박수칠 [423466] · MS 2012 · 쪽지

2016-02-01 13:59:22
조회수 37,424

[박수칠] 로피탈의 정리... 쓸까? 말까?

게시글 주소: https://showmethescore.orbi.kr/0007841446

이번에 다룰 주제는
카르다노의 공식(삼차방정식의 해법), 비네의 공식(피보나치 수열의 일반항)처럼
최초 발견자의 이름이 붙지 못한 '로피탈의 정리'입니다.



먼저 로피탈 정리의 내용부터 살펴봅시다.


(위 정리에 포함된 상수 a를 ∞ 또는 -∞로 바꿔도 성립합니다.)

간단히 말해서 로피탈의 정리는
0/0 또는 ∞/∞ 꼴의 극한에서 함수식의 분모, 분자를 각각 미분해도
값이 변하지 않는다는 것입니다.



로피탈의 정리는 고등학교 과정에서는 다루지도 않고,
증명도 불가능하기 때문에 서술형 문제에 쓰면 정답으로 인정받을 수 없지만
극한을 구하는 단답형 문제에서는 요긴하게 활용되'던' 정리입니다.

f(x), g(x)가 미분 후 간단해지는 함수(예를 들어 다항함수)라면
로피탈 정리 적용 후 계산이 쉬워지니까요.



그럼 예를 들어봐야죠.
다음은 2006학년도 수능 가형 문제입니다.


고등학교 교육과정 내에서 푼다면
삼각함수 공식 1+tan²=sec²을 이용하는 방법을 생각할 수 있습니다.

음... 어렵진 않지만 조금 복잡한 감이 있네요.
그럼 로피탈의 정리를 적용해볼까요?

함수식을 어떻게 변형할지 고민할 필요도 없고
분모, 분자를 미분하기만 하면 되네요.



다음과 같은 분수함수의 극한이라면 더욱 요긴하게 쓸 수 있습니다.


교육과정 내에서 풀자면... 먼저 0/0 꼴이니 분자를 인수분해한 다음,
약분하는 방법을 생각할 수 있겠네요.

교육과정 내에서 조금 더 간단하게 풀자면
미분계수의 정의를 이용하는 방법을 생각할 수도 있습니다.

이제 로피탈의 정리를 적용해볼까요?

정말 간단하게 풀리죠?



이쯤 되면 로피탈의 정리가 정말 좋아 보입니다.
하지만 문제점도 있는데... 적용 조건이 복잡하다 보니
잘못 쓰면 훅~ 가는 수가 있다는 거죠 ^^;



그럼 로피탈 정리를 잘못 적용한 예를 들어볼까요?



(1) 로피탈 정리를 적용하면 함수식이 더 복잡해지는 경우

다음은 2010학년도 수능 6월 모평 가형 문제입니다.


0/0 꼴이면서 분모, 분자 모두 미분가능하니 로피탈의 정리가 쓰고 싶어지네요.
그래서 분모, 분자를 미분하면 다음과 같이 변형됩니다.

좀 복잡한데 또 0/0 꼴입니다.
여기에 로피탈의 정리를 한 번 더 적용하려면... 힘들겠죠?

이 문제는 교육과정 내의 방법으로 접근하는 것이 더 쉽습니다.
미분계수의 정의를 이용하는 것이죠.

일단 분자를 다음과 같이 변형합니다.
미분계수의 정의로 계산할 수 있는 부분이 보이나요?

로 두고, tanx-sinx=t로 치환하면
다음과 같이 미분계수의 정의를 적용할 수 있습니다.

따라서 극한값은 다음과 같습니다.

교육과정 개편으로 초월함수 극한의 초점이 도함수 유도에 맞춰졌기 때문에
위와 같이 그냥 풀어도 복잡한 문제가 2017 수능에 출제될 가능성은 낮습니다.
하지만 로피탈의 정리를 적용했을 때 풀이가 곤란해지는 문제는
앞으로도 얼마든지 출제될 수 있을 겁니다.



