고2 2학기함수의 극한난이도 중객관식·단답형

함수의 극한 — 무한대에서 근호가 든 ∞−∞ 꼴: 켤레식으로 유리화해 극한 구하기

x→∞와 x→-∞에서 근호가 든 식의 차가 ∞−∞ 꼴이 되는 경우와 되지 않는 경우를 구분하고, 켤레식을 곱해 유리화하는 방법을 한 편에서 정리합니다. 두 근호의 차, 곱의 꼴, √x 꼴, 극한값이 주어진 미정계수까지 문제로 익힙니다.

· 수정 2026. 10. 28.

핵심 개념

1. 지워지는 쪽 끝과 지워지지 않는 쪽 끝을 먼저 가른다

x2+2x\sqrt{x^2+2x}는 두 끝에서 모두 크기가 ∣x∣|x|에 가깝다. x→∞x\to\infty이면 ∣x∣=x|x|=x이고 x→−∞x\to-\infty이면 ∣x∣=−x|x|=-x이다. 여기에 xx를 더하거나 빼면 두 큰 값이 같은 방향으로 더해지는지 서로 맞서 지워지는지가 끝마다 다르다.

식x→∞x\to\inftyx→−∞x\to-\infty
x2+2x−x\sqrt{x^2+2x}-xx−xx-x 꼴이라 맞선다 (유리화 필요)(−x)−x(-x)-x 꼴이라 더해져 ∞\infty
x2+2x+x\sqrt{x^2+2x}+xx+xx+x 꼴이라 더해져 ∞\infty(−x)+x(-x)+x 꼴이라 맞선다 (유리화 필요)

맞서는 쪽에서만 극한값을 알 수 없는 ∞−∞\infty-\infty 꼴이 되고, 더해지는 쪽은 식을 변형하지 않아도 ∞\infty이다.

11
∞\infty
y=x2+2x−xy=\sqrt{x^2+2x}-x
오른쪽 끝에서만 지워진다
−1-1
∞\infty
y=x2+2x+xy=\sqrt{x^2+2x}+x
왼쪽 끝에서만 지워진다
같은 근호와 같은 xx를 쓴 두 식이라도 부호만 달라지면 지워지는 끝이 반대가 됩니다. 왼쪽 그림은 오른쪽 끝에서 11로 모이고 왼쪽 끝에서는 위로 올라갑니다. 오른쪽 그림은 정반대입니다.

쉽게 말하면 — 근호의 값은 0 이상이고 ∣x∣|x|가 충분히 크면 양수이며, xx는 왼쪽 끝에서 음수입니다. 두 양수를 더하면 커지고, 양수와 음수가 맞서면 지워집니다. 문제를 풀기 전에 “지금 이 끝에서 맞서는가”만 판단하면 됩니다.

2. 맞서는 식은 켤레식을 곱해 유리화한다

A−B\sqrt{A}-B 꼴의 켤레식은 A+B\sqrt{A}+B이다. 켤레식이 00이 아닌 xx(여기서는 ∣x∣|x|가 충분히 큰 xx)에서 분자와 분모에 똑같이 켤레식을 곱하면 곱셈공식 (A−B)(A+B)=A−B2(\sqrt A-B)(\sqrt A+B)=A-B^2으로 근호가 사라지고 x2x^2 항이 지워진다.

x2+4x−x=(x2+4x−x)(x2+4x+x)x2+4x+x=4xx2+4x+x\sqrt{x^2+4x}-x=\frac{(\sqrt{x^2+4x}-x)(\sqrt{x^2+4x}+x)}{\sqrt{x^2+4x}+x}=\frac{4x}{\sqrt{x^2+4x}+x}

분자는 큰 부분이 지워져 일차식이 되고, x→∞x\to\infty에서 분모는 두 양수의 합이므로 더 이상 지워지는 부분이 없다. 앞서 00\dfrac00 꼴에서 쓴 유리화와 같은 도구이다. 다만 00\dfrac00에서는 00으로 가는 인수를 약분했고, 여기서는 앞 글에서 익힌 대로 분자와 분모를 같은 식으로 나누어 각각의 유한한 극한값을 구한다.

쉽게 말하면 — 두 큰 수의 차는 곱셈공식으로 한 번에 작게 줄일 수 있습니다. 같은 수를 분자와 분모에 곱했으므로 값은 변하지 않고, 어려운 차가 쉬운 합 위의 분수로 바뀝니다.

