고2 2학기함수의 극한난이도 중객관식·단답형

함수의 극한 — 분모가 0이 되는 점 근처: 발산과 한쪽 극한의 부호

분모가 0이 되는 점으로 다가갈 때 유리함수가 어느 방향으로 발산하는지 판별합니다. 분모가 제곱일 때와 한 번만 들어 있을 때가 어떻게 다른지, 분모가 0이 되지 않는 점과 어떻게 구분하는지 한 편에서 정리합니다.

· 수정 2026. 10. 28.

핵심 개념

1. 발산과 무한대의 뜻

xx가 aa에 한없이 가까워질 때 f(x)f(x)가 어떤 일정한 값에 가까워지지 않으면 x=ax=a에서 f(x)f(x)는 발산한다고 한다. 그중 f(x)f(x)의 값이 한없이 커지면 양의 무한대로, 한없이 작아지면 음의 무한대로 발산한다고 하고 다음과 같이 쓴다.

limx→af(x)=∞,limx→af(x)=−∞\lim_{x \to a} f(x) = \infty, \qquad \lim_{x \to a} f(x) = -\infty

∞\infty는 수가 아니라 “멈추지 않고 커지는 중”이라는 상태를 나타내는 기호이다. 그래서 limx→af(x)=∞\lim_{x\to a}f(x)=\infty라고 쓰더라도 극한값이 존재한다고 하지 않는다.

쉽게 말하면 — ∞\infty는 “도착한 값”이 아니라 “계속 커지는 중”이라는 표시입니다. 극한값이 ∞\infty라는 말은, 수렴하지 않고 한없이 커지면서 발산한다는 사실을 기호로 줄여 쓴 것입니다.

2. 분모만 0이 되면 값이 한없이 커진다

분수식 P(x)Q(x)\dfrac{P(x)}{Q(x)}에서 x=ax=a일 때 분모 Q(a)=0Q(a)=0이고 분자 P(a)≠0P(a)\neq 0이면 aa를 대입할 수 없다. 00이 아닌 수를 00에 가까운 수로 나누므로 f(x)f(x)의 절댓값은 한없이 커진다.

여기서 알아야 할 것은 커지는 방향, 즉 ∞\infty로 가는지 −∞-\infty로 가는지이다. 방향은 분모의 부호와 분자의 부호로 정해지고, 분모가 어떤 꼴이냐에 따라 두 가지로 나뉜다.

3. 분모가 제곱이면 좌우가 같은 방향이다

f(x)=k(x−a)2f(x)=\dfrac{k}{(x-a)^2}(k≠0k\neq 0)에서 xx가 aa가 아니면서 aa에 가까워지면 (x−a)2(x-a)^2은 왼쪽에서 오든 오른쪽에서 오든 항상 양수인 채로 00에 가까워진다. 따라서 방향은 분자 kk의 부호가 정한다.

limx→ak(x−a)2={∞(k>0)−∞(k<0)\lim_{x \to a} \frac{k}{(x-a)^2} = \begin{cases} \infty & (k>0) \\ -\infty & (k<0) \end{cases}
aa
x→a−x\to a^{-}
x→a+x\to a^{+}
+∞+\infty
xx가 aa보다 작은 쪽·큰 쪽 어디서 다가가도, (x−a)2(x-a)^2은 항상 양수로 00에 가까워지므로 yy값은 두 방향 모두 한없이 커집니다.

쉽게 말하면 — 분모를 제곱하면 “왼쪽에서 오는지 오른쪽에서 오는지”가 더 이상 중요하지 않습니다. 어느 쪽에서 오든 분모는 항상 양수이므로, 결과의 부호는 분자에 붙은 수 하나로 이미 정해져 있습니다.

발산하는 식에 상수를 더하거나 빼는 것은 방향에 영향을 주지 못한다. 한없이 커지는 값 옆의 유한한 수는 있으나 마나 하기 때문이다. 예를 들어 −3(x+1)2+5\dfrac{-3}{(x+1)^2}+5는 x→−1x\to -1에서 −∞-\infty로 발산한다.

4. 분모의 인수가 한 번뿐이면 좌우가 반대 방향이다

분모가 (x−a)R(x)(x-a)R(x)(R(a)≠0R(a)\neq 0) 꼴이면, 0이 되는 인수 x−ax-a만 따로 떼어

f(x)=P(x)R(x)⋅1x−af(x)=\frac{P(x)}{R(x)}\cdot\frac{1}{x-a}

로 쓴다. xx가 aa에 가까우면 앞부분 P(x)R(x)\dfrac{P(x)}{R(x)}는 P(a)R(a)\dfrac{P(a)}{R(a)}와 거의 같아 부호가 바뀌지 않고, 1x−a\dfrac{1}{x-a}는 오른쪽에서는 양수, 왼쪽에서는 음수이다. 그래서 좌우의 방향이 서로 반대가 된다.

P(a)R(a)\dfrac{P(a)}{R(a)}x→a+x\to a^{+}x→a−x\to a^{-}
양수∞\infty−∞-\infty
음수−∞-\infty∞\infty
P(a)R(a)>0\dfrac{P(a)}{R(a)}\gt 0
P(a)R(a)<0\dfrac{P(a)}{R(a)}\lt 0
aa
aa
x→a−x\to a^{-}
x→a+x\to a^{+}
x→a−x\to a^{-}
x→a+x\to a^{+}
점근선 x=ax=a의 양쪽 가지가 향하는 방향은 P(a)R(a)\dfrac{P(a)}{R(a)}의 부호로 정해집니다. 왼쪽 그림은 양수일 때, 오른쪽 그림은 음수일 때입니다.