(2) 미분가능성이 보장되지 않은 상태에서의 적용

다음 문제는 2008학년도 수능 6월 모평 가형 문제입니다.


ㄷ의 극한을 보면 0/0 꼴이라 로피탈의 정리를 적용하고 싶어집니다.
이렇게요.

"흠... 주어진 극한은 x=1에서의 미분계수를 의미하는군.
그런데 함수 f(x)= | x-1 | 이 x=1에서 미분불가능하니 거짓!"

이러면 틀리는 겁니다.

로피탈 정리는 미분가능할 때만 적용할 수 있으니까요.
또한 지난 글 ( http://orbi.kr/0007810298 ) 에서 설명했듯이
f(x)가 x=1에서 미분불가능하더라도 위 극한의 값은 존재할 수 있습니다.

이럴 땐 f(x) = | x-1 | 을 극한에 대입해서 풀어야죠.



(3) lim x→a f'(x) / g'(x) 가 발산하는 경우

다음 예제를 봅시다.


이번엔 ∞/∞ 꼴이네요.
분모, 분자 모두 미분가능하니 호기롭게 로피탈 정리를 적용해봅니다.

음~ 발산하는 걸로 나옵니다.
그런데 진짜로 발산할까요?

다른 방법으로 확인해보죠.

엉? 극한값이 1이라네요? 그럼 어느 쪽이 맞음?
물론 두 번째 풀이가 맞고, 로피탈 정리는 틀렸습니다.

이처럼 로피탈 정리는 적용 후 발산하는 극한에 대해
성립하지 않을 수도 있습니다.



그럼 로피탈의 정리를 어떻게 활용하는 것이 좋을까요?



평소 극한 문제를 공부할 때나 시험을 볼 때
로피탈의 정리로 접근하는 것은 바람직하지 않습니다.
하지만 아래와 같은 경우를 위해 로피탈 정리를 알아두는 것은 좋다고 봅니다.



(1) 계산 결과 확인용

함수 극한 문제를 풀고 나서 답을 얻었을 때,
계산이 제대로 됐는지 확인할 수 있는 다른 방법이 있다면 정말 좋겠죠?

같은 맥락에서 삼각함수 극한을 근사로 계산하는 방법도 알아두는 것이 좋습니다.



(2) 점근선 확인용

기출 문제를 풀다 보면
다음과 같은 함수들의 그래프를 그려야 할 때가 있습니다.

그런데 점근선을 찾기 위해 x→∞일 때의 극한을 계산하려고 하면 마땅한 방법이 없습니다.
이럴 때 로피탈의 정리를 이용할 수 있죠.

만일 함수식이
과 같이 분자가 이차식이라면 로피탈의 정리를 두 번 쓰면 됩니다.

하지만 로피탈 정리를 적용한 결과가 발산한다면 성립하지 않을 수 있기 때문에
다음 함수의 점근선을 찾기 위한 용도로 로피탈 정리를 이용하는 것은
논리적으로 부족함이 있습니다.

또 문제집을 풀다 보면 y=x lnx 같은 함수도 나옵니다.
이 함수는 x→0+일 때의 극한이 0·∞ 꼴인데 변형할 방법이 없습니다.
그런데 x=1/t로 치환한 다음 로피탈의 정리를 적용하면 극한을 구할 수 있죠.



(3) 초월함수 극한 공식

로피탈의 정리는 지수함수, 로그함수, 삼각함수의 극한 공식을 확인할 때
이용할 수 있습니다.


헷갈리기 쉬운 로그함수 극한 공식 암기에 좋겠죠?



마지막으로 강조하고 싶은 것은
로피탈의 정리를 포함한 교육과정 외의 개념을 공부하려면
먼저 교과서에 나오는 기본부터 제대로 이해하라는 것입니다.

교육과정 외의 개념이나, 특정 유형을 개념화한 것들은
교과서에 나오는 개념보다 제한된 상황에서만 적용 가능하기 때문에
다양한 문제에 대한 해결책이 될 수 없거든요.