3. 유리화한 뒤 분모를 절댓값으로 읽어 두 끝을 구분한다

유리화한 식의 분모 x2+4x+x\sqrt{x^2+4x}+x를 xx로 나누려면 근호 안에서 ∣x∣|x|를 꺼낸다. x→∞x\to\infty에서는 x2+4x=x1+4x\sqrt{x^2+4x}=x\sqrt{1+\frac4x}이므로

4xx(1+4x+1)=41+4x+1 ⟶ 42=2\frac{4x}{x\left(\sqrt{1+\frac4x}+1\right)}=\frac{4}{\sqrt{1+\frac4x}+1}\ \longrightarrow\ \frac{4}{2}=2

이다. x→−∞x\to-\infty에서는 x2+ax=−x1+ax\sqrt{x^2+ax}=-x\sqrt{1+\frac ax}이다. 이때 맞서는 식은 x2+ax+x\sqrt{x^2+ax}+x이고 유리화한 분모는 x2+ax−x=−x(1+ax+1)\sqrt{x^2+ax}-x=-x\left(\sqrt{1+\frac ax}+1\right)이다.

일반적으로 다음이 성립한다.

limx→∞(x2+ax+b−x)=a2,limx→−∞(x2+ax+b+x)=−a2\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+b}-x\right)=\frac a2,\qquad \lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+b}+x\right)=-\frac a2

쉽게 말하면 — 유리화한 분모는 두 큰 양수의 합입니다. 오른쪽 끝에서는 xx와 xx를 더해 2x2x이고, 왼쪽 끝에서는 −x-x와 −x-x를 더해 −2x-2x입니다. 그래서 왼쪽 끝의 답은 오른쪽 끝의 답과 부호가 반대입니다.

4. 두 근호의 차와 곱의 꼴도 유리화로 한 분수를 만든다

두 근호의 차 A−B\sqrt A-\sqrt B는 A+B≠0\sqrt A+\sqrt B\ne0인 xx에서 A−BA+B\dfrac{A-B}{\sqrt A+\sqrt B}로 바뀐다. 두 식 모두 ∣x∣|x|가 충분히 큰 곳에서는 이 조건이 성립한다. 두 근호 안이 모두 x2x^2의 계수가 11인 이차식이면 x→∞x\to\infty에서 분모는 x+xx+x 꼴로 2x2x 크기이므로 분자의 일차 계수를 22로 나누면 된다. x2x^2의 계수가 다르면 분모의 크기도 달라지므로 이 규칙을 그대로 쓰면 안 된다.

x2+5x−x2−x=6xx2+5x+x2−x ⟶ 62=3\sqrt{x^2+5x}-\sqrt{x^2-x}=\frac{6x}{\sqrt{x^2+5x}+\sqrt{x^2-x}}\ \longrightarrow\ \frac62=3

x(x2+10−x)x\left(\sqrt{x^2+10}-x\right)처럼 ∞×0\infty\times0처럼 보이는 곱도 괄호 안을 유리화하면 10xx2+10+x\dfrac{10x}{\sqrt{x^2+10}+x}가 되어 분자와 분모를 xx로 나누는 계산으로 정리된다. x(x+2−x)\sqrt{x}\left(\sqrt{x+2}-\sqrt{x}\right) 꼴도 같은 방법이고 분자와 분모를 x\sqrt{x}로 나눈다.

쉽게 말하면 — 모양이 ∞−∞\infty-\infty이든 ∞×0\infty\times0이든 목표는 하나입니다. 괄호 안의 차를 켤레식으로 한 분수에 모으고, 그다음은 앞 글에서 익힌 분자와 분모를 나누는 계산입니다.

5. 극한값이 주어지면 큰 부분이 지워져야 한다

x2+ax+3−bx\sqrt{x^2+ax+3}-bx의 극한이 실수이려면 큰 부분이 지워져야 한다. 근호 항의 크기는 ∣x∣|x|이므로 x→∞x\to\infty에서 xx의 계수가 11이 아니면 (1−b)x(1-b)x가 남아 발산한다. 그래서 먼저 b=1b=1로 정해지고, 그 뒤 유리화하면 극한값이 a2\dfrac a2로 나와 aa가 정해진다.

b≠1 ⇒ x(1+ax+3x2−b)→±∞,b=1 ⇒ lim=a2b\ne1\ \Rightarrow\ x\left(\sqrt{1+\tfrac ax+\tfrac3{x^2}}-b\right)\to\pm\infty,\qquad b=1\ \Rightarrow\ \lim=\frac a2

쉽게 말하면 — 극한값이 유한하다는 것은 큰 부분이 정확히 지워진다는 말입니다. 지워지려면 두 큰 부분의 크기가 같아야 하므로 xx의 계수부터 맞추고, 남은 작은 부분이 극한값을 정합니다.

누구나 풀 수 있어요기본형은 3단계로 풉니다. 응용형은 아래 문제 해설의 “단계별로 풀어 보기”에서 안내합니다.

  1. 오른쪽 끝에서 x2+⋯−x\sqrt{x^2+\cdots}-x는 “큰 수 빼기 큰 수”입니다. 켤레식 x2+⋯+x\sqrt{x^2+\cdots}+x를 위아래에 곱합니다.
  2. 위는 (루트 안)−x2-x^2으로 간단해집니다. 아래는 x+x=2xx+x=2x 수준으로 읽습니다.
  3. 위아래에서 xx 앞의 숫자끼리 나눕니다.