분모가 이차식이어서 00이 되는 점이 둘이면, 점마다 따로 그 점의 인수를 떼어 부호를 판별한다. 한 점에서 쓴 부호를 다른 점에 가져가면 안 된다.

쉽게 말하면 — 0이 되는 인수 하나만 “아주 작은 수”로 따로 떼어 두고, 나머지에는 aa를 넣어 부호만 읽습니다. 식이 (부호가 정해진 수)x−a\dfrac{(\text{부호가 정해진 수})}{x-a}처럼 보이게 되고, 오른쪽에서 다가가면 그 수의 부호가 그대로, 왼쪽에서 다가가면 반대로 나타납니다.

5. 분모가 0이 되지 않는 점이면 그냥 대입한다

위의 방향 판별은 분모가 0이 되는 바로 그 점으로 다가갈 때만 필요하다. 다가가는 점 aa에서 분모가 00이 아니면 왼쪽이든 오른쪽이든 극한은 대입한 값이다.

Q(a)≠0 ⟹ limx→a−f(x)=limx→a+f(x)=P(a)Q(a)=f(a)Q(a)\neq 0 \ \Longrightarrow\ \lim_{x\to a^{-}}f(x)=\lim_{x\to a^{+}}f(x)=\frac{P(a)}{Q(a)}=f(a)

분모가 00이 되는 다른 점 x=px=p가 있더라도 aa와 떨어져 있다면 한쪽 극한에는 아무 영향이 없다. 한쪽 극한은 aa 바로 옆의 아주 좁은 구간만 보기 때문이다.

x→a−x\to a^{-}
x→a+x\to a^{+}
aa
f(a)f(a)
x=px=p
y=f(x)y=f(x)
분모가 00이 되는 점 x=px=p는 aa와 떨어져 있으므로, 왼쪽(x→a−x\to a^{-})에서 가도 오른쪽(x→a+x\to a^{+})에서 가도 곡선은 같은 점 (a, f(a))(a,\,f(a))로 향합니다. 점선은 점근선입니다.

쉽게 말하면 — 길 위에 구멍(분모가 00인 점)이 있어도, 내가 가는 목적지 바로 앞이 아니라 한참 떨어진 곳에 있다면 목적지에 가는 데는 아무 상관이 없습니다.

정리: 분모가 00이 될 수 있는 극한을 만났을 때

  1. x=ax=a를 분모에 넣는다. 00이 아니면 분자·분모에 그대로 대입한다.
  2. 00이면 분자에도 aa를 넣는다. 분자도 00이면 00\dfrac{0}{0} 꼴이므로 인수분해·유리화로 약분한다(다른 글에서 다룬다).
  3. 분자가 00이 아니면 발산이다. 분모가 제곱이면 좌우가 같은 방향이고, (x−a)(x-a)가 한 번이면 좌우가 반대 방향이다. 0이 되는 인수를 떼어 나머지의 부호를 읽는다.

누구나 풀 수 있어요기본형은 5단계로 풉니다. 응용형은 아래 문제 해설의 “단계별로 풀어 보기”에서 안내합니다.

  1. x=ax=a를 분모에 넣습니다. 00이 아니면 식 전체에 그냥 넣습니다.
  2. 분모가 00이면 위에도 넣습니다. 위도 00이면 위아래를 인수분해해서 (x−a)(x-a)를 지운 뒤, 남은 식으로 1번부터 다시 합니다.
  3. 위가 00이 아닌 숫자이고 분모만 00이면 왼쪽 극한과 오른쪽 극한을 따로 구합니다.
  4. 분모를 (x−a)mR(x)(x-a)^m R(x)(R(a)≠0R(a)\ne0)로 인수분해합니다. (위의 부호)×R(a)\times R(a)의 부호×(x−a)m\times(x-a)^m의 부호를 곱해서 정합니다. 왼쪽에서는 x−a<0x-a<0, 오른쪽에서는 x−a>0x-a>0입니다. 곱이 양수이면 ∞\infty, 음수이면 −∞-\infty입니다.
  5. 왼쪽과 오른쪽이 같은 무한대이면 그 무한대가 답이고, 다르면 극한값이 없습니다.

※ x→ax\to a(aa는 실수)이고 위아래가 다항식인 분수의 기본형입니다.

유제

문제 1 · 기본

함수 f(x)=1(x−3)2f(x) = \dfrac{1}{(x-3)^2}에 대하여 limx→3f(x)\displaystyle\lim_{x \to 3} f(x)의 값은?

  • ① −∞-\infty
  • ② 0
  • ③ 19\dfrac{1}{9}
  • ④ ∞\infty
  • ⑤ 좌극한과 우극한이 서로 반대 방향의 무한대로 발산한다.
정답과 해설 보기
정답 ④

■ 정석 풀이

누구나 풀 수 있어요3단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.

