좌극한과 우극한이 각각 실수로 존재하고 그 값이 서로 같아야 한다. 양쪽이 모두 한없이 커지는 경우는 값이 같아 보여도 극한값이 존재하는 것이 아니다.
조각이 다항식이면 한쪽 극한은 그 조각의 식에 x=a를 대입한 값이다. 예를 들어 x≥2에서 f(x)=x2−3이면 x→2+limf(x)=1이다. x=a에서의 함숫값 f(a)는 극한을 정하는 데 쓰이지 않는다.
쉽게 말하면 — 극한은 “그 점을 향해 다가갈 때의 높이”입니다. 왼쪽에서 다가가는 높이와 오른쪽에서 다가가는 높이가 다르면 목적지가 두 곳이라 극한이 없고, 같으면 그 높이가 극한값입니다.
2. 경계점 하나에서 식 하나가 나온다
일차방정식으로 미지수 n개를 모두 정하려면 서로 독립인 식이 보통 n개 필요하다. 식은 경계점마다 “좌극한 = 우극한”으로 하나씩 나온다. 경계점이 하나뿐이면 나머지 식은 f(0)=2 같은 함숫값 조건이나 “x=−2에서의 극한값이 9” 같은 조건에서 얻는다.
3. 식에 어떤 미지수가 남는지 먼저 본다
식을 세운 뒤 각 식에 실제로 남는 문자를 확인한다. 식마다 다른 문자가 하나씩만 남으면 따로따로 풀면 된다. 식마다 두 문자가 함께 남으면 한 식에서 한 문자를 다른 문자로 나타내 대입하는 연립방정식이다.
4. 미정계수를 정하고 나면 다른 지점의 극한은 대입이다
미정계수를 모두 구하면 함수는 식이 완전히 정해진다. 경계점이 아닌 x=c에서의 극한값은 c가 속한 조각이 다항식이면 그 식에 c를 대입하면 된다.
5. 그래프에서는 양쪽 높이를 읽고, 안쪽 부호가 바뀌면 방향도 바꿔 읽는다
그래프로 주어진 함수는 x=a 양쪽에서 조각이 향하는 높이를 읽는다. x=a 위에 찍힌 ●는 극한을 구할 때 쓰지 않는다. f(−x)의 극한에서는 −x가 x와 반대 방향으로 움직이므로, 왼쪽 극한에는 반대편 지점의 오른쪽 높이가 들어간다.
경계점 a, b마다 왼쪽 조각이 향하는 높이와 오른쪽 조각이 향하는 높이가 같아야 극한값이 존재합니다. 조각들이 끊어짐 없이 만나는 모양이 곧 "좌극한 = 우극한"입니다.
정리: 조각함수에서 극한값이 존재하도록 미정계수를 구할 때
경계점마다 좌극한과 우극한을 구해 같다고 놓는다.
각 식에 남은 미지수를 확인해, 따로 풀리면 따로 풀고 얽혀 있으면 연립한다.
구한 값을 넣어 두 조각이 정말 같은 높이에서 만나는지 확인한다.
누구나 풀 수 있어요기본형은 3단계로 풉니다. 응용형은 아래 문제 해설의 “단계별로 풀어 보기”에서 안내합니다.
경계마다 “왼쪽 값 = 오른쪽 값”이라는 식을 하나씩 세웁니다. 각 값은 그 줄의 식에 경계 값을 넣어 구합니다.
미지수가 하나만 남은 식부터 풀고, 푼 값을 다른 식에 넣습니다.
구한 값을 넣어 두 조각이 같은 높이에서 만나는지 확인합니다.
※ 모든 경계점에서 극한값이 실수로 존재하도록 미정계수를 구하는 문제 중, 줄의 식이 모두 다항식이고 경계마다 세운 식이 미지수를 하나씩 정해 주는 기본형입니다. 두 미지수가 한 식에 같이 들어 있어 연립해야 하거나 함숫값 같은 추가 조건이 붙은 문제, 그래프로 주어진 문제, f(−x)가 든 문제는 아래 문제 해설을 보세요.
유제
문제 1 · 기본
함수 f(x)가
f(x)={−x+ax2−3(x<2)(x≥2)
로 정의되어 있다. x→2limf(x)가 존재하도록 하는 상수 a의 값은?
① 1
② -1
③ -3
④ 2
⑤ 3
정답과 해설 보기
정답 ⑤
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요4단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
경계 x=2에서 왼쪽(x<2)은 −x+a 줄에 x=2를 넣은 −2+a입니다.
