x가 유리수일 때와 무리수일 때 식이 다른 함수는 두 식의 값이 같은 점에서만 극한값이 존재합니다. 그 점을 방정식의 실근으로 찾는 방법, 판별식과 중근으로 점의 개수를 세는 방법, 근과 계수의 관계로 상수를 정하는 방법을 한 편에서 익힙니다.
· 수정 2026. 10. 28.
핵심 개념
1. x가 a로 가까워지는 두 가지 방식
x가 유리수인지 무리수인지에 따라 식이 달라지는 함수를 생각하자. 다항함수 p(x), q(x)에 대하여
f(x)={p(x)q(x)(x가유리수)(x가무리수)
어떤 실수 a에 아무리 가까운 범위를 잡아도 그 안에는 유리수도, 무리수도 항상 들어 있다. 그래서 x→a일 때 x는 유리수인 채로도, 무리수인 채로도 a에 가까워질 수 있다.
유리수인 채로 a에 가까워지면 f(x)=p(x)이므로 함숫값은 p(a)에 가까워진다.
무리수인 채로 a에 가까워지면 f(x)=q(x)이므로 함숫값은 q(a)에 가까워진다.
여기서 p(a), q(a)를 대입으로 구할 수 있는 것은 다항함수의 극한값이 대입한 값이기 때문이다.
x가 유리수인 점들은 y=p(x) 위에, x가 무리수인 점들은 y=q(x) 위에 놓입니다. 두 그래프가 만나는 x=a에서만 두 갈래가 같은 높이 p(a)로 모입니다.
쉽게 말하면 — x가 유리수일 때 따라가는 길과 무리수일 때 따라가는 길이 두 갈래로 나 있습니다. x가 a로 향할 때 두 길이 어디로 가는지를 각각 구하는 것이 출발점입니다.
2. 극한값은 p(a)=q(a)일 때만 존재하고, 함숫값 f(a)는 상관없다
x가 어떤 방식으로 a에 가까워지든 함숫값이 같은 한 값으로 가까워져야 극한값이 존재하므로 다음이 성립한다.
x→alimf(x)가존재한다⟺p(a)=q(a)
이때 극한값은 p(a)(=q(a))이다. 극한값이 존재하는 a는 방정식 p(x)=q(x)의 실근과 정확히 같다.
f(a)가 얼마인지는 극한값과 상관이 없다. a가 유리수이면 f(a)=p(a)이지만, 두 식의 값이 다르면 극한값은 존재하지 않고 p(a)는 극한값이 아니다.
쉽게 말하면 — 두 길이 같은 높이에서 만나는 자리에서만 극한값이 생깁니다. x=a 자리에 찍힌 점이 어느 길 위에 있든 그것은 도착지의 팻말일 뿐입니다.
3. 극한값이 존재하는 점의 개수는 방정식의 근으로 센다
극한값이 존재하는 점의 개수는 방정식 p(x)−q(x)=0의 서로 다른 실근의 개수와 같다.
이차방정식: 판별식 D>0이면 두 개, D=0이면 중근 하나, D<0이면 없다. 중근도 방정식의 근이므로 그 점에서 극한값이 존재한다.
삼차방정식: 실근이 반드시 하나 이상 있고 서로 다른 실근은 1개, 2개, 3개 모두 가능하다. 서로 다른 실근이 2개이면 하나는 중근이다.
근의 개수가 정해지면 근과 계수의 관계나 계수 비교로 상수를 정한다.
x가 유리수인 점들은 삼차식 y=p(x) 위에, x가 무리수인 점들은 이차식 y=q(x) 위에 놓입니다. 두 그래프가 만나는 x=a1,a2,a3에서만 두 갈래가 같은 높이로 모입니다.
쉽게 말하면 — “극한값이 있는 곳이 몇 군데인가”는 “두 그래프가 몇 점에서 만나는가”와 같은 질문입니다. 맞닿기만 하는 점도 만나는 점으로 셉니다.