이 점 꼭 명심하시기 바랍니다.



[알림] 박수칠 수학 부교재 '미적분1-수열의 극한'이 업로드 되었습니다.
 이번에도 본교재 문제 외에 수능/모평 기출 중심으로 40문제가 추가되었으며,
 아래 링크에서 받을 수 있습니다.

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  • 웰메이드 · 486911 · 16/02/01 14:00 · MS 2014

    오 로피탈 아는거다 하면서 눌렀다 문송을 외치며 뒤로가기를 누릅니당

  • 아기유 · 642092 · 16/02/01 14:02 · MS 2016

    공감... 근데 과외쌤도 로피탈 안쓰는게 마음편하다고 걍 쓰지말라고했어여 ㅋㅋ

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:15 · MS 2012

    요즘 수능 경향으론 교과서적인 해법만 공부해도 충분하죠~

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:08 · MS 2012

    글 다시 보니 첫 번째 예제부터 삼각함수네요... 죄송 ㅡㅡ

  • asdf212 · 365265 · 16/02/01 14:05 · MS 2011

    문송합니다 문송합니다

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:11 · MS 2012

    아이고 죄송하게 왜 이러십니까 ㅡㅡ;

  • 황금눈 · 616673 · 16/02/01 14:05 · MS 2015

    어차피 교육과정에 없는내용이라 평가원에서 절대 안낼껄로 예상해봄~

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:09 · MS 2012

    2222222222
    그래도 로피탈 쓰면 도움이 되는 것도 있고,
    독이 되는 것도 있고 그렇겠죠.

  • 제르맹 · 343315 · 16/02/01 14:05 · MS 2010

    카르다노의 해법이... 타르탈리아가 처음 발견한거였나요? 책을 본지가 좀 오래되서 기억이... 2차항을 처음 지울방법을 생각해낸게 타르탈리아였다고 본것 같은데.. y-b/3a치환..

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:10 · MS 2012

    2차항 소거는 타르탈리아가 맞을텐데 그 이전에 다른 해법이 있었을 겁니다.
    그덕에 카르다노가 비밀 유지 협약을 깰 명분(?)이 생겼다고 들었어요.

  • 제르맹 · 343315 · 16/02/01 14:15 · MS 2010

    그렇군요 ㅎㅎ 현대수학자들은 의외로 3차방정식 해법을 스스로 찾아내는 사람도 제법 있다고 하더라구요. 역시 결론을 아는상태에서 가능하다는 확신이 있다없다가 큰 차이를 낳는것 같습니다.

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 18:52 · MS 2012

    대수학에서의 피타고라스 정리쯤 되나보군요 ^^

  • 3보이상택시 · 617987 · 16/02/01 14:10

    작년 수A 28번 로피탈쓰고 2분컷...

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 14:13 · MS 2012

    0/0 꼴의 분수함수라면 로피탈 정리가 잘 통하죠~

  • 조지타운로이킴 · 559007 · 16/02/01 14:25 · MS 2015

    문쏭

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 18:52 · MS 2012

    괜찮쏭!

  • 그리피 · 516234 · 16/02/01 14:33 · MS 2017

    저는 한번도 써본적이없네요 애초에 고등학교문제들이 로피탈이 필요없다가 전제라 오히려 손만더가고 시간차이도 안나더라구요 그리고 내 지식에서 증명도안되는것 쓰는건 내 자존심이 허락하지않는다!

  • 올해대학간다 · 488095 · 16/02/01 14:39 · MS 2014

    증명 별거없음 고등학교때 로피탈로피탈했는데 대학가서 로피탈 정리 증명이 반페이지만에 끝나서 허탈.. 별로 어렵지도 않음...

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 18:55 · MS 2012

    로피탈이 편해도 쓸려면 연습이 필요하니까요.
    알거면 제대로 공부해서 쓰고, 아니면 모르는게 좋죠~

  • 바사 · 640438 · 16/02/01 14:47 · MS 2016

    로피탈 잘쓰고 익숙하시면 써도 되는데 저같은경우엔 아무도 안알려줘서 잘 못쓰는 관계로 한번도 안썼어요.
    그리고 수능 1등급.
    안써도 상관없습니다.