  1. xx 자리에 33을 넣어 봅니다. 위는 11, 아래는 00이라 숫자가 나오지 않습니다. 바로 나눌 수 없으니 다음 단계에서 아래의 부호를 확인합니다.
  2. 부호를 정합니다. 위 11은 양수이고, 아래 (x−3)2(x-3)^2은 제곱이라 어느 쪽에서 다가가도 양수입니다.
  3. (양수)÷\div(00에 가까운 양수)는 아주 큰 양수이므로 ∞\infty입니다. → 정답 ④

※ 위가 00이 아닌 숫자로 가고, 아래가 왼쪽·오른쪽 모두 같은 부호로 00에 가까워질 때만 이렇게 하세요. 아래의 좌우 부호가 다르면 왼쪽과 오른쪽을 따로 구하세요.

자세한 풀이 보기

xx가 33이 아니면서 33에 한없이 가까워지면, x−3x-3의 값은 00이 아니면서 00에 한없이 가까워진다.

이때 (x−3)2(x-3)^2은 xx가 33보다 작은 쪽에서 오든 큰 쪽에서 오든 항상 양수이면서 00에 한없이 가까워진다.

x→3−x\to 3^{-}
x→3+x\to 3^{+}
33
xx가 33보다 작은 쪽·큰 쪽 어디서 다가가도, yy값은 두 경우 모두 한없이 커집니다(양의 무한대로 발산).

그러므로 (x−3)2(x-3)^2의 역수인 f(x)=1(x−3)2f(x) = \dfrac{1}{(x-3)^2}의 값은 한없이 커진다. 즉 f(x)f(x)는 x=3x=3에서 양의 무한대로 발산하므로,

limx→3f(x)=∞\lim_{x \to 3} f(x) = \infty

이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

xx가 aa가 아니면서 aa에 한없이 가까워질 때 (x−a)2→0+(x-a)^2 \to 0^+(항상 양수인 채로 00에 접근)이므로, 상수 k≠0k \neq 0에 대해 다음이 성립한다.

limx→ak(x−a)2={∞(k>0)−∞(k<0)\lim_{x \to a} \frac{k}{(x-a)^2} = \begin{cases} \infty & (k>0) \\ -\infty & (k<0) \end{cases}

이 문제는 k=1>0k=1>0인 경우이므로 양의 무한대로 발산한다.

쉽게 말하면 — 0으로 나누는 나눗셈을 직접 하는 게 아니라, “0에 아주아주 가까운 양수”로 나눈다고 생각하면 됩니다. 아주 작은 양수로 나눌수록 몫은 아주 커지므로, 분모가 0에 가까워질수록 전체 값은 한없이 커집니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

이 문제에서 가장 잘 걸리는 함정은 “분모가 00에 가까워지니까 좌극한과 우극한이 다를 것”이라고 지레짐작하는 것이다. 1x−a\dfrac{1}{x-a} 꼴이었다면 실제로 그렇다 — 왼쪽에서는 분모가 음수, 오른쪽에서는 양수라 부호가 갈린다.

하지만 이 문제처럼 분모가 제곱되어 있으면 이야기가 다르다. 제곱은 부호를 지워버리는 연산이므로, x−ax-a가 음수든 양수든 (x−a)2(x-a)^2은 무조건 양수다. 그래서 좌우를 나눠 계산할 필요조차 없이, “분모가 00으로 가는 제곱이고 분자가 00이 아닌 수로 간다 → 항상 같은 방향(분자 부호가 결정하는 방향)으로 발산한다”고 한눈에 판단할 수 있다.

다음 문제
문제 2 · 기본

함수 f(x)=x+4x2−x−2f(x)=\dfrac{x+4}{x^2-x-2}에 대하여 옳은 것은?

  • ① limx→2−f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=\infty
  • ② limx→−1+f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} f(x)=\infty
  • ③ limx→−1−f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=\infty
  • ④ limx→2+f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=-\infty
  • ⑤ limx→−1−f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=-\infty
정답과 해설 보기
정답 ③

■ 정석 풀이

누구나 풀 수 있어요5단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.

  1. 아래를 쪼갭니다. x2−x−2=(x−2)(x+1)x^2-x-2=(x-2)(x+1)이므로 아래가 00이 되는 곳은 x=2x=2와 x=−1x=-1입니다.
  2. 두 곳에서 위 x+4x+4는 66, 33으로 00이 아니므로 답은 ∞\infty 또는 −∞-\infty입니다. 위는 양수입니다.
  3. 부호는 아래의 (x−2)(x-2)와 (x+1)(x+1) 부호를 곱해서 정합니다. 아래가 양수이면 ∞\infty, 음수이면 −∞-\infty입니다.
  4. ③ x→−1−x\to-1^-를 봅니다. (x−2)(x-2)는 음수, (x+1)(x+1)도 음수이므로 아래는 양수이고 ∞\infty입니다. 보기와 같으므로 ③이 정답입니다.
  5. 나머지도 같은 방법으로 확인합니다. ①은 −∞-\infty, ②는 −∞-\infty, ④는 ∞\infty, ⑤는 ∞\infty라서 모두 보기와 다릅니다.

※ 위가 양수로 가까워지고 아래만 00으로 가까워지는 곳에서만 이 부호 규칙을 쓰세요. 위가 음수로 가까워지면 결과의 부호를 반대로 합니다.

자세한 풀이 보기

(i) 분모가 00이 되는 점 찾기

x2−x−2=(x−2)(x+1)x^2-x-2=(x-2)(x+1)이므로

f(x)=x+4(x−2)(x+1)f(x)=\frac{x+4}{(x-2)(x+1)}

분모는 x=2x=2, x=−1x=-1에서 00이 된다. 분자 x+4x+4는 두 점에서 각각 66, 33으로 00이 아니므로 대입은 불가능하고, 한쪽 극한은 ∞\infty 또는 −∞-\infty이다. 부호만 가려내면 된다.