오른쪽(x≥2)은 x2−3 줄에 x=2를 넣은 4−3=1입니다.
극한값이 있으려면 왼쪽 값과 오른쪽 값이 같아야 합니다. −2+a=1
풉니다. a=3 → 정답 ⑤
자세한 풀이 보기
x<2일 때 f(x)=−x+a이므로
x→2−limf(x)=−2+a
x≥2일 때 f(x)=x2−3이므로
x→2+limf(x)=22−3=1
극한값이 존재하려면 좌극한과 우극한이 같아야 하므로
−2+a=1⟹a=3
a에 대한 일차방정식이므로 이 값은 유일하게 결정된다.
a=3을 넣으면 왼쪽 직선 y=−x+3과 오른쪽 곡선 y=x2−3이 x=2에서 정확히 높이 1로 만납니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 1번·2번: 각 조각이 다항식이고 경계점이 하나뿐인 조각함수에서 미정계수를 구하는 절차는 다음과 같이 정리된다.
x→a−limf(x)=x→a+limf(x)
이 식에 양쪽 조각의 식을 대입하면 미지수에 대한 방정식이 하나 나오고, 그 방정식을 풀면 조건을 만족하는 값이 정해진다.
쉽게 말하면 — 양쪽 조각에 각각 x=2를 넣어서 나온 두 값을 같다고 놓으면, 그게 바로 a를 구하는 방정식입니다. 굳이 그래프를 그리지 않아도, 식 두 개를 등호로 잇기만 하면 됩니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
자주 하는 실수는 우극한 1을 구해 놓고 “a=1”이라고 바로 답해버리는 것이다. 우극한 1은 좌극한이 향해야 할 목표 높이일 뿐, a 그 자체가 아니다. −2+a=1이라는 방정식을 풀어야 비로소 a=3이 나온다.
경계점이 하나뿐인 이 문제는 다음 문제(경계점이 두 개인 경우)의 축소판이다. 경계점이 늘어나도 “각 조각에 경계점의 x값을 넣어 두 값을 같다고 놓는다”는 이 한 줄짜리 원리 자체는 그대로 반복된다.
다음 문제
문제 2 · 응용
함수 f(x)가
f(x)=⎩⎨⎧ax+bx2−13x+a(x<0)(0≤x<2)(x≥2)
로 정의되어 있다. x→0limf(x)와 x→2limf(x)가 각각 존재하도록 하는 상수 a, b에 대하여 a+b의 값을 구하시오.
정답과 해설 보기
정답 -4
■ 정석 풀이
단계별로 풀어 보기4단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.
경계가 둘(x=0, x=2)이므로 경계마다 따로 “왼쪽 값 = 오른쪽 값”을 세웁니다.
x=0: 왼쪽(x<0)은 ax+b에 x=0을 넣은 b, 오른쪽(0≤x<2)은 x2−1에 x=0을 넣은 −1입니다. b=−1
x=2: 왼쪽은 x2−1에 x=2를 넣은 3, 오른쪽(x≥2)은 3x+a에 x=2를 넣은 6+a입니다. 6+a=3이므로 a=−3
더합니다. a+b=(−3)+(−1)=−4 → 정답 −4
자세한 풀이 보기
(i) 경계점 x=0에서 조건 세우기
x<0일 때 f(x)=ax+b이므로
x→0−limf(x)=a⋅0+b=b
0≤x<2일 때 f(x)=x2−1이므로
x→0+limf(x)=02−1=−1
극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로
b=−1
(ii) 경계점 x=2에서 조건 세우기
0≤x<2일 때 f(x)=x2−1이므로
x→2−limf(x)=22−1=3
x≥2일 때 f(x)=3x+a이므로
x→2+limf(x)=3(2)+a=6+a
극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로
6+a=3⟹a=−3
(iii) 답 구하기
a+b=(−3)+(−1)=−4b=−1을 넣은 왼쪽 직선 y=−3x−1과 가운데 곡선 y=x2−1이 x=0에서 높이 −1로 만나고, a=−3을 넣은 가운데 곡선과 오른쪽 직선 y=3x−3이 x=2에서 높이 3으로 만납니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 2번·3번: 경계점이 두 개면 조건식도 두 개가 나오는데, 이 문제에서는 각 조건식에 실제로 남는 미지수가 다르다.
x=0에서의조건 (a는사라짐)b=−1x=2에서의조건 (b는등장조차안함)6+a=3
x=0의 조건식에는 b만 남고, x=2의 조건식에는 a만 남는다. 두 식은 연립방정식이지만 서로 문자가 겹치지 않아 소거 과정이 필요 없다. 완전히 독립된 방정식 두 개를 각각 풀면 된다.