4. 조건과 진술은 먼저 명단으로 번역한다
문장 조건이 나오면 먼저 “극한값이 생기는 점의 명단”, 곧 p(x)=q(x)의 실근을 만든다.
진술에 나온 a가 명단에 있는지 확인한다. 명단에 없으면 극한값은 존재하지 않는다.
명단에 있으면 극한값은 p(a)이다. “극한값이 ○○이다”라는 진술은 값까지 맞는지 확인한다.
조건이 “극한값이 존재하는 α가 ○개/○뿐”이면 방정식의 근에 대한 조건으로 바꿔 상수를 정한다.
쉽게 말하면 — 명단을 먼저 만들면 진술마다 계산할 필요 없이 명단과 대조만 하면 됩니다.
누구나 풀 수 있어요기본형은 2단계로 풉니다. 응용형은 아래 문제 해설의 “단계별로 풀어 보기”에서 안내합니다.
두 식이 모두 다항식이면 A=B를 세워 풀고 실수인 해만 남깁니다. 남은 해가 극한값이 있는 곳이고, 실수 해가 없으면 그런 곳이 없습니다.
남은 각 해 a를 두 식 중 하나에 넣은 값이 x→a일 때의 극한값입니다. 그 자리의 함숫값은 쓰지 않습니다.
※ x가 유리수이면 A(x), 무리수이면 B(x)로 정의되고 A(x), B(x)가 모두 다항식인 기본형입니다. 극한값이 있는 곳의 개수나 위치가 주어진 문제는 아래 문제 해설을 보세요.
유제
문제 1 · 기본
함수
f(x)={2x−1−x+5(x가유리수)(x가무리수)
에 대하여 x→alimf(x)의 값이 존재하도록 하는 실수 a의 값은?
① 0
② 1
③ 2
④ 3
⑤ 4
정답과 해설 보기
정답 ③
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요2단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
극한값이 있는 곳은 유리수일 때의 식과 무리수일 때의 식이 같아지는 곳입니다. 두 식에 x=a를 넣은 값을 같다고 놓습니다. 2a−1=−a+5
풉니다. 3a=6이므로 a=2 → 정답 ③
※ 유리수일 때의 식과 무리수일 때의 식이 모두 다항식일 때만 이렇게 하세요. 두 식에 a를 넣은 값이 같을 때, 그리고 그때만 극한값이 있습니다.
자세한 풀이 보기
a에 아무리 가까운 범위에도 유리수와 무리수가 모두 들어 있으므로, x→a일 때 x는 유리수인 채로도, 무리수인 채로도 a에 가까워질 수 있다.
(i) 유리수인 채로 a에 가까워질 때
f(x)=2x−1이므로
x→alim(2x−1)=2a−1
(ii) 무리수인 채로 a에 가까워질 때
f(x)=−x+5이므로
x→alim(−x+5)=−a+5
(iii) 극한값이 존재할 조건
두 값이 서로 같아야 하므로
2a−1=−a+5⟹3a=6⟹a=2
이때 극한값은 2⋅2−1=3이다. 따라서 구하는 a의 값은 2이다.
두 점선은 x=2에서만 만나고, 그 높이는 3입니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 1번·2번: 유리수 길과 무리수 길의 도착 높이를 각각 구해 같다고 놓는다.
p(x), q(x)가 다항함수이고
f(x)={p(x)q(x)(x가유리수)(x가무리수)
일 때,
x→alimf(x)가존재한다⟺p(a)=q(a)
이며, 극한값은 p(a)이다. 각 갈래의 도착 높이는 다항함수의 극한 x→alimp(x)=p(a)에 따라 a를 대입해 구한다.