※ x→∞x\to\infty에서 x2+ax+b−x\sqrt{x^2+ax+b}-x 꼴(aa, bb는 상수)일 때의 기본형입니다. 왼쪽 끝에서는 x2=−x\sqrt{x^2}=-x라서 달라집니다. 그 경우는 아래 문제 해설을 보세요.

유제

문제 1 · 기본

limx→∞(x2+4x−x)\displaystyle\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+4x}-x\right)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 2

■ 정석 풀이

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

  1. 루트와 xx가 둘 다 한없이 커지는 “큰 수 빼기 큰 수” 모양이라 바로 구할 수 없습니다. 켤레식 x2+4x+x\sqrt{x^2+4x}+x를 위아래에 곱합니다.
  2. 위는 (x2+4x)−x2=4x(x^2+4x)-x^2=4x가 되어 4xx2+4x+x\frac{4x}{\sqrt{x^2+4x}+x}가 됩니다.
  3. 위아래를 xx로 나눕니다. 41+4/x+1\frac{4}{\sqrt{1+4/x}+1}이고 4/x4/x는 00으로 가므로 41+1=2\frac{4}{1+1}=2 → 정답 22

※ x→∞x\to\infty에서 x2+ax+b−x\sqrt{x^2+ax+b}-x 꼴(aa, bb는 상수)일 때 쓰는 순서입니다.

자세한 풀이 보기

x→∞x\to\infty일 때 x2+4x\sqrt{x^2+4x}와 xx가 모두 한없이 커지고 서로 맞서는 ∞−∞\infty-\infty 꼴이다. 켤레식 x2+4x+x\sqrt{x^2+4x}+x를 분자와 분모에 똑같이 곱한다.

x2+4x−x=(x2+4x)−x2x2+4x+x=4xx2+4x+x\sqrt{x^2+4x}-x=\frac{(x^2+4x)-x^2}{\sqrt{x^2+4x}+x}=\frac{4x}{\sqrt{x^2+4x}+x}

x>0x>0이므로 x2+4x=x1+4x\sqrt{x^2+4x}=x\sqrt{1+\dfrac4x}이고 분모는 x(1+4x+1)x\left(\sqrt{1+\dfrac4x}+1\right)이다.

4xx(1+4x+1)=41+4x+1 ⟶ 41+1=2\frac{4x}{x\left(\sqrt{1+\frac4x}+1\right)}=\frac{4}{\sqrt{1+\frac4x}+1}\ \longrightarrow\ \frac{4}{1+1}=2
22
x→∞x\to\infty
xx가 오른쪽으로 한없이 멀어지면 곡선은 직선 y=2y=2에 한없이 가까워집니다.

따라서

limx→∞(x2+4x−x)=2\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+4x}-x\right)=2

이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 2번과 3번: 맞서는 식은 켤레식으로 유리화한 뒤 분모를 xx로 나눈다.

limx→∞(x2+ax+b−x)=a2\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+b}-x\right)=\frac a2

이 문제는 a=4a=4이므로 42=2\dfrac42=2이다.

쉽게 말하면 — 두 큰 값의 차는 둘이 얼마나 가까운지가 답입니다. x2+4xx^2+4x의 제곱근은 xx보다 약간 큰데, 그 차이가 22로 모입니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

항별로 ∞−∞=0\infty-\infty=0이라고 쓰거나 xx가 커지면 4x4x가 무시되어 x2−x=0\sqrt{x^2}-x=0이라고 답하는 것이 가장 흔한 실수이다. 4x4x는 x2x^2보다 작지만 x2+4x\sqrt{x^2+4x}와 xx의 차이에는 정확히 이만큼이 반영된다. x2+4x≈x+2\sqrt{x^2+4x}\approx x+2로 읽으면 차가 22가 되는 것을 눈으로 확인할 수 있다.

x=100x=100에서 10400≈101.98\sqrt{10400}\approx101.98이고 101.98−100≈1.98101.98-100\approx1.98이다. 식을 풀기 전에 큰 수를 하나 넣어 어림하면 22 근처라는 것을 예측할 수 있고, 계산의 방향을 검산하는 용도로 쓸 수 있다.

다음 문제
문제 2 · 기본

limx→∞(x2+5x−x2−x)\displaystyle\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+5x}-\sqrt{x^2-x}\right)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 3

■ 정석 풀이

누구나 풀 수 있어요4단계만 따라오세요. 왜 그런지는 아래 정석 풀이에서 천천히 보면 됩니다.