쉽게 말하면 — a의 방정식과 b의 방정식은 서로 다른 경계점에서 따로 태어납니다. 어느 방정식에 어떤 문자가 들어있는지만 확인하면, 둘을 한꺼번에 풀 필요 없이 각자 순서와 상관없이 풀 수 있습니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
이 문제를 보자마자 “미지수가 a, b 두 개니까 두 식을 얽어서 풀어야겠다”고 반응하면 오히려 돌아가게 된다. x=0의 좌극한을 구하는 식 ax+b에 x=0을 넣으면 a⋅0이 그대로 0이 되어 a가 통째로 사라진다는 사실을 먼저 알아채야 한다 — a가 문자로 보인다고 해서 모든 조건식에 실제로 영향을 주는 것은 아니다.
핵심은 “문자가 보인다”와 “그 문자가 이 조건식에 실제로 남아 있다”를 구별하는 것이다. x=0을 대입하는 순간 a를 곱하는 항 자체가 통째로 0이 되어 없어지므로, 이 경계점은 오직 b만의 문제가 된다. 반대로 x=2의 조건식에는 애초에 b가 등장하지 않으므로 a만의 문제가 된다. 두 경계점이 서로 다른 미지수를 각자 책임진다는 것을 보면, 소거 과정 없이 한 줄씩 풀고 끝낼 수 있다.
다음 문제
문제 3 · 기본
함수 f(x)가
f(x)={x2+ax+b3x+4(x<1)(x≥1)
로 정의되어 있다. x→1limf(x)가 존재하고 f(0)=2일 때, 상수 a, b에 대하여 a+b의 값은?
① 2
② 4
③ 5
④ 6
⑤ 8
정답과 해설 보기
정답 ④
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요5단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
첫 조건은 경계점이 아닌 x=−2에서의 극한값이다. 다항식 조각에서는 극한을 구하는 것이 곧 대입하는 것이므로 처리 방식은 경계점 조건과 다르지 않다. 미정계수를 모두 구하고 나면 x=5에서의 극한도 5가 속한 조각 3x−5에 대입하는 계산이다.
쉽게 말하면 — “x=−2에서 극한값이 9”라는 조건은 그 조각에 −2를 넣은 값이 9라는 뜻입니다. 경계점이든 아니든 다항식 조각에서는 결국 대입만 하면 됩니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
이 문제는 세 단계로 이루어져 있고 단계마다 보는 조각과 지점이 다르다. a는 왼쪽 조각의 점 x=−2, b는 경계점 x=2의 좌우 극한, 마지막 계산은 오른쪽 조각의 점 x=5이다. 세 가지를 한꺼번에 뒤섞으면 오히려 헷갈린다.
“지금 어느 조각을, 어느 지점에서 보고 있는가”를 단계마다 스스로 물어보자. 미지수를 다 구했다고 끝이 아니다. 문제의 마지막 질문은 a, b가 아니라 x→5limf(x)이다. x=5에 왼쪽 조각의 식을 넣는 실수도 조심해야 한다. 5는 2보다 크므로 오른쪽 조각 bx−5를 쓴다.
다음 문제
문제 6 · 기본
정의역이 {x∣−1≤x≤3}인 함수 y=f(x)의 그래프가 그림과 같다.
x=1에서 그래프가 끊어져 있고, x=1 위에는 ●가 따로 찍혀 있다
함수 g(x)를
g(x)={f(x)af(x)−2(−1≤x<1)(1<x≤3)
로 정의할 때, x→1limg(x)가 존재하도록 하는 상수 a의 값은?
① 1
② 2
③ 3
④ 4
⑤ 5
정답과 해설 보기
정답 ③
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요4단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
그림에서 x=1 왼쪽 조각이 향하는 높이를 읽습니다. 4. 오른쪽 조각이 출발하는 높이를 읽습니다. 2. 속이 찬 점(●)은 읽지 않습니다.
g의 왼쪽 극한은 f와 같으므로 4입니다.
g의 오른쪽 극한은 af(x)−2에 f의 오른쪽 값 2를 넣은 2a−2입니다.