쉽게 말하면 — 유리수 길의 도착 높이와 무리수 길의 도착 높이를 각각 구해서 같다고 놓으면 끝입니다. 두 길이 같은 높이로 향하는 곳에서만 극한값이 생깁니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
그래프를 떠올리면 두 직선 y=2x−1과 y=−x+5가 점선으로 겹쳐 있는 모양이다. x가 유리수이면 한 직선 위의 점을, 무리수이면 다른 직선 위의 점을 찍으므로, 두 직선이 만나는 자리가 아니면 같은 x 근처에서 점이 두 줄로 갈라져 있다. 극한값이 있다는 것은 이 두 줄이 한 점으로 모인다는 뜻이고, 그 자리는 두 직선의 교점이다.
그래서 이 유형은 사실 두 식을 연립해서 교점의 x좌표를 찾는 문제다. 이 문제에서는 교점이 (2,3)이다.
가장 많이 하는 실수는 구하는 것이 a인데 극한값 3을 답으로 적는 것이다. ④번 3이 정확히 이 함정이다. 또 a가 유리수인지 무리수인지 따져서 f(a)를 구하려고 하는데, 극한값은 f(a)와 무관하다. 보는 것은 a 주변에서 두 갈래가 어디로 향하는지뿐이다.
다음 문제
문제 2 · 기본
정수 k (1≤k≤10)에 대하여 함수
f(x)={x24x−k(x가유리수)(x가무리수)
가 있다. x→αlimf(x)의 값이 존재하는 실수 α가 하나도 없도록 하는 k의 개수는?
① 5
② 6
③ 7
④ 8
⑤ 9
정답과 해설 보기
정답 ②
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요3단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
극한값이 있는 곳은 두 식이 같아지는 곳이므로 x2=4x−k를 세우고 정리합니다. x2−4x+k=0
극한값이 있는 곳이 하나도 없으려면 이 방정식에 실근이 없어야 합니다. 판별식이 음수여야 하므로 16−4k<0, 즉 k>4
1≤k≤10인 정수 중에서 k>4를 고릅니다. 5, 6, 7, 8, 9, 10으로 6개입니다. → 정답 ②
자세한 풀이 보기
(i) 극한값이 존재할 조건 세우기
x→α일 때 유리수인 채로 가까워지면 f(x)=x2이므로 α2에, 무리수인 채로 가까워지면 f(x)=4x−k이므로 4α−k에 가까워진다. 극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로
α2=4α−k⟹α2−4α+k=0
(ii) 실근이 없을 조건
극한값이 존재하는 α가 하나도 없으려면 이차방정식 x2−4x+k=0이 실근을 갖지 않아야 한다. 판별식을 D라 하면
4D=4−k<0⟹k>4
(iii) 정수 k의 개수
1≤k≤10이므로 k=5,6,7,8,9,10이고 모두 6개이다.
포물선 y=x2과 직선 y=4x−k입니다. k=4이면 직선이 x=2에서 포물선에 맞닿아 극한값이 존재하는 점이 하나 생기고, k=6이면 직선이 포물선 아래에 있어 만나는 점이 없습니다
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 3번: 극한값이 존재하는 점의 개수는 p(x)=q(x)의 서로 다른 실근의 개수이고, 이차방정식이면 판별식으로 센다(중근 포함).
유리수일 때 p(x), 무리수일 때 q(x)인 다항함수에서 극한값이 존재하는 α는 방정식 p(x)=q(x)의 실근과 같다. 이차방정식이면 실근의 개수는 판별식이 정한다.
D>0:서로다른두실근,D=0:중근(실근하나),D<0:실근없음
극한값이 존재하는 점이 하나도 없는 것은 D<0일 때뿐이다.
쉽게 말하면 — 유리수 길과 무리수 길이 한 번도 만나지 않아야 “극한값이 있는 곳이 없다”고 할 수 있습니다. 두 그래프가 만나는지를 판별식으로 확인하는 문제입니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
이 문제의 함정은 경계값 k=4이다. k=4이면 x2−4x+4=(x−2)2=0이므로 α=2 하나가 생긴다. 두 그래프가 한 점에서 맞닿아 있어도 그 점에서는 두 갈래가 같은 높이 4로 모이므로 극한값이 존재한다. 그래서 D=0을 “만나지 않는 경우”에 넣으면 안 되고, 부등호에 등호를 넣지 않아야 한다. k=4를 넣으면 7개가 나와 ③으로 가게 된다.