  1. 두 루트가 둘 다 한없이 커지는 “큰 수 빼기 큰 수” 모양입니다. 켤레식 x2+5x+x2−x\sqrt{x^2+5x}+\sqrt{x^2-x}를 위아래에 곱합니다.
  2. 위는 (x2+5x)−(x2−x)=6x(x^2+5x)-(x^2-x)=6x가 됩니다.
  3. 아래의 두 루트는 각각 xx 수준이므로 아래는 x+x=2xx+x=2x 수준입니다.
  4. xx 앞의 숫자끼리 나눕니다. 62=3\frac{6}{2}=3 → 정답 33

※ x→∞x\to\infty에서 x2+ax−x2+cx\sqrt{x^2+ax}-\sqrt{x^2+cx} 꼴(aa, cc는 상수, 두 루트 안의 x2x^2 앞 숫자가 모두 11)일 때만 이 순서를 쓰세요.

자세한 풀이 보기

두 근호가 모두 xx 크기로 커지고 서로 맞서는 ∞−∞\infty-\infty 꼴이다. 켤레식 x2+5x+x2−x\sqrt{x^2+5x}+\sqrt{x^2-x}를 분자와 분모에 똑같이 곱한다.

x2+5x−x2−x=(x2+5x)−(x2−x)x2+5x+x2−x=6xx2+5x+x2−x\sqrt{x^2+5x}-\sqrt{x^2-x}=\frac{(x^2+5x)-(x^2-x)}{\sqrt{x^2+5x}+\sqrt{x^2-x}}=\frac{6x}{\sqrt{x^2+5x}+\sqrt{x^2-x}}

x>0x>0이므로 분자와 분모를 xx로 나눈다.

61+5x+1−1x ⟶ 61+1=3\frac{6}{\sqrt{1+\frac5x}+\sqrt{1-\frac1x}}\ \longrightarrow\ \frac{6}{1+1}=3
33
x→∞x\to\infty
두 근호의 차는 xx가 커질수록 33으로 모입니다.

따라서 극한은 33이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 4번: 두 근호의 차는 A−BA+B\dfrac{A-B}{\sqrt A+\sqrt B}로 바꾼다.

x2+ax−x2+cx ⟶ a−c2(x→∞)\sqrt{x^2+ax}-\sqrt{x^2+cx}\ \longrightarrow\ \frac{a-c}{2}\quad(x\to\infty)

이 문제는 a=5a=5, c=−1c=-1이므로 5−(−1)2=3\dfrac{5-(-1)}{2}=3이다.

쉽게 말하면 — 두 근호는 모두 xx 크기이고 서로 조금씩만 다릅니다. 켤레식으로 정리하면 그 작은 차이가 분자 6x6x로 드러나고, 분모는 2x2x 크기라서 62=3\dfrac62=3이 남습니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

x2+ax≈x+a2\sqrt{x^2+ax}\approx x+\dfrac a2라는 어림이 두 근호의 차를 가장 빠르게 읽는 방법이다. 두 근호의 xx 계수는 같고 xx 앞의 계수 55와 −1-1만 다르므로 차는 5−(−1)2\dfrac{5-(-1)}{2}로 읽힌다. 풀이를 쓰지 않고 답을 예측할 수 있는 유형이다.

이 어림은 식을 푸는 대신 검산에만 쓰고, 풀이는 켤레식 곱으로 정식 전개한다. 분모의 두 근호가 모두 xx 크기이므로 합이 2x2x이고, 분자의 일차 계수 66을 22로 나눈다는 점이 같은 결과를 준다.

다음 문제
문제 3 · 응용

limx→−∞(x2+6x+x)\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+6x}+x\right)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 -3

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기4단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. “큰 수 빼기 큰 수” 모양이라 켤레식을 곱합니다. x2+6x+x\sqrt{x^2+6x}+x의 켤레식은 x2+6x−x\sqrt{x^2+6x}-x입니다.
  2. 위는 (x2+6x)−x2=6x(x^2+6x)-x^2=6x가 되어 6xx2+6x−x\frac{6x}{\sqrt{x^2+6x}-x}가 됩니다.
  3. 왼쪽 끝(x→−∞x\to-\infty)이므로 x2+6x\sqrt{x^2+6x}는 −x-x 수준입니다. 아래는 −x−x=−2x-x-x=-2x 수준입니다.
  4. xx 앞의 숫자끼리 나눕니다. 6−2=−3\frac{6}{-2}=-3 → 정답 −3-3

※ 왼쪽 끝에서는 x2\sqrt{x^2}가 xx가 아니라 −x-x라는 점을 꼭 챙기세요.

자세한 풀이 보기

x→−∞x\to-\infty에서 x2+6x\sqrt{x^2+6x}는 양수로 한없이 커지고 xx는 음수로 한없이 작아져 서로 맞서는 ∞−∞\infty-\infty 꼴이다. 켤레식 x2+6x−x\sqrt{x^2+6x}-x를 분자와 분모에 똑같이 곱한다.

x2+6x+x=(x2+6x)−x2x2+6x−x=6xx2+6x−x\sqrt{x^2+6x}+x=\frac{(x^2+6x)-x^2}{\sqrt{x^2+6x}-x}=\frac{6x}{\sqrt{x^2+6x}-x}

x<0x<0이므로 ∣x∣=−x|x|=-x이고 x2+6x=−x1+6x\sqrt{x^2+6x}=-x\sqrt{1+\dfrac6x}이다. 분모는

−x1+6x−x=−x(1+6x+1)-x\sqrt{1+\frac6x}-x=-x\left(\sqrt{1+\frac6x}+1\right)

이므로

6x−x(1+6x+1)=−61+6x+1 ⟶ −62=−3\frac{6x}{-x\left(\sqrt{1+\frac6x}+1\right)}=-\frac{6}{\sqrt{1+\frac6x}+1}\ \longrightarrow\ -\frac{6}{2}=-3

이다.