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:03 · MS 2012

    맞습니다.
    알아두면 좋은거지 모른다고 불리한게 아니니까요.

  • 준수팬 · 614124 · 16/02/01 14:47 · MS 2015

    문과기준으로는 무조건 쓰는게 시간절약에 도움되는것같고 이과는 가려써야되는게 좋겠군요

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:06 · MS 2012

    0/0꼴의 분수함수 극한으로 한정하면 그럴 수도 있습니다.
    하지만 나형에서도 함수의 극한과 미분가능성을 연결시키는 문제가 나올 수도 있기 때문에 조심해야죠.

  • Delon · 478313 · 16/02/01 14:56 · MS 2013

    대학교 입학해서 첫수업때 들은게 카르다노해법이었는데 오랜만에 이름 다시들어보네요 ㅋㅋ
    미적분1,2 모두 구매했는데 기대중이에요!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:11 · MS 2012

    감사합니다.
    주마다 대단원 하나씩 나오는 부교재도 잘 봐주세요 ^^

  • 키랄 · 640052 · 16/02/01 15:13

    외적 칼럼도 하나 부탁드려요!

    저도 많이 배우네요 감사합니다!!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:15 · MS 2012

    저도 감사드리구요, 나중에 기벡쪽도 다뤄보겠습니다 ^^

  • 삼반수할바에군대 · 498084 · 16/02/01 15:20 · MS 2014

    ㅋㅋ16수능 28번에서 정리하기귀찮아서 로피탈썻는데 ㅋㅋ

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:15 · MS 2012

    수능에서 귀차니즘이 ㅋㅋㅋ
    진정한 용자십니다.

  • 삼반수할바에군대 · 498084 · 16/02/02 17:06 · MS 2014

    이과에용 ㅋㅋㅋ

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 18:42 · MS 2012

    아 B형 28번이군요.
    로피탈 정리 쓰면 예쁘게 정리되는 문제죠~

  • 한의사 가사이 유노 · 586106 · 16/02/01 15:50 · MS 2015

    문과라서 ..스미마셍

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:16 · MS 2012

    다이조부데스~ ^^

  • 논술은사랑입니다. · 622083 · 16/02/01 16:31 · MS 2015

    내신용으로만 ㅎㅎ

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:18 · MS 2012

    수능은 소중하니까요~ ^^

  • 산화 · 607168 · 16/02/01 17:53 · MS 2015

    로피탈!!  사용하면 안될 때도 있다던데...

    다음칼럼에 도형도 해주시면 감사할따름입니다!!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:20 · MS 2012

    구체적으로 어떤 단원을 얘기하시는 건가요?

  • 산화 · 607168 · 16/02/02 00:08 · MS 2015

    기벡쪽 다루실 때,  도형해석하시는 걸 보고 싶었습니다.

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 00:28 · MS 2012

    기벡은 문서화된 자료를 제일 적게 만들어서
    앞으로 해야 될 일이 참 많지요 ㅎㅎ

    시간이 좀 걸리겠지만
    얼마 전에 포스팅했던 도형에 대한 삼각함수 극한 문제 형식으로
    공간도형/벡터 문제에 대한 자료도 짬내서 만들어 보겠습니다.

  • 산화 · 607168 · 16/02/02 00:37 · MS 2015

    감사합니다! 항상 감사하게 생각합니다!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 00:46 · MS 2012

    부교재 작업이 우선이라 진짜 시간 좀 걸릴거구요,
    감사 인사는 나중에 자료 받으신 후에 하셔도 됩니다 ㅎㅎ

  • 산화 · 607168 · 16/02/02 00:54 · MS 2015

    아뇨.. 듣고 힘이 되실까해서요.. . 감사는 감사를 느낄 때 매번할겁니다. ㅎㅎ

  • 똘아이 · 621356 · 16/02/01 19:41

    선생님 첫번째 캡쳐에서
    구간 i 전체에서 g'(x)=0 이 아니라는 조건이 붙는 이유가 무엇인가요?

