검단신도시 고2수학과외







“두 수열의 극한값을 더하면 되니까 답은 3이다.” 학생의 풀이 기록에는 이렇게 적혀 있었지만, 첫 번째 수열의 극한은 존재하지 않았다. 계산보다 먼저 확인해야 할 것은 각 수열의 수렴 여부였다.
오답이 시작된 지점
수열의 극한에 관한 사칙연산 법칙은 아무 수열에나 형식적으로 적용할 수 없다. 두 수열 \(a_n, b_n\)에 대하여
\[ \lim_{n\to\infty}a_n=A,\qquad \lim_{n\to\infty}b_n=B \]
가 실제로 성립할 때에만 다음과 같이 쓸 수 있다.
\[ \lim(a_n+b_n)=A+B,\quad \lim(a_n-b_n)=A-B \]
\[ \lim(a_nb_n)=AB \]
또한 \(B\ne0\)일 때만
\[ \lim\frac{a_n}{b_n}=\frac AB \]
를 사용할 수 있다. 따라서 식에 극한 기호가 보인다는 이유만으로 각 항의 극한값을 곧바로 대입하면 안 된다.
각 수열의 극한부터 확인하기
예를 들어 \(a_n=(-1)^n\)은 \(1,-1,1,-1,\dots\)로 번갈아 나타나므로 극한이 존재하지 않는다. 이때 \(\lim a_n\)을 어떤 실수로 정할 수 없다.
반면 \(b_n=2+\frac1n\)은 \(\lim b_n=2\)이다. 따라서 \(a_n+b_n\)의 극한을 구할 때 \(a_n\)에 임의의 값을 넣어 계산하는 것은 잘못이다.
따로 발산해도 결합 후 수렴할 수 있다
사칙연산 법칙의 조건과 결론을 혼동하지 않는 것이 중요하다. 두 수열의 극한이 존재하면 합의 극한을 구할 수 있지만, 합의 극한이 존재한다고 해서 각각의 극한이 반드시 존재하는 것은 아니다.
반례로 확인하는 판단 기준
다음 두 수열을 보자.
\[ a_n=n,\qquad b_n=-n \]
각각 \(a_n\)은 \(+\infty\) 방향으로, \(b_n\)은 \(-\infty\) 방향으로 발산한다. 따라서 두 수열의 실수 범위 극한은 존재하지 않는다. 그러나
\[ a_n+b_n=n-n=0 \]
이므로 결합한 수열의 극한은 \(0\)이다.
즉, \(\lim(a_n+b_n)\)을 구할 수 있다는 사실만으로 \(\lim a_n\)과 \(\lim b_n\)을 각각 구할 수 있다고 거꾸로 판단해서는 안 된다.
풀이를 고치는 순서
- 각 수열의 일반항을 확인한다.
- 각 수열의 극한이 실제로 존재하는지 판단한다.
- 두 극한이 모두 존재하면 사칙연산 법칙을 적용한다.
- 몫에서는 분모의 극한이 0인지 확인한다.
이 순서를 익혀 두면 검단신도시과외에서 자주 다루는 수열의 극한 문제에서도 계산 전에 조건을 놓치는 오류를 줄일 수 있다.
최종 점검
“극한값끼리 계산한다”는 말은 “각 극한이 존재할 때만 계산한다”는 조건을 포함한다. 따라서 오답을 발견했을 때는 계산식보다 먼저 각 수열의 수렴 여부와 분모 극한의 0 여부를 되짚어야 한다.