(ii) x=−1x=-1 근처 : 인수 x+1x+1을 떼어 내기

f(x)=x+4x−2⋅1x+1f(x)=\frac{x+4}{x-2}\cdot\frac{1}{x+1}

x→−1x\to -1일 때 앞부분 x+4x−2\dfrac{x+4}{x-2}는 3−3=−1\dfrac{3}{-3}=-1에 가까워지므로 음수이다.

  • x→−1−x\to -1^{-} : x+1x+1은 음수이므로 1x+1\dfrac{1}{x+1}은 음수로 절댓값이 커진다. (음수)×\times(음수) = 양수이므로 ∞\infty
  • x→−1+x\to -1^{+} : x+1x+1은 양수이므로 1x+1\dfrac{1}{x+1}은 양수로 커진다. (음수)×\times(양수) = 음수이므로 −∞-\infty

(iii) x=2x=2 근처 : 인수 x−2x-2를 떼어 내기

f(x)=x+4x+1⋅1x−2f(x)=\frac{x+4}{x+1}\cdot\frac{1}{x-2}

앞부분은 63=2\dfrac{6}{3}=2에 가까워지므로 양수이다.

  • x→2+x\to 2^{+} : ∞\infty
  • x→2−x\to 2^{-} : −∞-\infty

(iv) 선택지 판정

  • ① limx→2−f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}} f(x)=-\infty이므로 거짓
  • ② limx→−1+f(x)=−∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{+}} f(x)=-\infty이므로 거짓
  • ③ limx→−1−f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=\infty이므로 참
  • ④ limx→2+f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to 2^{+}} f(x)=\infty이므로 거짓
  • ⑤ limx→−1−f(x)=∞\displaystyle\lim_{x\to -1^{-}} f(x)=\infty이므로 거짓
−1-1
22
x→−1−x\to -1^{-}
x→−1+x\to -1^{+}
y=f(x)y=f(x)
x=−1x=-1의 왼쪽 가지는 위로(∞\infty), 오른쪽 가지는 아래로(−∞-\infty) 향한다. 점선은 점근선 x=−1x=-1, x=2x=2이다

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

P(a)≠0P(a)\neq 0, Q(x)=(x−a)R(x)Q(x)=(x-a)R(x), R(a)≠0R(a)\neq 0일 때

P(a)R(a)>0 ⟹ limx→a+P(x)Q(x)=∞,limx→a−P(x)Q(x)=−∞\frac{P(a)}{R(a)}>0 \ \Longrightarrow\ \lim_{x\to a^{+}}\frac{P(x)}{Q(x)}=\infty,\quad \lim_{x\to a^{-}}\frac{P(x)}{Q(x)}=-\infty

이고, P(a)R(a)<0\dfrac{P(a)}{R(a)}<0이면 두 방향이 서로 바뀐다. 분모가 이차식이어서 00이 되는 점이 둘이면, 점마다 따로 인수를 떼어 부호를 판별한다. 한 점에서의 결과가 다른 점에 영향을 주지 않는다.

쉽게 말하면 — 분모에 위험한 점이 둘이면 “위험한 점 하나당 부호 확인 한 번”입니다. 한 점에서 쓴 부호를 다른 점에 그대로 가져가면 안 됩니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

x=−1x=-1 바로 옆의 값을 넣어 보면 방향이 바로 보인다. f(−1.001)≈999f(-1.001)\approx 999이고 f(−0.999)≈−1001f(-0.999)\approx -1001이다. 이 식은 x=−1x=-1 근처에서 사실상 −1x+1-\dfrac{1}{x+1}처럼 움직인다.

0이 되는 인수 하나만 1x−a\dfrac{1}{x-a}로 떼고 나머지는 숫자로 바꾸면, 복잡한 분수가 늘 보던 cx−a\dfrac{c}{x-a} 꼴로 줄어든다. 가장 흔한 실수는 떼어 낸 뒤 남은 인수 x−2x-2의 부호를 x=−1x=-1 근처가 아니라 x=2x=2 근처 값으로 착각하는 것이다. 남은 인수에는 지금 다가가는 점의 값을 넣어야 한다. x→−1x\to -1이므로 x−2→−3x-2\to -3이다.

다음 문제
문제 3 · 기본

함수 f(x)=2x−2x−2f(x)=\dfrac{2x-2}{x-2}에 대하여 limx→4−f(x)\displaystyle\lim_{x\to 4^{-}}f(x)의 값은?

  • ① 1
  • ② 2
  • ③ 3
  • ④ 6
  • ⑤ 극한값은 존재하지 않는다.
정답과 해설 보기
정답 ③

■ 정석 풀이

누구나 풀 수 있어요3단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.

  1. 아래 x−2x-2에 먼저 x=4x=4를 넣어 봅니다. 4−2=24-2=2이고 00이 아니므로 계속 합니다.
  2. 위 2x−22x-2에 x=4x=4를 넣습니다. 2×4−2=62\times4-2=6
  3. 위 값을 아래 값으로 나눕니다. 6÷2=36\div2=3 → 정답 ③

※ 아래에 넣은 값이 00이 아니면 왼쪽 극한(4−4^-)이든 오른쪽 극한(4+4^+)이든 똑같이 그냥 넣으면 됩니다.