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 19:58 · MS 2012

    분모가 0이면 안되기 때문입니다 ^^

  • 똘아이 · 621356 · 16/02/01 20:03

    g'(a)만 0이 아니면 되는거 아닌가요

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/01 23:59 · MS 2012

    본문에서는 x=a를 포함하는 구간에서 g'(x)≠0이라고 했지만,
    엄밀히 따지면 x=a의 좌우에서 g'(x)≠0이고,
    x=a에서는 g'(x)≠0, g'(x)=0 모두 가능합니다.

    일반적인 분수함수의 극한을 생각하면 쉽습니다.

    예를 들어 lim x→a ( x²-a² ) / ( x-a ) 는
    x=a의 좌우에서 (분모)≠0이고, x=a에서 (분모)=0이지만
    극한이 존재하거든요.

    또 다른 예로 함수 g(x)가
    x≠a일 때 g(x)=0, x=a일 때 g(x)=1로 정의된다고 합시다.
    그러면 lim x→a ( x²-a² ) / g(x)는 분모가 0이기 때문에
    극한이 존재하지 않습니다.

    가정에서 lim x→a f'(x) / g'(x) 가 수렴한다고 했기 때문에
    구간 I에서 g'(x)≠0이라는 조건은 고려하지 않아도 되는데
    괜히 넣었다 싶네요 ^^;

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 01:10 · MS 2012

    그 조건 뺐습니다.
    로피탈 정리 적용 결과가 수렴한다면
    고려할 필요가 없는 부분이예요.

  • 삽자루쌤은귀여워♡ · 629306 · 16/02/01 20:44 · MS 2015

    문과생인데 작년 수능 28번
    로피탈로 풀었어요♥

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 00:11 · MS 2012

    댓글 보니 작년 수능에 로피탈 쓴 분들 많은 것 같네요.
    문과생♥로피탈 ㅎㅎ

  • 일더하기일 · 508868 · 16/02/01 21:10 · MS 2014

    와 제가 항상궁금해했던것에 대해서만 글올려주시네요 글올라올때마다 오오오!!이러면서본다는..ㅎㅎ잘읽었습니다!!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 00:12 · MS 2012

    감사합니다~ ^^
    저도 책 쓰면서 고민 많이 했던 부분들이거든요.
    가르치는 쪽이나 배우는 쪽이나 궁금한 부분은 비슷한가 봅니다.

  • 고2문돌이 · 615765 · 16/02/01 23:35 · MS 2015

    학교 선생님께서 문과는 차피 다 다항함수니까 문과만 쓰라고 로피탈의 정리 알려주셨어요

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 00:17 · MS 2012

    일반적인 계산문제는 괜찮지만,
    개념 관련 합답형 문제에서는 다항함수로
    한정되지 않을 수 있으니 주의가 필요하죠~

  • 고2문돌이 · 615765 · 16/02/02 01:11 · MS 2015

    명제나 개념 합답형 진짜....
    쉽게 해결할수 있는 방법 없을까요?
    반례찾는것밖에 방법이 없나요??

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 01:45 · MS 2012

    교과서 단원별로 나오는 명제들 다 익히고,
    그걸 바탕으로 접근하는 것이 기본이죠.

    본문에 있는 2008학년도 수능 6월 모평 가형 9번을 보면
    ㄱ은 '미분가능하면 연속이다'라는 명제를 미분계수의 정의와
    연속이기 위한 필요충분조건으로 표현한 것 뿐입니다.

    이처럼 교과서에서 배운 명제가
    어떤 용어/기호/수식으로 표현되었는지를 파악하는 것이 기본이고,
    명제가 꼬여서 참, 거짓 판단이 어려우면 대우의 참, 거짓을 조사한다거나
    반례를 찾는 것은 보조적인 수단이구요.