그림으로 보면 직선 y=4x−k는 k가 커질수록 아래로 내려간다. 포물선에 맞닿는 순간이 k=4이고, 그보다 아래로 내려간 k=5,6,…에서 비로소 만나는 점이 사라진다.
다음 문제
문제 3 · 기본
함수
f(x)={x3+x2−3x+2x2(x가유리수)(x가무리수)
에 대하여 옳지 않은 것은?
①x→1limf(x)=1
②x→−2limf(x)=4
③x→2limf(x)의 값은 존재하지 않는다.
④x→0limf(x)=2
⑤x→−1limf(x)의 값은 존재하지 않는다.
정답과 해설 보기
정답 ④
■ 정석 풀이
누구나 풀 수 있어요5단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.
두 식 p(x)=x3+x2−3x+2와 q(x)=x2이 같아지는 곳을 찾습니다. 차를 구합니다. p(x)−q(x)=x3−3x+2
차를 쪼갭니다. x3−3x+2=(x−1)2(x+2) (펼쳐서 확인할 수 있습니다.) 같아지는 곳은 x=1, x=−2 두 곳뿐이고, 극한값이 있는 곳도 이 두 곳뿐입니다.
①: x→1은 있고 값은 q(1)=1이므로 옳습니다. ②: x→−2는 있고 값은 q(−2)=4이므로 옳습니다.
③: x→2는 두 곳에 없으니 극한값이 없다는 말이 옳습니다. ⑤: x→−1도 없으니 옳습니다.
④: x→0도 두 곳에 없으니 극한값이 없는데 2라고 했으므로 옳지 않습니다. → 정답 ④
자세한 풀이 보기
p(x)=x3+x2−3x+2, q(x)=x2이라 하자. x→a일 때 x가 유리수인 채로 가까워지면 f(x)는 p(a)에, 무리수인 채로 가까워지면 q(a)에 가까워지므로, x→alimf(x)가 존재할 조건은 p(a)=q(a)이다.
(i) 극한값이 존재하는 점 찾기
p(x)−q(x)=x3−3x+2=(x−1)2(x+2)
이므로 p(x)=q(x)를 만족하는 실수는 x=1, x=−2뿐이다. 극한값이 존재하는 점은 이 두 점이다.
(ii) 진술 하나씩 확인하기
a
p(a)
q(a)
x→alimf(x)
1
1
1
존재하며 1
−2
4
4
존재하며 4
2
8
4
존재하지 않음
0
2
0
존재하지 않음
−1
5
1
존재하지 않음
① a=1에서 극한값은 1이다. (옳다)
② a=−2에서 극한값은 4이다. (옳다)
③ a=2에서는 p(2)=8=q(2)=4이므로 극한값이 존재하지 않는다. (옳다)
④ a=0에서는 p(0)=2=q(0)=0이므로 극한값이 존재하지 않는다. 따라서 극한값이 2라는 진술은 옳지 않다.
⑤ a=−1에서는 p(−1)=5=q(−1)=1이므로 극한값이 존재하지 않는다. (옳다)
따라서 옳지 않은 것은 ④이다.
두 그래프는 x=−2에서 교차하고 x=1에서 맞닿습니다. 두 갈래가 한 점으로 모이는 곳은 이 두 점뿐입니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 2번·4번: 먼저 p(x)=q(x)의 근으로 명단을 만들고, 진술의 a와 값을 명단과 대조한다. 함숫값 f(a)는 판정에 쓰지 않는다.