자세한 풀이 보기

(i) 분모 확인하기

x→4−x\to 4^{-}는 x<4x<4인 쪽에서 44에 가까워진다는 뜻이다. x=4x=4에서 분모는 4−2=2≠04-2=2\neq 0이므로 f(x)f(x)는 x=4x=4 근처에서 정의되어 있고 분모의 극한이 00이 아니다.

(ii) 극한값 구하기

분모가 00이 아니므로 x=4x=4를 그대로 대입하면 된다.

limx→4−2x−2x−2=2⋅4−24−2=62=3\lim_{x\to 4^{-}}\frac{2x-2}{x-2}=\frac{2\cdot 4-2}{4-2}=\frac{6}{2}=3
x→4−x\to 4^{-}
x→4+x\to 4^{+}
44
33
OO
y=f(x)y=f(x)
왼쪽에서도 오른쪽에서도 곡선은 높이 33인 점 (4, 3)(4,\,3)으로 향한다. 점선은 점근선 x=2x=2, y=2y=2이다

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

유리함수 f(x)=P(x)Q(x)f(x)=\dfrac{P(x)}{Q(x)}에서 Q(a)≠0Q(a)\neq 0이면

limx→a−f(x)=limx→a+f(x)=P(a)Q(a)\lim_{x\to a^{-}}f(x)=\lim_{x\to a^{+}}f(x)=\frac{P(a)}{Q(a)}

이다. 분자와 분모의 극한이 각각 P(a)P(a), Q(a)Q(a)로 존재하고 분모의 극한이 00이 아닐 때에는 limP(x)Q(x)=limP(x)limQ(x)\displaystyle\lim \frac{P(x)}{Q(x)}=\frac{\lim P(x)}{\lim Q(x)}가 성립하기 때문이다.

쉽게 말하면 — 분모만 00이 아니면 “극한은 그냥 대입한 값”입니다. 왼쪽인지 오른쪽인지는 이 계산에 아무 영향을 주지 않습니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

이 문제에서 학생들이 걸리는 곳은 두 군데다. 먼저 x→4−x\to 4^{-}라는 한쪽 표기를 보고 좌극한만의 특별한 계산이 따로 있을 것 같아 ⑤번을 고르려는 마음이 든다. 하지만 분모가 00이 아닌 점에서는 왼쪽으로 가든 오른쪽으로 가든 가는 곳이 같은 점 (4, 3)(4,\,3)이므로, 좌극한과 우극한이 모두 f(4)=3f(4)=3이다.

다음은 분모 x−2x-2가 00이 되는 x=2x=2가 “왼쪽 어딘가에 있으니” 영향을 줄 것 같다는 불안이다. 그래프에서 x=2x=2는 44에서 멀리 떨어진 점선일 뿐이고, 한쪽 극한은 44 바로 옆의 아주 좁은 구간만 보기 때문에 x=2x=2는 아예 눈에 들어오지 않는다. 그러니 확인할 것은 하나뿐이다. “aa 자리에서 분모가 00인가?” 아니라면 대입하고 끝낸다.

다음 문제
문제 4 · 응용

함수 g(x)=−3(x+1)2+5g(x) = \dfrac{-3}{(x+1)^2} + 5에 대하여 limx→−1g(x)\displaystyle\lim_{x \to -1} g(x)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 −∞-\infty

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기3단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. x=−1x=-1을 넣으면 (x+1)2(x+1)^2이 00이라 안 됩니다. 분수 부분 −3(x+1)2\frac{-3}{(x+1)^2}의 부호만 정합니다.
  2. 위 −3-3은 음수이고, 아래 (x+1)2(x+1)^2은 제곱이라 어느 쪽에서 다가가도 양수입니다. (음수)÷\div(양수)는 음수이므로 아주 작은 음수, 즉 −∞-\infty입니다.
  3. +5+5는 무시합니다. 한없이 커지거나 작아지는 값에 숫자 하나를 더해도 답은 그대로 −∞-\infty입니다. → 정답 −∞-\infty

※ 이 문제처럼 위가 00이 아닌 숫자이고, 아래가 제곱((x+1)2(x+1)^2)이라 왼쪽·오른쪽 모두 양수로 00에 가까워질 때만 이렇게 하세요. 아래의 부호가 좌우에서 다르면 왼쪽과 오른쪽을 따로 구하세요.

자세한 풀이 보기

xx가 −1-1이 아니면서 −1-1에 한없이 가까워지면, (x+1)2(x+1)^2은 항상 양수이면서 00에 한없이 가까워진다.

분자가 음수인 −3-3이므로, −3(x+1)2\dfrac{-3}{(x+1)^2}은 “음수를 아주 작은 양수로 나누는” 상황이 되어 값이 한없이 작아진다. 즉,

limx→−1−3(x+1)2=−∞\lim_{x \to -1} \frac{-3}{(x+1)^2} = -\infty

이다. 여기에 상수 55를 더해도, 한없이 작아지는 흐름 자체는 바뀌지 않는다 — 아무리 큰(음의 방향으로) 값에 유한한 55를 더해봐야 여전히 한없이 작아지는 상태다. 따라서

limx→−1g(x)=limx→−1(−3(x+1)2+5)=−∞\lim_{x \to -1} g(x) = \lim_{x \to -1} \left( \frac{-3}{(x+1)^2} + 5 \right) = -\infty

이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

무한대로 발산하는 극한에서는 다음과 같이 판단할 수 있다. limx→af(x)=∞\displaystyle\lim_{x \to a} f(x) = \infty이고 cc가 00이 아닌 상수일 때,

limx→ac⋅f(x)={∞(c>0)−∞(c<0),limx→a{f(x)+c}=∞\lim_{x \to a} c \cdot f(x) = \begin{cases} \infty & (c>0) \\ -\infty & (c<0) \end{cases}, \qquad \lim_{x \to a} \{f(x)+c\} = \infty

즉 (부호가 있는) 상수를 곱하면 발산 방향이 그 부호를 따라 정해지고, 유한한 상수를 더하고 빼는 것은 발산 자체에는 영향을 주지 못한다.

