수학 II의 세계에 첫발을 내디딘 학생 여러분! ‘극한’이라는 개념을 처음 만나면 낯설고 어렵게 느껴질 수 있습니다.
특히 교과서나 문제집에서 “함수의 그래프를 이용하여 다음 극한값을 구하시오”라는 문제를 보면, “그래프를 꼭 그려야 하나? 그냥 숫자를 대입하면 안 되나?” 하는 의문이 들곤 합니다.
결론부터 말하면, 여러분의 직관이 맞습니다. 많은 경우, 특히 오늘 다룰 함수들처럼 그래프가 끊어지지 않은 ‘연속함수’에서는 숫자를 대입한 것과 같은 결과가 나옵니다. 하지만 그 이면에는 아주 중요한 개념이 숨어있습니다.
상세한 설명을 통해, 왜 그래프를 이용하라는 것인지, 극한의 진정한 의미는 무엇인지 파헤치고, 이를 바탕으로 다양한 함수의 기초 극한값을 구하는 연습을 해보겠습니다.
🎯 극한의 본질: ‘대입’이 아니라 ‘다가가기’
함수의 극한에서 가장 중요한 개념은 ‘특정 값에 한없이 가까워진다’는 아이디어입니다. 기호 $\lim_{x \to a} f(x)$ 의 의미는 다음과 같습니다.
“$x$가 $a$는 아니면서 $a$에 한없이 가까워질 때, 함수값 $f(x)$는 과연 어떤 값에 가까워지는가?”
이것을 시각적으로 보여주는 가장 좋은 도구가 바로 그래프입니다. 그래프를 따라 $x$좌표가 $a$인 지점을 향해 왼쪽과 오른쪽에서 손가락으로 다가간다고 상상해 보세요. 이때 손가락이 최종적으로 도달하려는 y좌표의 목적지, 그것이 바로 극한값입니다.
오늘 우리가 다룰 다항함수(1차, 2차), 유리함수(분모가 0이 아닌 지점), 무리함수(근호 안이 양수인 지점) 등은 모두 그래프가 부드럽게 이어져 있는 ‘연속함수’입니다.
- 연속함수의 특징: 그래프가 특정 지점에서 끊어져 있지 않습니다.
- 극한값과 함숫값: 그래프가 끊어져 있지 않으므로, $x=a$ 지점으로 다가갈 때의 y값 목적지(극한값)는 당연히 그 지점의 실제 y좌표(함숫값 $f(a)$)와 일치합니다.
연속함수 $f(x)$에 대하여 $\lim_{x \to a} f(x) = f(a)$
이것이 바로 우리가 연속함수의 극한을 구할 때 마치 단순히 $x$에 $a$를 대입하는 것처럼 느껴지는 이유입니다. 하지만 본질은 ‘그래프의 목적지’를 찾는 것임을 꼭 기억해야 합니다!
✏️ 실력 다지기: 유사 문제로 극한값 구하기
이제 다양한 함수의 그래프를 머릿속으로 상상하며, 극한값을 구하는 연습을 해봅시다.
유사 문제: 함수의 그래프를 이용하여 다음 극한값을 구하시오.
- $\lim_{x \to 2} (x-1)$
- $\lim_{x \to -1} (x^2+3)$
- $\lim_{x \to -2} \frac{3}{x+1}$
- $\lim_{x \to 1} \sqrt{2x+7}$
🔍 문제별 상세 풀이
1. $\lim_{x \to 2} (x-1)$
함수 $f(x) = x-1$은 **일차함수**이며, 그래프는 기울기가 1, y절편이 -1인 직선입니다. 이 직선은 모든 구간에서 끊어진 곳 없이 부드럽게 이어져 있으므로 연속함수입니다. 따라서 $x=2$에서의 극한값은 함숫값 $f(2)$와 같습니다.
$$ \lim_{x \to 2} (x-1) = 2 – 1 = 1 $$
그래프를 따라 $x$가 2인 지점을 향해 다가가면, y값은 1을 향해 다가가는 것을 확인할 수 있습니다.
2. $\lim_{x \to -1} (x^2+3)$
함수 $f(x) = x^2+3$은 **이차함수**이며, 그래프는 꼭짓점이 (0, 3)인 아래로 볼록한 포물선입니다. 이 포물선 역시 모든 구간에서 연속입니다. 따라서 $x=-1$에서의 극한값은 함숫값 $f(-1)$과 같습니다.
$$ \lim_{x \to -1} (x^2+3) = (-1)^2 + 3 = 1 + 3 = 4 $$
📈 GeoGebra에서 y=x²+3 그래프 확인하기
3. $\lim_{x \to -2} \frac{3}{x+1}$
함수 $f(x) = \frac{3}{x+1}$은 **유리함수**입니다. 이 함수는 분모가 0이 되는 $x=-1$에서만 불연속(점근선)이고, 그 외의 모든 지점에서는 연속입니다. 우리가 구하려는 극한은 $x=-2$ 지점이므로, 이 지점에서는 연속입니다. 따라서 극한값은 함숫값 $f(-2)$와 같습니다.
$$ \lim_{x \to -2} \frac{3}{x+1} = \frac{3}{-2+1} = \frac{3}{-1} = -3 $$
📈 GeoGebra에서 y=3/(x+1) 그래프 확인하기
4. $\lim_{x \to 1} \sqrt{2x+7}$
함수 $f(x) = \sqrt{2x+7}$은 **무리함수**입니다. 이 함수는 근호 안의 값, $2x+7$이 0보다 크거나 같은 구간, 즉 $x \ge -3.5$ 에서 정의되고 연속입니다. 우리가 구하려는 극한은 $x=1$ 지점으로, 이 범위 안에 포함되므로 연속입니다. 따라서 극한값은 함숫값 $f(1)$과 같습니다.
$$ \lim_{x \to 1} \sqrt{2x+7} = \sqrt{2(1)+7} = \sqrt{9} = 3 $$
📈 GeoGebra에서 y=sqrt(2x+7) 그래프 확인하기
1. 1 2. 4 3. -3 4. 3
✨ 최종 정리 및 마무리
오늘은 함수의 극한을 그래프를 통해 이해하고, 특히 연속함수의 극한값을 구하는 가장 기본적인 방법을 연습했습니다.
핵심은 간단합니다: 극한은 ‘y값의 목적지’를 찾는 과정이며, 그래프가 끊어져 있지 않은 연속함수에서는 그 목적지가 바로 그 지점의 함숫값과 같다는 것입니다.
물론 앞으로는 그래프가 끊어져 있거나(불연속), 구멍이 뚫려 있거나, 무한대로 뻗어 나가는 등 단순히 값을 대입할 수 없는 복잡한 극한들을 만나게 될 것입니다.
하지만 그때에도 오늘 배운 ‘그래프를 따라 목적지를 찾아간다’는 극한의 근본적인 의미는 절대 변하지 않습니다.
오늘의 기초를 튼튼히 다져, 더 어려운 극한 문제도 자신 있게 해결해 나가시길 바랍니다. 오늘도 수고 많으셨습니다!