삼차식 p(x), 이차식 q(x)에 대하여
f(x)={p(x)q(x)(x가유리수)(x가무리수)
일 때,
x→alimf(x)가존재한다⟺p(a)=q(a)
이며 극한값은 p(a)이다. 극한값이 존재하는 a는 삼차방정식 p(x)−q(x)=0의 실근이고, 위의 풀이처럼 (x−1)2(x+2)로 인수분해되어 중근이 있어도 그 근에서 극한값은 존재한다.
쉽게 말하면 — 두 식의 값이 같아지는 점이 “극한값이 생기는 점”이고, 그 점들은 p(x)−q(x)=0을 풀면 한 번에 나옵니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
진술이 다섯 개라고 해서 다섯 번 계산하기보다, 먼저 p(x)−q(x)=0을 풀어 명단을 만드는 쪽이 훨씬 빠르다. 이 문제의 명단은 {1,−2} 두 개뿐이다. 명단에 없는 a=2,0,−1에서는 극한값이 존재하지 않으므로, “존재하지 않는다”는 ③과 ⑤는 옳고 “극한값이 2이다”라는 ④는 옳지 않다는 것이 바로 보인다.
④가 헷갈리는 이유는 0이 유리수라 f(0)=p(0)=2이기 때문이다. 극한값이 2일 것 같다고 느끼게 만드는 함정이다. 그러나 0에 무리수로 가까워지면 f(x)=x2은 0에 가까워지므로 두 갈래의 높이가 다르다. 극한값은 f(a)가 아니라 a 주변에서 두 갈래가 어디로 향하는지로 정해진다.
다음 문제
문제 4 · 응용
두 실수 a, b에 대하여 함수 f(x)가
f(x)={x2−2xax+b(x가유리수)(x가무리수)
이다. x→αlimf(x)의 값이 존재하는 실수 α가 1과 5뿐일 때, a+b의 값을 구하시오.
정답과 해설 보기
정답 -1
■ 정석 풀이
단계별로 풀어 보기5단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.
극한값이 있는 곳은 두 식이 같아지는 곳이므로 x2−2x=ax+b를 세우고 정리합니다. x2−(a+2)x−b=0
극한값이 있는 곳이 1과 5뿐이므로 이 방정식의 두 근이 1과 5입니다. 두 근의 합은 x 앞 숫자의 부호를 바꾼 a+2, 두 근의 곱은 −b입니다.
합을 씁니다. a+2=1+5=6이므로 a=4
곱을 씁니다. −b=1×5=5이므로 b=−5
더합니다. a+b=4+(−5)=−1 → 정답 −1
자세한 풀이 보기
(i) 극한값이 존재할 조건 세우기
x→α일 때 x가 유리수인 채로 향하면 f(x)=x2−2x이므로 α2−2α로, 무리수인 채로 향하면 f(x)=ax+b이므로 aα+b로 가까워진다. 극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로
α2−2α=aα+b⟹α2−(a+2)α−b=0
(ii) 근과 계수의 관계 이용하기
극한값이 존재하는 α가 1과 5뿐이므로, 이차방정식 x2−(a+2)x−b=0의 두 근이 정확히 1과 5이다. 근과 계수의 관계에 의해
a+2=1+5=6,−b=1⋅5=5
이므로 a=4, b=−5이다.
(iii) 답 구하기
a+b=4+(−5)=−1
검산하면 x2−2x−(4x−5)=x2−6x+5=(x−1)(x−5)이므로 두 식이 같아지는 x는 1과 5뿐이다. 이때 극한값은 α=1에서 −1, α=5에서 15이다.
포물선 y=x2−2x와 직선 y=ax+b는 x=1, x=5에서만 만나고, 두 점선이 한 점으로 모이는 곳도 이 두 자리뿐입니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 3번·4번: 극한값이 존재하는 점이 정확히 두 개라는 조건은 이차방정식의 두 근에 대한 조건이므로 근과 계수의 관계로 상수를 정한다.