쉽게 말하면 — −3-3을 앞에 곱하는 건 “얼마나 크게 발산하는지”의 부호를 뒤집는 스위치이고, 뒤에 더해진 55는 무한히 커지는(혹은 작아지는) 값 옆에 붙은 먼지 같은 존재입니다. 발산 앞에서 유한한 수는 있으나 마나 합니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

문제 1에서 익힌 “분모가 00으로 가는 제곱이고 분자가 00이 아닌 수로 가면 좌우 구분 없이 분자 부호가 발산 방향을 정한다”는 원칙을 그대로 가져오되, 이번엔 분자가 음수라는 점만 다르다. −3<0-3<0이므로 결과는 곧바로 −∞-\infty다.

뒤에 붙은 +5+5를 보고 “55를 더했으니 −∞+5-\infty+5는 뭔가 달라지지 않을까”라고 망설일 필요가 없다. 한없이 작아지는 값에 유한한 수를 더하고 빼는 조작은 발산 여부와 방향에 아무 영향을 주지 못한다 — 무한히 큰(혹은 작은) 것 앞에서 유한한 숫자는 존재감이 없다는 감각을 이 문제로 확인해두면 된다.

다음 문제
문제 5 · 응용

상수 kk에 대하여 함수 f(x)=x+kx2−x−6f(x)=\dfrac{x+k}{x^2-x-6}이

limx→3+f(x)=∞,limx→−2−f(x)=−∞\lim_{x\to 3^{+}} f(x)=\infty,\qquad \lim_{x\to -2^{-}} f(x)=-\infty

를 모두 만족시킬 때, 조건을 만족시키는 모든 정수 kk의 값의 합을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 -2

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기6단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. 아래를 쪼갭니다. x2−x−6=(x−3)(x+2)x^2-x-6=(x-3)(x+2)
  2. 첫째 조건 x→3+x\to3^+: (x−3)(x-3)은 00에 가까운 양수, (x+2)(x+2)는 55 근처의 양수라 아래는 작은 양수입니다. 답이 ∞\infty(양수)이려면 위 x+kx+k에 x=3x=3을 넣은 3+k3+k가 양수여야 합니다. k>−3k>-3
  3. 둘째 조건 x→−2−x\to-2^-: (x+2)(x+2)는 00에 가까운 음수, (x−3)(x-3)은 −5-5 근처의 음수라 아래는 작은 양수입니다. 답이 −∞-\infty(음수)이려면 위 x+kx+k에 x=−2x=-2를 넣은 −2+k-2+k가 음수여야 합니다. k<2k<2
  4. 두 범위를 합칩니다. −3<k<2-3<k<2이므로 정수 kk는 −2-2, −1-1, 00, 11입니다.
  5. 경계를 확인합니다. k=−3k=-3이나 k=2k=2이면 위와 아래의 덩어리가 약분되어 무한대가 안 되므로 뺍니다. 이미 빠져 있습니다.
  6. 더합니다. (−2)+(−1)+0+1=−2(-2)+(-1)+0+1=-2 → 정답 −2-2

※ 위가 00이 아니고 아래만 00이 되는 곳에서만 이렇게 하세요. 위도 00이 되면 약분되어 답이 달라집니다.

자세한 풀이 보기

(i) 분모 인수분해

x2−x−6=(x−3)(x+2)x^2-x-6=(x-3)(x+2)이므로 f(x)=x+k(x−3)(x+2)f(x)=\dfrac{x+k}{(x-3)(x+2)}이다.

(ii) 첫째 조건 : x→3+x\to 3^{+}

f(x)=x+kx+2⋅1x−3f(x)=\frac{x+k}{x+2}\cdot\frac{1}{x-3}

x→3+x\to 3^{+}이면 1x−3→∞\dfrac{1}{x-3}\to\infty (양수)이다. 앞부분은 3+k5\dfrac{3+k}{5}에 가까워지므로, 극한이 ∞\infty이려면 이 값이 양수여야 한다.

3+k5>0 ⟹ k>−3\frac{3+k}{5}>0 \ \Longrightarrow\ k>-3

(iii) 둘째 조건 : x→−2−x\to -2^{-}

f(x)=x+kx−3⋅1x+2f(x)=\frac{x+k}{x-3}\cdot\frac{1}{x+2}

x→−2−x\to -2^{-}이면 x+2x+2는 음수이므로 1x+2→−∞\dfrac{1}{x+2}\to-\infty이다. 앞부분은 −2+k−5=2−k5\dfrac{-2+k}{-5}=\dfrac{2-k}{5}에 가까워지므로, 극한이 −∞-\infty이려면 이 값이 양수여야 한다.