−3-3
x→−∞x\to-\infty
xx가 왼쪽으로 한없이 멀어지면 곡선은 직선 y=−3y=-3에 한없이 가까워집니다.

따라서

limx→−∞(x2+6x+x)=−3\lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+6x}+x\right)=-3

이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 1번과 3번: x→−∞x\to-\infty에서는 x2+ax+x\sqrt{x^2+ax}+x가 맞서는 식이고, 유리화한 분모는 두 양수 −x-x, −x-x의 합이다.

limx→−∞(x2+ax+b+x)=−a2\lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+b}+x\right)=-\frac a2

이 문제는 a=6a=6이므로 −3-3이다.

쉽게 말하면 — 왼쪽 끝에서는 근호가 양수이고 xx는 음수라서 둘을 더하면 서로 맞섭니다. 구조는 오른쪽 끝의 “근호 빼기 xx”와 같고 답의 부호만 반대입니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

x=−tx=-t (t→∞t\to\infty)로 놓으면 x2+6x+x=t2−6t−t\sqrt{x^2+6x}+x=\sqrt{t^2-6t}-t가 되어 문제 1의 꼴로 바뀐다. 문제 1의 공식 a2\dfrac a2에서 a=−6a=-6이므로 −3-3이다. 왼쪽 끝의 문제는 오른쪽 끝의 문제로 옮겨서 같은 도구로 풀 수 있다.

실수하기 쉬운 곳은 x2=x\sqrt{x^2}=x로 꺼내는 것이다. 그러면 분모가 x(1+6x−1)x\left(\sqrt{1+\frac6x}-1\right)이 되어 분모 안에 ∞×0\infty\times0 꼴이 다시 나타나 풀리지 않는다. 계산이 이상하게 막히면 x<0x<0에서 근호를 꺼낼 때 부호를 놓쳤는지 먼저 의심하면 된다.

다음 문제
문제 4 · 응용

<보기>에서 옳은 것만을 있는 대로 고른 것은?

ㄱ. limx→∞(x2+2x−x)=1\displaystyle\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+2x}-x\right)=1

ㄴ. limx→−∞(x2+2x−x)=∞\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+2x}-x\right)=\infty

ㄷ. limx→−∞(x2+2x+x)=1\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\left(\sqrt{x^2+2x}+x\right)=1

  • ① ㄱ
  • ② ㄴ
  • ③ ㄷ
  • ④ ㄱ, ㄴ
  • ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ
정답과 해설 보기
정답 ④

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기5단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. 보기마다 루트와 xx가 서로 맞서는지 봅니다. 맞서면 켤레식을 곱하고, 맞서지 않으면 그대로 계산합니다.
  2. ㄱ: 오른쪽 끝의 x2+2x−x\sqrt{x^2+2x}-x는 맞섭니다. 켤레식을 곱하면 2xx2+2x+x\frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}+x}이고 아래가 2x2x 수준이라 22=1\frac{2}{2}=1입니다. ㄱ은 옳습니다.
  3. ㄴ: 왼쪽 끝에서 x2+2x\sqrt{x^2+2x}는 양수이고 −x-x도 양수입니다. 맞서지 않고 양수끼리 더해지므로 ∞\infty입니다. ㄴ은 옳습니다.
  4. ㄷ: 왼쪽 끝의 x2+2x+x\sqrt{x^2+2x}+x는 맞섭니다. 켤레식을 곱하면 2xx2+2x−x\frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}-x}이고 아래가 −2x-2x 수준이라 2−2=−1\frac{2}{-2}=-1입니다. 보기는 11이라 ㄷ은 틀립니다.
  5. 옳은 것은 ㄱ, ㄴ입니다. → 정답 ④

※ 왼쪽 끝에서는 x2\sqrt{x^2}가 xx가 아니라 −x-x입니다.

자세한 풀이 보기

(i) ㄱ: 오른쪽 끝에서 근호와 xx가 맞선다

켤레식을 곱한다.

x2+2x−x=2xx2+2x+x=21+2x+1 ⟶ 22=1\sqrt{x^2+2x}-x=\frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}+x}=\frac{2}{\sqrt{1+\frac2x}+1}\ \longrightarrow\ \frac22=1

ㄱ은 참이다.