극한값이 존재하는 위치: p(x), q(x)가 다항함수이고 x가 유리수일 때 f(x)=p(x), 무리수일 때 f(x)=q(x)이면
x→αlimf(x)가존재하는α의집합={α∣p(α)=q(α)}
즉 방정식 p(x)=q(x)의 실근 전체이다.
이차방정식의 근과 계수의 관계: x2+Bx+C=0의 두 근이 m, n이면
m+n=−B,mn=C
쉽게 말하면 — “극한값이 있는 곳이 1과 5뿐”이라는 말은 “두 식이 같아지는 곳이 1과 5뿐”이라는 말과 같고, 이것은 “방정식의 해가 1과 5”라는 말입니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
조건 문장을 먼저 번역하자. “극한값이 존재하는 α가 1과 5뿐이다”는 포물선과 직선이 x=1과 x=5에서만 만난다는 말이다. 이차식의 두 그래프가 정확히 두 점에서 만나므로, 이차방정식의 두 근이 1, 5로 정해지고 근과 계수의 관계로 a, b가 하나씩 정해진다.
구하는 값이 a와 b 각각이 아니라 a+b라는 점도 눈여겨보자. a+b는 직선 ax+b에 x=1을 넣은 값이다. 그런데 x=1은 두 그래프가 만나는 자리이므로 이 값은 포물선의 x=1에서의 값과 같아서 1−2=−1이다. a와 b를 따로 구하지 않아도 답이 나온다.
헷갈리기 쉬운 것은 극한값(−1과 15)과 α(1과 5)를 혼동하는 것이다. 근이 되는 것은 극한값이 아니라 극한을 취하는 위치 α이다.
다음 문제
문제 5 · 응용
세 실수 a, b, c에 대하여 함수
f(x)={x3ax2+bx+c(x가유리수)(x가무리수)
가 있다. x→αlimf(x)의 값이 존재하는 실수 α가 −1, 1, 3뿐이다. 극한값이 존재하는 모든 α에 대하여 그 극한값을 모두 더한 값을 S라 할 때, a+S의 값을 구하시오.
정답과 해설 보기
정답 30
■ 정석 풀이
단계별로 풀어 보기4단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.
극한값이 있는 곳은 두 식이 같아지는 곳이므로 x3=ax2+bx+c를 세우고 정리합니다. x3−ax2−bx−c=0
이 방정식의 근이 −1, 1, 3이므로 세 근의 합이 x2 앞 숫자의 부호를 바꾼 a입니다. a=−1+1+3=3
극한값은 그 자리에서 x3에 넣은 값이므로 S=(−1)3+13+33=−1+1+27=27
더합니다. a+S=3+27=30 → 정답 30
자세한 풀이 보기
(i) 극한값이 존재할 조건 세우기
x→α일 때 유리수인 채로 가까워지면 α3에, 무리수인 채로 가까워지면 aα2+bα+c에 가까워진다. 극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로 α는 삼차방정식
x3−(ax2+bx+c)=0
의 실근이다.
(ii) 세 근으로 a 구하기
이 삼차방정식은 최고차항의 계수가 1이고 실근이 정확히 −1,1,3이므로 이 세 수가 서로 다른 세 근이다. 근과 계수의 관계에서
x3−ax2−bx−c=(x+1)(x−1)(x−3)⟹a=(−1)+1+3=3
(iii) 극한값의 합 구하기
극한값이 존재하는 점에서의 극한값은 α3이므로
S=(−1)3+13+33=−1+1+27=27
(iv) 답 구하기
a+S=3+27=30삼차 곡선 y=x3과 포물선 y=3x2+x−3은 x=−1,1,3에서만 만나고, 극한값이 존재하는 점도 이 세 점뿐이다
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 3번·4번: 극한값이 존재하는 점이 세 군데뿐이라는 조건은 삼차방정식의 세 근에 대한 조건이므로 근과 계수의 관계로 상수를 정하고, 극한값은 p(α)로 구한다.
