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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

  1. 각 항을 따로 극한내지 말고 전체 식이 ∞−∞ 꼴인지 확인한다.
  2. 근호의 차이면 켤레식을 곱해 유리화한다.
  3. 분자와 분모의 차수를 비교한다.
  4. 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.

광산구 고2수학과외 학부모 후기

방학 숙제를 시작한 오전, 잠깐 방에 들어갔다가 아이 문제집을 보게 됐어요. 그래프 문제 옆에 교점 위치만 따로 표시해 둔 게 먼저 눈에 띄었습니다. 예예전에는 틀린 문제를 다시 펼쳐도 한 부분을 골라 살펴보는 일이 거의 없었거든요. 계산한 교점을 그래프에 다시 찍어 놓고, 식에서 나온 결과와 실제 위치가 맞는지 확인한 흔적도 있더라고요. 답만 맞는지 보는 게 아니라 계산 결과가 그래프 안에서 어디에 놓이는지까지 살핀 모습이었습니다. 광산구 수학과외를 찾아보던 때에도 이런 장면을 보게 될 줄은 몰랐어요. 다음 계산 숙제를 시작했을 때도 교점을 구한 뒤 그래프에 위치를 다시 표시해 두었어요. 확인한 곳 옆에는 작은 표시 하나만 남아 있었고, 그 옆에 계산 결과와 그래프가 맞는지 살핀 흔적이 보였습니다.

★★★★★학부모 후기

시험지를 다시 꺼내 펼쳐 놓은 아이가 두 풀이에서 처음 달라지는 단계를 찾아 표시하고, 나중에 볼 자리까지 따로 눈에 띄게 남겨두더라고요. 답만 맞는지 확인하는 줄 알았는데 풀이의 어느 부분부터 달라졌는지를 먼저 보고 있었습니다. 광산구 수학과외 이야기를 나누던 때에도 이런 장면이 꽤 기억에 남았어요. 교과서를 책장에 넣으려던 순간에는 제가 말을 꺼내기도 전에 아이가 두 풀이를 양쪽에 나란히 적었습니다. 예전에는 막힌 곳을 찾기보다 처음부터 다시 읽고 풀곤 했는데, 그날에는 두 과정 중 처음 달라진 한 단계에 바로 표시를 하더라고요. 해당 부분과 다시 살펴볼 위치가 한눈에 보이게 남아 있었습니다.

★★★★★학부모 후기

다음 수학 발표를 준비하던 날에는 해설부터 찾지 않고, 자기가 적어 둔 계산을 한 줄씩 다시 따라가고 있더라고요. 어디까지 확인했는지와 아직 살펴볼 부분을 나눠 표시해 둔 것도 보였어요. 예예전에는 다시 봐야 할 곳이 생겨도 그날 정리하지 않고 넘어가는 경우가 많았거든요. 저녁에 프린트를 챙기다가 우연히 아이 책상 쪽을 봤는데, 답지는 펼쳐져 있지 않았어요. 이미 풀어 둔 계산을 아래에서부터 거꾸로 짚어 보면서 한 줄씩 확인하고 있었습니다. 광산구 수학과외를 알아보며 여러 생각이 들었던 때와는 별개로, 집에서 문제를 다시 보는 방식이 조금 달라진 장면이었어요. 확인한 곳과 남은 곳이 나뉘어 있는 표시가 눈에 띄었습니다.

★★★★★학부모 후기

광산구에서 과외를 시작할 때 아이는 선생님 설명을 듣고도 이해했다고 쉽게 대답했지만, 막상 혼자 풀면 손을 놓곤 했습니다. 학교 행사로 공부 시간이 줄었던 날에도 선생님은 숙제와 복습할 내용을 몇 가지로만 정리하고, 틀린 문제를 다시 살펴보도록 편하게 이끌어주셨습니다. 시험기간에도 한 문제 때문에 수학 전체를 포기하지 않고 끝까지 다시 해보려는 모습이 보여 만족스러웠습니다.

★★★★★학부모 후기

광산구에서 과외를 시작한 뒤에도 저는 수업 중 조용히 있는 편이라, 아는 문제도 답이 맞는지 자꾸 확인했습니다. 새 교재를 처음 펼친 날 선생님은 스스로 풀 수 있는 부분은 기다려 주고, 막히는 순간에만 힌트를 주셔서 부담 없이 집중할 수 있었습니다. 요즘은 수업 이야기를 제가 먼저 꺼내고, 대답할 때 목소리도 한결 편해졌습니다.

★★★★★학부모 후기

숙제 검사를 받을 때마다 틀린 문제를 설명해야 해서 처음에는 긴장했지만, 선생님께서 맞힌 문제부터 풀이를 말해 보게 해 주셔서 조금씩 편해졌습니다. 광산구에서 수업 일정에 적응한 뒤에는 시험이 다가와도 무리하게 진도를 늘리지 않고 부족한 부분을 다시 확인했습니다. 틀린 문제를 보고도 금방 다시 이어서 공부하는 습관이 생겼습니다.

★★★★★학부모 후기