






무한대와 극한, ∞−∞ 꼴에서 상쇄를 읽는 법
학생의 풀이 기록에는 다음과 같이 적혀 있었다.
“x→∞일 때 √(x²+3x)−x는 ∞−∞이므로 0이다.”
하지만 ∞−∞는 0이라는 뜻이 아니다. 각각의 항이 끝없이 커지더라도 두 항의 증가 속도에 따라 차이는 유한한 값이 될 수도 있고, 무한히 커질 수도 있으며, 발산할 수도 있다. 광산구과외 수업에서는 이 첫 판단을 정답 계산보다 먼저 점검한다.
하나의 식에서 드러나는 상쇄
다음 극한을 살펴보자.
limx→∞ (√(x²+3x)−x)
두 항을 따로 계산하면 각각 ∞로 향하므로 차이는 결정되지 않는다. 따라서 근호가 있는 차 전체를 변형해야 한다.
유리화로 실제 남는 값 확인하기
켤레식을 곱하면
√(x²+3x)−x = (√(x²+3x)−x)(√(x²+3x)+x) / √(x²+3x)+x
분자는 다음처럼 정리된다.
(x²+3x)−x²=3x
따라서
√(x²+3x)−x = 3x/(√(x²+3x)+x) = 3/(√(1+3/x)+1)
x가 무한히 커지면 3/x는 0에 가까워지므로
limx→∞ (√(x²+3x)−x)=3/2
정답은 0이 아니라 3/2이다. 두 큰 항이 거의 같아 보여도, 유리화한 뒤 남는 차수와 계수를 확인해야 한다.
비슷해 보이는 식의 차이
다음 식은 겉모양은 비슷하지만 결과가 다르다.
차수가 같은 경우
limx→∞ (√(x²+5x)−x) = limx→∞ 5/(√(1+5/x)+1) = 5/2
근호 안의 추가 항이 5x이므로 유리화 뒤 유한한 값이 남는다.
증가 차수가 다른 경우
limx→∞ (√(x²+x³)−x)
여기서는 x>0에서
√(x²+x³)=x√(1+x)
이므로 식은 x(√(1+x)−1)이다. √(1+x)는 무한히 커지므로 전체 식도 무한히 커진다. 같은 ∞−∞ 형태처럼 보여도 내부의 성장 차수가 다르면 결과가 달라진다.
새 문제에서 사용할 판단 순서
- 각 항을 따로 극한내지 말고 전체 식이 ∞−∞ 꼴인지 확인한다.
- 근호의 차이면 켤레식을 곱해 유리화한다.
- 분자와 분모의 차수를 비교한다.
- 약분한 뒤 남은 식에 직접 극한을 적용한다.
최종 확인은 “∞−∞를 0으로 두었는가?”가 아니라 “두 항의 차이를 어떤 식으로 바꾸었는가?”에 두어야 한다. 이 과정을 익히면 정답률뿐 아니라 처음 보는 극한 문제에서도 상쇄의 구조를 스스로 찾아낼 수 있다.