(ii) ㄴ: 왼쪽 끝에서는 맞서지 않는다

x→−∞x\to-\infty이면 −x→∞-x\to\infty이고 x2+2x≥0\sqrt{x^2+2x}\ge0이므로

x2+2x−x ≥ −x ⟶ ∞\sqrt{x^2+2x}-x\ \ge\ -x\ \longrightarrow\ \infty

이다. 두 항이 모두 양수로 더해져 ∞\infty로 발산한다. ㄴ은 참이다.

(iii) ㄷ: 왼쪽 끝에서 근호와 xx가 맞선다

켤레식 x2+2x−x\sqrt{x^2+2x}-x를 곱한다. x<0x<0이므로 x2+2x=−x1+2x\sqrt{x^2+2x}=-x\sqrt{1+\frac2x}이다.

x2+2x+x=2xx2+2x−x=2x−x(1+2x+1)=−21+2x+1 ⟶ −1\sqrt{x^2+2x}+x=\frac{2x}{\sqrt{x^2+2x}-x}=\frac{2x}{-x\left(\sqrt{1+\frac2x}+1\right)}=-\frac{2}{\sqrt{1+\frac2x}+1}\ \longrightarrow\ -1

11이라고 한 ㄷ은 거짓이다.

11
ㄱ
∞\infty
ㄴ
−1-1
ㄷ
ㄱ은 오른쪽 끝에서 11로 모이고, ㄴ은 왼쪽 끝에서 위로 올라가고, ㄷ은 왼쪽 끝에서 −1-1로 모입니다.

옳은 것은 ㄱ, ㄴ이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 1번: 근호의 값은 0 이상이므로 −x-x 항과 더해지는 끝에서는 발산한다.

식오른쪽 끝왼쪽 끝
x2+2x−x\sqrt{x^2+2x}-x11∞\infty
x2+2x+x\sqrt{x^2+2x}+x∞\infty−1-1

쉽게 말하면 — 보기마다 “이 끝에서 근호와 xx가 맞서는가?”를 먼저 묻습니다. 맞서면 유리화로 답을 구하고, 맞서지 않으면 그대로 ∞\infty입니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

ㄴ을 유리화하려고 하면 분모가 x2+2x+x\sqrt{x^2+2x}+x가 되는데, 이 끝에서는 이 식 자체가 ∞−∞\infty-\infty 꼴이라 한 번 더 따져야 해서 오히려 복잡해진다. 지워지지 않는 끝에서는 유리화가 필요 없고 부호로 판단하는 편이 간단하다.

ㄷ의 함정은 오른쪽 끝의 ㄱ을 보고 +1+1로 답하는 것이다. 왼쪽 끝에서 같은 식의 부호를 바꾼 것이므로 답의 부호도 바뀌어 −1-1이다.

다음 문제
문제 5 · 응용

limx→∞x(x2+10−x)\displaystyle\lim_{x\to\infty}x\left(\sqrt{x^2+10}-x\right)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 5

■ 정석 풀이

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

  1. 괄호 안 x2+10−x\sqrt{x^2+10}-x만 먼저 정리합니다. 켤레식 x2+10+x\sqrt{x^2+10}+x를 곱하고 나누면 10x2+10+x\frac{10}{\sqrt{x^2+10}+x}입니다.
  2. 앞의 xx를 곱합니다. 10xx2+10+x\frac{10x}{\sqrt{x^2+10}+x}
  3. 위아래를 xx로 나눕니다. 101+10/x2+1\frac{10}{\sqrt{1+10/x^2}+1}이고 10/x210/x^2은 00으로 가므로 101+1=5\frac{10}{1+1}=5 → 정답 55

※ x→∞x\to\infty에서 x(x2+a−x)x(\sqrt{x^2+a}-x) 꼴(aa는 상수)일 때 쓰는 순서입니다.

자세한 풀이 보기

괄호 안은 x2+10−x→0\sqrt{x^2+10}-x\to0이고 앞의 xx는 ∞\infty로 가므로 ∞×0\infty\times0 꼴처럼 보인다. 괄호 안을 켤레식으로 유리화한다.

x(x2+10−x)=x⋅(x2+10)−x2x2+10+x=10xx2+10+xx\left(\sqrt{x^2+10}-x\right)=x\cdot\frac{(x^2+10)-x^2}{\sqrt{x^2+10}+x}=\frac{10x}{\sqrt{x^2+10}+x}

x>0x>0이므로 분자와 분모를 xx로 나눈다.

101+10x2+1 ⟶ 102=5\frac{10}{\sqrt{1+\frac{10}{x^2}}+1}\ \longrightarrow\ \frac{10}{2}=5
55
x→∞x\to\infty
xx가 한없이 커지면 곡선은 직선 y=5y=5에 한없이 가까워집니다.

따라서 극한은 55이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 4번: 곱의 꼴 ∞×0\infty\times0도 괄호 안을 유리화해 한 분수로 만든다.

limx→∞x(x2+a−x)=a2\lim_{x\to\infty}x\left(\sqrt{x^2+a}-x\right)=\frac a2

이 문제는 a=10a=10이므로 55이다.

