한쪽 극한
보통은 양측 극한, 즉 함숫값이 왼쪽과 오른쪽에서 모두 어떤 값에 가까워지는지를 구한다. 하지만 한쪽 극한, 즉 왼쪽에서만 또는 오른쪽에서만의 극한을 구할 수도 있다.
한쪽 극한
어떤 함수 f(x)와 극한을 구하려는 어떤 점 x0이 있다고 하자. 보통은 다음과 같이 쓴다.
하지만 점 x0에 한쪽에서만, 즉 왼쪽에서만 또는 오른쪽에서만 다가갈 수도 있다. 이것은 위 첨자에 마이너스와 플러스 기호를 붙여 나타낸다. 그래서 “x가 왼쪽에서 7에 가까워질 때”와 “x가 오른쪽에서 10에 가까워질 때”는 다음과 같이 쓴다.
정의는 간단히 바꾼다. 집적점의 근방 전체 대신 그 왼쪽 근방이나 오른쪽 근방만 생각한다. 바꾼 우극한의 정의는 다음과 같다.
조건문에서 x0보다 큰 x, 즉 수직선에서 수 x0의 오른쪽에 있는 x만 택한다는 것에 주목하자. 좌극한의 정의는 다음과 같다.
좌극한과 우극한은 일반적으로 같지 않아도 된다. 여러 경우가 있을 수 있다. 함수가 그 점에서 좌극한과 우극한을 모두 가질 수도 있고, 둘 가운데 하나만 가질 수도 있고, 둘 다 갖지 않을 수도 있다.
이때 함수 f가 점 x0에서 극한을 가질 필요충분조건은 그 점에서 좌극한과 우극한을 모두 가지고 두 극한이 같은 것이다. 두 한쪽 극한을 모두 가지지만 서로 다르면 함수는 그 점에서 극한을 갖지 않고 한쪽 극한만 가진다.
간단한 함수 f(x) = 1/x로 모두 보여 주자. 그래프는 다음과 같다.
x가 1에 가까워질 때의 극한은 자명한 경우이다. 점 1에서 함수는 정의되어 있고 연속이며 여러모로 좋은 예이다. 왼쪽에서도 오른쪽에서도 함숫값이 1에 가까워지므로 극한도 1이다. 그러면 x가 0에 가까워질 때의 극한을 구하려면 어떻게 될까?
이것은 흥미로운 예이다. 함수의 정의역에 속하지 않는 점에서 극한을 구하려는 것에 주목하자. 함수에 값 0을 대입하면 올바르지 않은 식이 나온다(0으로는 나눌 수 없다!). 하지만 전혀 상관없다. 정의는 집적점을 말하고, 0은 정의역의 집적점이다. 0의 어떤 근방에서도 함수의 정의역의 원소를 찾을 수 있기 때문이다.
그래프를 보면서 왼쪽에서 0에 다가가면 함숫값이 끊임없이 작아진다는 것을 알 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.
0에 “아주” 가까운 음수, 예를 들어 −0.000 001을 택하면 함숫값으로 “아주” 작은 수 −1,000,000을 얻는다.
왼쪽에서 0에 가까워질수록 함숫값은 음의 무한대에 가까워진다. 반대로 오른쪽에서 0에 다가가면 함숫값이 커진다는 것을 알 수 있다. 오른쪽에서 0에 가까워질수록 함숫값은 무한대에 가까워진다. 이것을 어떻게 정리할까? 간단히, 함수는 점 0에서 극한을 갖지 않는다고 말한다. 서로 다른 두 한쪽 극한만 가진다.
목차: 함수의 극한, 유한한 점에서 무한대로 발산하는 극한, 무한대에서의 극한값, 무한대에서 무한대로 발산하는 극한, 한쪽 극한, 로피탈의 정리