삼차식 p(x), 이차식 q(x)에 대하여 극한값이 존재하는 α는 p(x)−q(x)=0의 실근이고, 극한값은 p(α)(=q(α))이다. 최고차항의 계수가 1인 삼차방정식의 세 근이 α1,α2,α3이면
x3+Bx2+Cx+D=(x−α1)(x−α2)(x−α3),α1+α2+α3=−B
쉽게 말하면 — “극한값이 있는 곳이 세 군데뿐”이라는 말은 두 그래프가 정확히 세 점에서 만난다는 말이고, 삼차 곡선과 포물선의 차는 최고차항의 계수가 1인 삼차식이라서, 세 점의 x좌표만 알면 그 식이 통째로 정해집니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
b와 c는 끝까지 구하지 않아도 된다. 구하는 값은 a와 극한값의 합이고, 극한값은 이미 알고 있는 식 x3에 α를 넣어 얻으므로 a만 근과 계수의 관계로 구하면 된다. 구하는 것이 무엇인지부터 확인하면 불필요한 계산이 사라진다.
가장 흔한 실수는 극한값과 α를 혼동하는 것이다. 근 −1,1,3을 그대로 더하면 3이고, 이 값은 a와 우연히 같다. 극한값은 근이 아니라 근을 x3에 넣은 −1,1,27이다. 또 무리수 점 위에서는 무리수 쪽 식을 써야 한다고 생각하기 쉽지만, 극한값은 두 식이 같은 높이로 모이는 값이어서 어느 쪽 식에 넣어도 같다.
다음 문제
문제 6 · 응용
상수 k에 대하여 함수
f(x)={x33x2+k(x가유리수)(x가무리수)
이 있다. x→αlimf(x)의 값이 존재하는 실수 α가 서로 다른 2개이고, 그중 음수인 α가 있을 때, 옳지 않은 것은?
①k=−4이다.
②x→2limf(x)=8
③x→−1limf(x)=−1
④x→3limf(x)의 값은 존재하지 않는다.
⑤x→3limf(x)=5
정답과 해설 보기
정답 ⑤
■ 정석 풀이
단계별로 풀어 보기6단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.
극한값이 있는 곳은 두 식이 같아지는 곳이므로 x3−3x2−k=0의 실근입니다. 서로 다른 실근이 2개이면 하나는 겹친 근이므로 x3−3x2−k=(x−α)2(x−β)로 놓습니다.
펼쳐서 x2, x, 상수항의 앞 숫자를 비교합니다. 2α+β=3, α2+2αβ=0, α2β=k
둘째 식은 α(α+2β)=0입니다. α=0이면 근이 0, 3이라 음수가 없으니 안 됩니다. α=−2β이면 β=−1, α=2이고 k=α2β=−4입니다.
그래서 극한값이 있는 곳은 x=2와 x=−1 두 곳입니다. ①은 k=−4라서 옳습니다.
②: x→2는 있고 값은 23=8이라 옳습니다. ③: x→−1은 있고 값은 (−1)3=−1이라 옳습니다. ④: x→3은 두 곳에 없어 극한값이 없다는 말이 옳습니다.
⑤: x→3도 두 곳에 없어 극한값이 없는데 5라고 했으므로 옳지 않습니다. → 정답 ⑤
자세한 풀이 보기
(i) 극한값이 존재할 조건 세우기
x→α일 때 유리수인 채로 가까워지면 α3에, 무리수인 채로 가까워지면 3α2+k에 가까워진다. 극한값이 존재하려면 두 값이 같아야 하므로
α3=3α2+k⟹α3−3α2−k=0
즉 극한값이 존재하는 α는 삼차방정식 x3−3x2−k=0의 실근이다.
(ii) 서로 다른 실근이 2개일 조건
삼차방정식의 서로 다른 실근이 정확히 2개이면 하나가 중근이다. 중근을 α, 나머지 한 근을 β(α=β)라 하면
x3−3x2−k=(x−α)2(x−β)=x3−(2α+β)x2+(α2+2αβ)x−α2β
양변의 계수를 비교하면
2α+β=3,α2+2αβ=0,α2β=k
(iii) 음수 조건으로 k 정하기
α2+2αβ=α(α+2β)=0에서 α=0 또는 α=−2β이다.