쉽게 말하면 — 괄호 안은 00으로 가고 앞의 xx는 한없이 커서 서로 힘겨루기를 합니다. 유리화는 괄호 안의 00의 속도를 a2x\dfrac{a}{2x}로 정확히 알려 주어, xx와 곱했을 때 a2\dfrac a2가 남게 합니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

x2+10−x→0\sqrt{x^2+10}-x\to0이니 “00을 곱하면 00”이라고 답하기 쉽다. 그러나 xx가 한없이 커지는 동안 00에 가까워지는 값은 00이 아니라 5x\dfrac{5}{x} 정도이고, xx와 곱하면 55가 남는다. 00으로 가는 속도를 정확히 알아야 곱을 정할 수 있다.

유리화 후 분모가 x2+10+x≈2x\sqrt{x^2+10}+x\approx2x이므로 10x2x=5\dfrac{10x}{2x}=5로 읽을 수 있다. 분자는 10x10x, 분모는 2x2x라는 크기를 먼저 읽고 102\dfrac{10}{2}를 계산하면 한 줄에 끝난다.

다음 문제
문제 6 · 응용

상수 aa, bb에 대하여

limx→∞(x2+ax+3−bx)=3\lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+3}-bx\right)=3

일 때, a+ba+b의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 7

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기5단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. 루트 x2+ax+3\sqrt{x^2+ax+3}는 xx 수준입니다. 극한값이 숫자가 되려면 bxbx와 맞서서 지워져야 하므로 b=1b=1입니다. (이유는 정석 풀이에서 확인합니다.)
  2. b=1b=1이면 켤레식 x2+ax+3+x\sqrt{x^2+ax+3}+x를 곱합니다. 위는 (x2+ax+3)−x2=ax+3(x^2+ax+3)-x^2=ax+3이 됩니다.
  3. 아래는 x+x=2xx+x=2x 수준이므로 xx 앞의 숫자끼리 나누면 극한은 a2\frac{a}{2}입니다.
  4. 이 값이 33이므로 a=6a=6
  5. 더합니다. a+b=6+1=7a+b=6+1=7

※ x→+∞x\to+\infty에서 x2+ax+3−bx\sqrt{x^2+ax+3}-bx의 극한이 숫자일 때만 1번 규칙(b=1b=1)을 쓸 수 있습니다. x→−∞x\to-\infty에는 그대로 쓰지 마세요.

자세한 풀이 보기

(i) bb 정하기

x>0x>0에서 x2+ax+3=x1+ax+3x2\sqrt{x^2+ax+3}=x\sqrt{1+\dfrac ax+\dfrac3{x^2}}이므로

x2+ax+3−bx=x(1+ax+3x2−b)\sqrt{x^2+ax+3}-bx=x\left(\sqrt{1+\frac ax+\frac3{x^2}}-b\right)

이다. 괄호 안은 1−b1-b에 가까워지므로 b≠1b\ne1이면 x⋅(1−b)x\cdot(1-b)가 ∞\infty 또는 −∞-\infty로 발산해 조건에 맞지 않는다. 따라서

b=1b=1

이다.

(ii) aa 정하기

b=1b=1이면 켤레식을 곱해

x2+ax+3−x=ax+3x2+ax+3+x=a+3x1+ax+3x2+1 ⟶ a2\sqrt{x^2+ax+3}-x=\frac{ax+3}{\sqrt{x^2+ax+3}+x}=\frac{a+\frac3x}{\sqrt{1+\frac ax+\frac3{x^2}}+1}\ \longrightarrow\ \frac a2

이다. 이 값이 33이므로 a=6a=6이다.

33
x→∞x\to\infty
a=6a=6, b=1b=1이면 곡선은 직선 y=3y=3에 한없이 가까워집니다.

(iii) 답 구하기

a+b=6+1=7a+b=6+1=7

이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 5번: 극한값이 실수이면 큰 부분이 지워져야 하므로 xx의 계수가 먼저 맞아야 한다.

b=1 ⇒ limx→∞(x2+ax+c−x)=a2b=1\ \Rightarrow\ \lim_{x\to\infty}\left(\sqrt{x^2+ax+c}-x\right)=\frac a2

쉽게 말하면 — 극한값이 유한하다는 조건은 “큰 부분 xx끼리는 정확히 지워져야 한다”는 말입니다. 지워지는 순간 b=1b=1이 정해지고, 지워지고 남은 작은 부분이 aa를 알려 줍니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

극한값이 33이라는 조건은 “큰 부분이 지워진다”는 정보를 먼저 준다. 근호 항의 크기는 xx이므로 뺀 bxbx가 정확히 xx여야, 즉 b=1b=1이어야 지워진다. bb가 11이 아니면 남은 (1−b)x(1-b)x가 극한을 ±∞\pm\infty로 만든다.

bb를 정하기 전에 분자 분모를 유리화하려고 하면 켤레식이 x2+ax+3+bx\sqrt{x^2+ax+3}+bx로 복잡해진다. 큰 부분의 크기를 먼저 맞추고 나서 b=1b=1로 단순해진 식을 유리화하는 순서가 빠르다. 극한이 x→∞x\to\infty로 주어져 x>0x>0이므로 x2=x\sqrt{x^2}=x를 쓸 수 있다.