2−k5>0 ⟹ k<2\frac{2-k}{5}>0 \ \Longrightarrow\ k<2

(iv) 공통 범위와 경계 확인

두 조건을 합치면 −3<k<2-3<k<2이고, 정수 kk는 −2, −1, 0, 1-2,\ -1,\ 0,\ 1이다.

경계값은 따로 확인한다.

  • k=−3k=-3 : f(x)=x−3(x−3)(x+2)f(x)=\dfrac{x-3}{(x-3)(x+2)}이므로 x≠3x\neq 3에서 f(x)=1x+2f(x)=\dfrac{1}{x+2}이고 limx→3+f(x)=15\displaystyle\lim_{x\to 3^{+}}f(x)=\dfrac{1}{5}이다. 첫째 조건을 만족시키지 않는다.
  • k=2k=2 : x≠−2x\neq -2에서 f(x)=1x−3f(x)=\dfrac{1}{x-3}이고 limx→−2−f(x)=−15\displaystyle\lim_{x\to -2^{-}}f(x)=-\dfrac{1}{5}이다. 둘째 조건을 만족시키지 않는다.

따라서 구하는 합은

(−2)+(−1)+0+1=−2(-2)+(-1)+0+1=-2
k=−3k=-3
−2-2
33
k=0k=0
−2-2
33
k=2k=2
−2-2
33
가운데(k=0k=0)는 두 조건을 모두 만족시킨다. 왼쪽(k=−3k=-3)은 x−3x-3이 약분되어 x=3x=3에 구멍만 남고 오른쪽 극한이 15\dfrac{1}{5}이 되며, 오른쪽(k=2k=2)은 x+2x+2가 약분되어 x=−2x=-2에 구멍만 남고 왼쪽 극한이 −15-\dfrac{1}{5}이 된다

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

분모가 00이 되는 점마다 조건이 따로 주어지면, 점마다 인수를 떼어 “남은 부분의 부호” 조건을 세운다. 각 조건은 kk에 대한 일차부등식이 되고, 모든 조건을 동시에 만족시키는 범위가 답이다.

이 문제처럼 분모에 그 인수가 일차로 한 번만 들어 있을 때, 부등호에 등호가 들어가지 않는 이유는 남은 부분이 00이면 분자와 분모가 같은 인수를 공유하여 약분되고, 그 점에서 극한이 발산하지 않고 유한한 값으로 바뀌기 때문이다.

쉽게 말하면 — 조건 하나는 “그 점에서 분자의 부호가 어때야 하는가”라는 한 줄짜리 부등식입니다. 분자가 정확히 00이 되는 순간에는 위험한 점이 약분으로 사라지니 경계값은 빼야 합니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

두 조건은 결국 “x=3x=3에서 분자의 부호”와 “x=−2x=-2에서 분자의 부호”를 묻는 것이다. 문제 전체가 k+3>0k+3>0, k−2<0k-2<0이라는 부등식 두 줄로 줄어든다.

방향이 헷갈리면 분모 전체의 부호로 검산한다. x→−2−x\to -2^{-}에서 (x−3)(x-3)은 음수, (x+2)(x+2)도 음수이므로 분모는 양수로 작아진다. 극한이 −∞-\infty이려면 분자 x+kx+k가 x=−2x=-2 근처에서 음수여야 하고, 곧 k−2<0k-2<0이다. 앞에서 구한 결과와 같다.

가장 많이 틀리는 곳은 경계값이다. k=−3k=-3과 k=2k=2를 구간에 넣으면 정수 두 개가 더 포함되어 합이 −2-2가 아니라 −3-3이 된다. 분자가 00이 되는 값에서는 그래프에 구멍만 남고 발산이 사라진다.

다음 문제
문제 6 · 응용

상수 aa, bb, cc에 대하여 함수 f(x)=ax+bx+cf(x)=\dfrac{ax+b}{x+c}가 다음 조건을 만족시킨다.

  • (가) limx→2−f(x)=8\displaystyle\lim_{x\to 2^{-}}f(x)=8
  • (나) limx→0+f(x)=−4\displaystyle\lim_{x\to 0^{+}}f(x)=-4
  • (다) limx→3+f(x)=5\displaystyle\lim_{x\to 3^{+}}f(x)=5

abcabc의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 -8

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기6단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. 세 조건을 xx를 넣은 값으로 바꿉니다. 2a+b2+c=8\frac{2a+b}{2+c}=8, bc=−4\frac{b}{c}=-4, 3a+b3+c=5\frac{3a+b}{3+c}=5
  2. 분모를 없애 정리합니다. 2a+b=8(2+c)2a+b=8(2+c), b=−4cb=-4c, 3a+b=5(3+c)3a+b=5(3+c)
  3. b=−4cb=-4c를 첫째 식과 셋째 식에 넣고 aa에 대해 정리합니다. a=8+6ca=8+6c, a=5+3ca=5+3c
  4. 두 식이 같다고 놓고 풉니다. 8+6c=5+3c8+6c=5+3c이므로 c=−1c=-1이고, a=2a=2, b=4b=4
  5. 곱합니다. abc=2×4×(−1)=−8abc=2\times4\times(-1)=-8
  6. 검산합니다. 분모 x+c=x−1x+c=x-1이 00이 되는 곳은 x=1x=1로, 22, 00, 33 중에 없습니다.

※ 한쪽 극한이 숫자로 주어졌고 그 자리에서 분모가 00이 되지 않을 때만 xx를 넣은 값으로 바꿀 수 있습니다. 그래서 마지막에 분모를 확인합니다.