α=0이면 β=3, k=0이다. 이때 극한값이 존재하는 점은 0, 3이어서 음수가 없으므로 조건에 맞지 않는다.
α=−2β이면 −4β+β=3에서 β=−1, α=2이다. k=α2β=−4이고 극한값이 존재하는 점은 2, −1로 음수 −1을 포함한다.
따라서 k=−4이고 f(x)는 x가 무리수일 때 3x2−4이다.
(iv) 진술 하나씩 확인하기
p(x)=x3, q(x)=3x2−4일 때 p(x)−q(x)=(x+1)(x−2)2이다.
① k=−4이다. (옳다)
② p(2)=q(2)=8이므로 x→2limf(x)=8이다. (옳다)
③ p(−1)=q(−1)=−1이므로 x→−1limf(x)=−1이다. (옳다)
④ p(3)=27=q(3)=23이므로 극한값이 존재하지 않는다. (옳다)
⑤ p(3)=33=q(3)=5이므로 극한값이 존재하지 않는다. 따라서 x→3limf(x)=5는 옳지 않다.
따라서 옳지 않은 것은 ⑤이다.
x=−1에서는 두 그래프가 교차하고, x=2에서는 맞닿습니다. 두 갈래가 한 점으로 모이는 곳은 이 두 점뿐입니다.
■ 관련 개념 및 공식
관련 개념 및 공식 보기
핵심 개념 3번·4번: 서로 다른 실근이 두 개인 삼차방정식은 중근을 가지므로 (x−α)2(x−β)로 놓고 계수를 비교한다.
극한값이 존재하는 점: 삼차식 p(x), 이차식 q(x)에 대하여 x가 유리수일 때 f(x)=p(x), 무리수일 때 f(x)=q(x)이면
x→αlimf(x)가존재하는α의집합={α∣p(α)=q(α)}
이다. 즉 삼차방정식 p(x)−q(x)=0의 실근 전체이다.
삼차방정식이 서로 다른 두 실근을 가질 조건: 중근을 α, 다른 한 근을 β라 하면
x3+ax2+bx+c=(x−α)2(x−β)
꼴로 인수분해되며, 양변의 계수를 비교해 α, β와 상수를 구한다.
쉽게 말하면 — “극한값이 있는 점이 정확히 2개”라는 말은 “두 식을 같게 놓은 삼차방정식의 서로 다른 해가 2개”라는 말이고, 삼차방정식에서 해가 2개이려면 하나는 겹쳐서 나오는 중근이어야 합니다.
■ 직관적 통찰 및 비법
조건을 그림으로 번역하면 삼차 곡선 y=x3과 포물선 y=3x2+k가 서로 다른 두 점에서 만난다는 말이다. 삼차 곡선과 포물선이 두 점에서만 만나려면 한 점에서는 교차하고 다른 한 점에서는 맞닿아야 한다. 맞닿는 점이 중근이므로 (x−α)2(x−β)로 놓는 풀이가 나온다.
α=0인 경우도 후보에 들어오지만, 그림으로 보면 k=0일 때 포물선의 꼭짓점이 원점에 놓여 두 점이 모두 x≥0인 곳에 생긴다. 그래서 “음수인 α가 있다”는 조건은 둘 중 하나를 고르라는 단서이다.
⑤가 헷갈리는 이유는 3이 무리수라서 f(3)=q(3)=5이기 때문이다. 하지만 이것은 f의 함숫값일 뿐이다. 3 근처에는 유리수도 섞여 있어서 그쪽 갈래는 33≈5.196으로 향하므로 두 갈래가 어긋나고 극한값은 존재하지 않는다. 무리수 점이라고 해서 무리수 쪽 식만 보면 안 된다.