다음 문제
문제 7 · 응용

limx→∞x(x+2−x)\displaystyle\lim_{x\to\infty}\sqrt{x}\left(\sqrt{x+2}-\sqrt{x}\right)의 값을 구하시오.

정답과 해설 보기
정답 1

■ 정석 풀이

단계별로 풀어 보기4단계로 나눠 풀어 봅니다. 각 단계의 이유는 정석 풀이에서 확인하세요.

  1. 괄호 안 x+2−x\sqrt{x+2}-\sqrt{x}만 먼저 정리합니다. 켤레식 x+2+x\sqrt{x+2}+\sqrt{x}를 곱하고 나누면 2x+2+x\frac{2}{\sqrt{x+2}+\sqrt{x}}입니다.
  2. 앞의 x\sqrt{x}를 곱합니다. 2xx+2+x\frac{2\sqrt{x}}{\sqrt{x+2}+\sqrt{x}}
  3. 아래의 두 루트는 각각 x\sqrt{x} 수준이므로 아래는 x+x=2x\sqrt{x}+\sqrt{x}=2\sqrt{x} 수준입니다.
  4. x\sqrt{x} 앞의 숫자끼리 나눕니다. 22=1\frac{2}{2}=1 → 정답 11

※ x→∞x\to\infty에서 x (x+k−x)\sqrt{x}\,(\sqrt{x+k}-\sqrt{x}) 꼴(kk는 상수)일 때만 이 순서를 쓰세요. 루트 안 xx 앞의 숫자가 11이 아니면 3번의 “x\sqrt{x} 수준”을 다시 계산해야 합니다.

자세한 풀이 보기

앞의 x\sqrt{x}는 ∞\infty로 가고 괄호 안은 00으로 가는 ∞×0\infty\times0 꼴이다. 괄호 안을 켤레식 x+2+x\sqrt{x+2}+\sqrt{x}로 유리화한다.

x(x+2−x)=x⋅(x+2)−xx+2+x=2xx+2+x\sqrt{x}\left(\sqrt{x+2}-\sqrt{x}\right)=\sqrt{x}\cdot\frac{(x+2)-x}{\sqrt{x+2}+\sqrt{x}}=\frac{2\sqrt{x}}{\sqrt{x+2}+\sqrt{x}}

분자와 분모를 x\sqrt{x}로 나눈다. x>0x>0이므로 x+2x=1+2x\dfrac{\sqrt{x+2}}{\sqrt{x}}=\sqrt{1+\dfrac2x}이다.

21+2x+1 ⟶ 22=1\frac{2}{\sqrt{1+\frac2x}+1}\ \longrightarrow\ \frac22=1
11
x→∞x\to\infty
xx가 한없이 커지면 곡선은 직선 y=1y=1에 한없이 가까워집니다.

따라서 극한은 11이다.

■ 관련 개념 및 공식

관련 개념 및 공식 보기

핵심 개념 4번: 근호 안이 일차식인 곱의 꼴도 괄호 안을 유리화하고 분자와 분모를 x\sqrt{x}로 나눈다.

limx→∞x(x+a−x)=a2\lim_{x\to\infty}\sqrt{x}\left(\sqrt{x+a}-\sqrt{x}\right)=\frac a2

이 문제는 a=2a=2이므로 11이다.

쉽게 말하면 — 큰 수 x\sqrt{x}와 작은 수 x+2−x\sqrt{x+2}-\sqrt{x}를 곱하는 힘겨루기입니다. 유리화는 작은 수가 22x\dfrac{2}{2\sqrt{x}} 크기라는 것을 알려 주고, 곱하면 11이 남습니다.

■ 직관적 통찰 및 비법

문제 5와 같은 도구이지만 서열이 다르다. 문제 5는 x2x^2 안의 근호라 xx로 나누었고, 이 문제는 xx 안의 근호라 x\sqrt{x}로 나눈다. 분모의 크기를 먼저 읽어 그 크기로 나눈다는 원리는 같다.

x+2−x≈1x\sqrt{x+2}-\sqrt{x}\approx\dfrac{1}{\sqrt{x}}라고 읽으면 x⋅1x=1\sqrt{x}\cdot\dfrac{1}{\sqrt{x}}=1이라는 것을 한눈에 알 수 있다. 근호 안이 xx일 때는 어림이 “aa를 2x2\sqrt{x}로 나눈다”로 정리된다.

#함수의 극한#무한대에서의 극한#무리식#유리화#켤레식#미적분Ⅰ