자세한 풀이 보기

(i) 분모가 00이 되는 점 확인하기

분모 x+cx+c가 00이 되는 점은 x=−cx=-c 하나뿐이다. 이 점이 22, 00, 33 중 하나라면, 그 점으로 다가갈 때 분자가 00이 아니면 극한이 발산하고, 분자도 00이면 ax+b=a(x+c)ax+b=a(x+c)이므로 약분되어 f(x)=af(x)=a인 상수함수가 된다. 앞의 경우는 극한값이 88, −4-4, 55로 존재한다는 조건에 어긋나고, 뒤의 경우는 세 극한값이 모두 aa로 같아져서 서로 다른 세 값과 어긋난다. 따라서 세 점 모두에서 분모는 00이 아니다.

(ii) 한쪽 극한을 함숫값으로 바꾸기

세 점에서 분모가 00이 아니므로 한쪽 극한은 모두 대입한 값이다.

f(2)=2a+b2+c=8,f(0)=bc=−4,f(3)=3a+b3+c=5f(2)=\frac{2a+b}{2+c}=8,\qquad f(0)=\frac{b}{c}=-4,\qquad f(3)=\frac{3a+b}{3+c}=5

분모를 없애면 다음과 같다.

2a+b=8(2+c),b=−4c,3a+b=5(3+c)2a+b=8(2+c),\qquad b=-4c,\qquad 3a+b=5(3+c)

(iii) aa, bb, cc 구하기

b=−4cb=-4c를 첫째 식과 셋째 식에 대입한다.

2a−4c=16+8c ⇒ a=8+6c,3a−4c=15+5c ⇒ a=5+3c2a-4c=16+8c \ \Rightarrow\ a=8+6c,\qquad 3a-4c=15+5c \ \Rightarrow\ a=5+3c

두 식에서 8+6c=5+3c8+6c=5+3c이므로

c=−1,a=2,b=4c=-1,\qquad a=2,\qquad b=4

(iv) 답 구하기

abc=2⋅4⋅(−1)=−8abc=2\cdot 4\cdot(-1)=-8

검산: f(x)=2x+4x−1f(x)=\dfrac{2x+4}{x-1}이면 f(2)=81=8f(2)=\dfrac{8}{1}=8, f(0)=4−1=−4f(0)=\dfrac{4}{-1}=-4, f(3)=102=5f(3)=\dfrac{10}{2}=5이다. 분모가 00이 되는 점은 x=1x=1로 22, 00, 33 중 어느 것도 아니므로 (i)의 가정과 맞다.

(2, 8)(2,\,8)
(3, 5)(3,\,5)
(0, −4)(0,\,-4)
x=1x=1
y=2y=2
OO
y=f(x)y=f(x)
세 조건은 곡선 위의 세 점 (2, 8)(2,\,8), (3, 5)(3,\,5), (0, −4)(0,\,-4)의 높이를 가리킨다. (0, −4)(0,\,-4)는 점근선 x=1x=1의 왼쪽 가지 위에, 나머지 두 점은 오른쪽 가지 위에 있다

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

f(x)=ax+bx+cf(x)=\dfrac{ax+b}{x+c}는 분모가 00이 되는 점 x=−cx=-c가 아닌 점에서는 분모의 극한이 00이 아니므로 몫의 극한 법칙으로 대입할 수 있다. 그런 점 x=px=p에서는

limx→p−f(x)=limx→p+f(x)=f(p)\lim_{x\to p^{-}}f(x)=\lim_{x\to p^{+}}f(x)=f(p)

이므로, 한쪽 극한 조건은 곧 “그래프가 점 (p, f(p))(p,\,f(p))를 지난다”는 조건이다. 점의 좌표를 ax+bx+c=y\dfrac{ax+b}{x+c}=y에 넣고 분모를 없애면 aa, bb, cc에 대한 일차식이 나온다.

쉽게 말하면 — 극한이 곧 높이이므로 “극한 조건”은 “지나는 점 조건”으로 바꿔 읽을 수 있습니다. 모르는 값이 세 개이니 점 세 개로 식 세 개가 생기고, 이 문제에서는 풀어 보면 곡선이 하나로 정해집니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

조건 세 개는 모양만 한쪽 극한일 뿐이다. 분모가 00이 되는 점에 닿지 않는다면 모두 함숫값과 같으므로, 문제를 “곡선이 (2, 8)(2,\,8), (0, −4)(0,\,-4), (3, 5)(3,\,5)를 지난다”로 번역하면 사실상 끝난다. 2−2^{-}, 0+0^{+}, 3+3^{+} 같은 방향 표시는 식을 고르는 데 전혀 쓰이지 않는다. 식이 하나뿐이어서 방향이 달라도 같은 식에 대입하기 때문이다.

그림으로 보면 (0, −4)(0,\,-4)는 점근선의 왼쪽 가지, 나머지 두 점은 오른쪽 가지에 있다. 서로 다른 가지 위의 점이어도 같은 식 하나에 대입하면 된다는 점이 이 문제의 재미다. 마지막에 구한 c=−1c=-1에서 분모가 00이 되는 점이 x=1x=1로 세 점과 겹치지 않는지만 확인하면, 번역이 정당했다는 확인이 된다.

#함수의 극한#발산#한쪽 극한#유리함수#점근선#미적분Ⅰ