원주 고2수학과외







최종 확인에서 되짚은 \(0\times\infty\)
학생의 답안에는 다음과 같이 적혀 있었다.
“\(\displaystyle \lim_{x\to\infty}\frac1x(x+1)=0\times\infty=0\)”
하지만 실제 식을 정리하면
\[ \frac1x(x+1)=1+\frac1x \]
이므로 극한값은 \(1\)이다. 원주과외 수업에서는 정답만 고치지 않고, \(0\times\infty\)라는 형태를 만났을 때 왜 즉시 값을 정할 수 없는지 먼저 확인했다.
그래프와 표에서 드러난 오류
\(\frac1x\)는 \(0\)에 가까워지지만 \(x+1\)은 무한히 커진다. 두 인수의 곱은 다음처럼 일정한 값에 가까워진다.
| \(x\) | \(\frac1x\) | \(x+1\) | 곱 |
|---|---|---|---|
| 10 | 0.1 | 11 | 1.1 |
| 100 | 0.01 | 101 | 1.01 |
| 1000 | 0.001 | 1001 | 1.001 |
따라서 한 인수가 작아진다는 사실만으로 곱 전체를 \(0\)이라고 할 수 없다. 핵심은 두 인수의 변화 속도를 비교하는 것이다.
분수형으로 바꾸어 지배 속도 비교하기
같은 형태라도 결과는 달라진다
다음 세 식은 모두 \(0\times\infty\) 꼴이다.
\[ \frac1x\cdot x=1,\qquad \frac1x\cdot x^2=x\to\infty,\qquad \frac1x\cdot 1=\frac1x\to0. \]
즉 \(0\times\infty\)는 계산 결과가 정해지지 않은 미정형이다. 곱을 분수로 바꾸면 지배하는 성장 속도를 더 분명하게 볼 수 있다.
지수함수와 다항식의 비교
새 문제로
\[ \lim_{x\to\infty}x^3e^{-x} \]
를 생각해 보자. 이는 \(+\infty\times0\) 꼴이므로 바로 판단하지 않고
\[ x^3e^{-x}=\frac{x^3}{e^x} \]
로 바꾼다. 지수함수 \(e^x\)는 모든 다항식보다 빠르게 증가하므로
\[ \lim_{x\to\infty}\frac{x^3}{e^x}=0. \]
이때의 결론은 형태 때문이 아니라 성장 속도 비교 때문에 얻어진다.
새 문제에서의 독립적인 판단
형태가 아니라 변형과 비교를 선택했는가
다음 식은 \(0\times\infty\) 꼴이지만 결과가 \(0\)이 아니다.
\[ \lim_{x\to\infty}\frac1x(2x+3) =\lim_{x\to\infty}\left(2+\frac3x\right)=2. \]
반면
\[ \lim_{x\to\infty}\frac{x^2+1}{e^x}=0 \]
에서는 지수함수가 다항식의 성장을 압도한다. 새로운 문제에서도 학생이 먼저 미정형을 확인하고, 분수형 변환과 성장 속도 비교를 스스로 선택한다면 교정이 실제 풀이 전략으로 남았다고 볼 수 있다.