    기출이나 양치기 문제집에서 합답형 모인 부분 쭉~ 풀면서
    감을 잡는 것도 좋은 방법이죠. 이 때도 교과서에서 배운 명제를
    제대로 알고 있어야 깨닫는 것이 많습니다.

  • 김재한국어 · 623824 · 16/02/02 06:51 · MS 2015
    관리자에 의해 삭제된 댓글입니다.
  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 08:22 · MS 2012

    B형에선 계륵같은 존재인데
    A형에선 막힌 풀이를 뚫어줄 수도 있는 존재기도 하죠.

    로피탈의 정리를 알고 있었음 좋았겠지만,
    교과서적인 해법에 대한 학습이 부족한 점도 있지 않았을까 싶습니다.
    댓글에서까지 안타까움이 느껴지네요...

  • 물투주 · 617961 · 16/02/02 09:16 · MS 2015

    실모같은거 풀다가 막상 0/0꼴인지 확인안하고 로피탈 써서 2점짜리를 틀렸던 기억이..

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 10:09 · MS 2012

    최근 수능에서 함수 극한 2점 문제가 그냥 대입하면 풀리는 것들인데
    출제 의도가 로피탈 좋아하는 수험생들 낚을려는 거였군요!

  • 다나라가 · 531525 · 16/02/02 10:42 · MS 2014

    삼반수하면서 보기에 ㅋㅋ부족함이 없나요.

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/02 13:17 · MS 2012

    본문 얘긴가요? 교재 얘긴가요?

  • 다나라가 · 531525 · 16/02/02 19:52 · MS 2014

    교재요 ㅎㅎ 교과서 내용은 다 알고있어서 복습하기에 좋나 물어본거에요

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/03 00:28 · MS 2012

    개념 설명에는 부족함이 없고,
    문제 수는 부족함이 있을 수 있지만 부교재로 커버 가능하고...
    미적분1, 2 밖에 없다는 점이 진짜 부족한 점이죠 ^^;

  • 다나라가 · 531525 · 16/02/03 08:15 · MS 2014

    책 언제다나와요??

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/03 09:14 · MS 2012

    확통은 올해 여름~가을 예정이고, 그 다음은 기벡-수2 순으로 나옵니다.
    다 나오려면 내년 후반이겠네요... ㅜㅜ

  • 성적이오르새 · 630404 · 16/02/03 01:41 · MS 2015

    한번도 로피탈 안써서...

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/03 01:51 · MS 2012

    안써도 아무 지장 없어요.
    쓸려면 제대로 알고 써야되구요~

  • 당당한자립 · 460993 · 16/02/03 08:00 · MS 2013

    원래문과라그런건지
    입시끝나서 많이 까먹어서 그런건지 모르겠지만요
    잘이해하지는못했지만요
    글을 전문적으로 써주셨다는 느낌이 드네요!!

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/03 08:15 · MS 2012

    아무래도 초월함수 극한이 있다 보니... ^^;

    '전문적'이라는 느낌 듣기 좋네요~
    다음 글도 열심히 쓰겠습니다!

  • mathkiller0702 · 466270 · 16/02/06 09:48 · MS 2013

    작년수능 28번 a형문제 아무리 해도안풀리다가 결국 로피탈써서 풀려서 허탈했다는 친구들얘기 많이들은거 생각하면 장착해도 나쁘지는 않을듯하기도하고...그러네요

  • 박수칠 · 423466 · 16/02/06 13:03 · MS 2012

    교과서적인 해법을 제대로 알고 나서
    다양한 도구를 준비하는 차원에서 공부해두면 좋죠.

    대신 어설프게 알면 위험할 수 있고,
    연습을 통해 적용할 수 있는 상황을 제대로 파악해둬야 합니다.

  • صدى جميل · 1078092 · 22/01/28 10:13 · MS 2021

    그냥
    수렴렴렴 계산산산
    근사
    하면