}{(37^xx\ln37\ln73+1)x\ln37} limx0+f(x)g(x)=ln73ln37=log3773=limx0+f(x)g(x)\lim_{x \to 0+}\frac{f'(x)}{g'(x)} = \frac{\ln73}{\ln37} = \log_{37}{73} = \lim_{x \to 0+}\frac{f(x)}{g(x)}

이와 같이 문제를 아주 빠르게 풀 수 있다.

Caution#

무지성 로피탈은 문제 풀이 속도가 느려질 수 있다. 특히 알고리즘에서 만족하는 nn이 3 이상일 때이다. 예를 들어보자.

limx0cos2x2cosx+12x4\lim_{x \to 0}\frac{\cos^2x - 2\cos x + 1}{2x^4}

이때 알고리즘에 따르면 만족하는 n=4n = 4이다. 이때 로피탈의 정리를 사용하면 문제 풀이 시간이 많이 걸린다.

limx0cos2x2cosx+12x4=limx012×(cosx1)2(x2)2\lim_{x \to 0}\frac{\cos^2x - 2\cos x + 1}{2x^4} = \lim_{x \to 0}\frac{1}{2} \times \frac{(\cos x - 1)^2}{(x^2)^2} limx012×(cosx1)2(x2)2=limx012×(cosx1x2)2\lim_{x \to 0}\frac{1}{2} \times \frac{(\cos x - 1)^2}{(x^2)^2} = \lim_{x \to 0}\frac{1}{2} \times (\frac{\cos x - 1}{x^2})^2 limx012×(cosx1x2)2=limx012×(12)2=18\lim_{x \to 0}\frac{1}{2} \times (\frac{\cos x - 1}{x^2})^2 = \lim_{x \to 0}\frac{1}{2} \times (\frac{1}{2})^2 = \frac{1}{8}

로 구하는 것이 더 쉽고 빠르다. 무지성 로피탈은 수학 3등급이나 하는 것이니 피하도록 하자.

Using l'Hôpital's rule
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Author
Wane
Published at
2024-10-12