두 값이 같아야 하므로 4=2a−2이고 a=3입니다. → 정답 ③
자세한 풀이 보기
(i) 그래프에서 f(x)의 좌극한과 우극한 읽기
x=1 왼쪽의 조각은 높이 4의 ○를 향하므로 x→1−limf(x)=4이다. x=1 오른쪽의 조각은 높이 2의 ○에서 출발하므로 x→1+limf(x)=2이다. x=1에 찍힌 ●(f(1)=3)은 극한을 구할 때 쓰지 않는다.
(ii) g(x)의 좌극한과 우극한 구하기
x<1에서는 g(x)=f(x)이므로
x→1−limg(x)=x→1−limf(x)=4
x>1에서는 g(x)=af(x)−2이므로
x→1+limg(x)=ax→1+limf(x)−2=2a−2
(iii) 두 값이 같도록 a 정하기
x→1limg(x)가 존재하려면 좌극한과 우극한이 같아야 한다.
4=2a−2∴a=3
a=3이면 우극한은 2⋅3−2=4이므로 좌극한과 같다. 따라서 a=3이고 이때 극한값은 4이다.
왼쪽 조각은 높이 4로, 오른쪽 조각은 높이 2로 향한다. x=1 위의 ●(f(1)=3)는 극한을 정하는 데 쓰이지 않는다
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 1번·5번: 극한값이 존재할 조건은 좌극한과 우극한이 같다는 것이다.
x→1limg(x)존재⟺x→1−limg(x)=x→1+limg(x)
한쪽 극한에서도 상수배와 상수항은 그대로 밖으로 나온다.
x→1+lim{af(x)−2}=ax→1+limf(x)−2
따라서 상수 a는 우극한 2a−2가 좌극한 4와 같다는 방정식에서 정해진다.
쉽게 말하면 — 왼쪽 조각이 향하는 높이는 4로 정해져 있고, 오른쪽 조각의 높이 2를 “a배 한 뒤 2만큼 내린” 값이 4와 만나야 합니다. a는 그 만남을 맞춰 주는 숫자입니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
상수를 구하는 문제는 거꾸로 계산하면 한 줄이다. 오른쪽 높이 2가 a배 되고 2만큼 내려와 4가 되어야 하므로, 반대로 4에 2를 더해 6을 만들고 2로 나누면 a=3이다.
가장 흔한 실수는 x=1 위에 찍힌 ●의 값 f(1)=3을 우극한 자리에 넣는 것이다. 그러면 4=3a−2가 되어 a=2라는 틀린 답이 나온다. 극한은 x=1 위의 점을 보지 않고, 양쪽 조각이 향하는 높이만 본다.
a=3이면 오른쪽 조각이 높이 4로 올라와서 두 조각이 x=1의 같은 높이로 향한다
다음 문제
문제 7 · 응용
정의역이 {x∣−3≤x≤3}인 함수 y=f(x)의 그래프가 그림과 같다.
x=−1과 x=1에서 그래프가 각각 끊어져 있다
상수 a에 대하여 함수 g(x)=f(x)+af(−x)라 하자. x→1limg(x)의 값이 존재할 때, a+x→1limg(x)의 값을 구하시오.
정답과 해설 보기
정답 7
■ 정석 풀이
단계별로 풀어 보기5단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.
g(x)=f(x)+af(−x)에는 x=1 둘레의 f(x)와 x=−1 둘레의 f(−x)가 함께 쓰입니다. 그림에서 x=1은 왼쪽 3, 오른쪽 1이고, x=−1은 왼쪽 2, 오른쪽 1입니다.
f(−x)는 부호가 뒤집히므로 방향이 바뀝니다. x→1의 왼쪽에서는 x=−1의 오른쪽 값 1을, 오른쪽에서는 x=−1의 왼쪽 값 2를 읽습니다.
g의 왼쪽 극한은 3+a×1=3+a, 오른쪽 극한은 1+a×2=1+2a입니다.
두 값이 같아야 하므로 3+a=1+2a이고 a=2입니다. 이때 극한값은 3+2=5입니다.
문제대로 더합니다. a+5=2+5=7 → 정답 7
※ f(−x)처럼 부호가 뒤집히면 왼쪽은 오른쪽이 되고, 오른쪽은 왼쪽이 됩니다.
자세한 풀이 보기
(i) 그래프에서 필요한 극한 읽기
g(x)의 x→1 극한에는 x=1 둘레의 f(x)와, x=−1 둘레의 f(−x)가 함께 쓰인다. 그래서 두 지점의 좌극한과 우극한을 모두 읽는다.