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극한(비교)

r51 vs r55
......
77
== 수열 ==
88
무한 수열 [math(a_{n})] 에 대해 [math(n)]이 무한히 커지고 [math(a_{n})]이 [math(L)]에 가까워지면 [math({\displaystyle \lim_{n\to\infty}}a_{n}= L )] 이라고 한다.
99
10
== 엡실론‐델타법 ==
11
고등학교 과정을 넘어가면 다음과 같이 엄밀하게 배운다. 기호가 조금 복잡할 수 있겠지만 천천히 살펴보면 집합(, 집합의 표기법, 포함관계, 멱집합, 집합의 연산), 명제, 부등호, 절댓값, 함수(, 정의역, 공역, 함숫값), 수열 등의 개념의 결합으로 이루어진 정의(Definition), 정리(Theorem)들이므로 이해하기 쉬울 수 있다. "근방" 등의 일부 기호는 풀어서 서술함을 밝힌다.
10
== 엡실론 이용한 극한의 정의 ==
11
고등학교 과정을 넘어가면 그리스 문자 [math(\epsilon)](엡실론), [math(\delta)](델타) 등을 읽으면서 극한의 정의를 엄밀하게 배운다.
12
기호가 조금 복잡할 수 있겠지만 천천히 살펴보면 집합(, 집합의 표기법, 포함관계, 멱집합, 집합의 연산), 명제, 부등호, 절댓값, 함수(, 정의역, 공역, 함숫값), 수열 등의 개념의 결합으로 이루어진 정의(Definition), 정리(Theorem)들이므로 이해하기 쉬울 수 있다. "[math(\epsilon)]-근방" 등의 일부 기호는 풀어서 서술함을 밝힌다.
1213
* 먼저 실수 전체집합을 [math(\mathbb{R})]이라 하자.
1314
* 공역을 [math(\mathbb{R})]로 두면서도 실수 [math(x)]에 대한 함수 [math(f\left(x\right))]의 정의역(Domain, 곧 집합이 된다.)을 [math(D)]라 하자. (교과서에 따라 [math(E)]라고 적힌 곳도 있지만 쉬운 이해를 위하여 [math(D)]로 적는다.)
1415
* (당연히 [math(D \subset \mathbb{R})]이 된다.)
1516
* (또한 이는 [math(f:D \to \mathbb{R})]이 된다.)
1617
17
=== 어떤 지점에서의 함수의 극한 ===
18
=== 어떤 지점에서의 함수의 극한 (엡실론-델타법) ===
1819
[math(x \to a)]의 경우는 다음과 같이 된다.
1920
2021
들어가기 앞서 다음 전제조건이 깔려 있어야 한다.
......
7071
여기서 다음을 보이고자 한다.
7172
||[math(\left(\left\{x|a-{\color{blue}c}x<a+{\color{blue}c}\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right) \cap D \neq \emptyset)]||
7273
73
{{{+1 '''6.'''}}} [math(c_{1})]과 [math({\color{blue}c})]의 대소는 [math({\color{blue}c} > c_{1})] 이거나 [math({\color{blue}c} = c_{1})] 이거나 [math({\color{blue}c} < c_{1})] 이다.
74
{{{+1 '''6.'''}}} '''5.'''에서 [math(c_{1})]과 [math({\color{blue}c})]의 대소는 [math({\color{blue}c} > c_{1})] 이거나 [math({\color{blue}c} = c_{1})] 이거나 [math({\color{blue}c} < c_{1})] 이다.
7475
75
{{{+1 '''7.'''}}} 만일 [math({\color{blue}c} \leq c_{1})]이라고 하자.
76
{{{+1 '''7.'''}}} '''6.'''에서 만일 [math({\color{blue}c} \leq c_{1})]이라고 하자.
7677
그러면 [math({\color{red}c_{3}}={\color{blue}c}\leq c_{1})]이 된다.
7778
이 때 '''4.'''와 같은 방법으로 [math({\color{green}c_{2}}={\color{red}c_{3}})] 으로 두면 다음의 식을 만족한다.
7879
||[math(\left(\left\{x|a-{\color{green}c_{2}}<x<a+{\color{green}c_{2}}\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right) \cap D \neq \emptyset)]||
7980
여기서 [math({\color{green}c_{2}}={\color{red}c_{3}}={\color{blue}c})]이 되었으므로 다음이 성립한다.
8081
||[math(\left(\left\{x|a-{\color{blue}c}<x<a+{\color{blue}c}\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right) \cap D \neq \emptyset)]||
8182
82
{{{+1 '''8.'''}}} 만일 [math({\color{blue}c} > c_{1})]이라고 하자.
83
{{{+1 '''8.'''}}} '''6.'''에서 만일 [math({\color{blue}c} > c_{1})]이라고 하자.
8384
그러면 '''1.'''에서
8485
||[math(\left(\left\{x|a-c_{1}<x<a+c_{1}\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right))]
8586
[math({\color{red}\subset} \left(\left\{x|a-{\color{blue}c}<x<a+{\color{blue}c}\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right))]||
......
173174
174175
결론부터 말하자면 수렴하는 극한의 유일성에 문제가 발생하기 때문이다.
175176
176
만일 [math(x=a)]가 [math(D)]의 극한점이라는 전제가 없으면 (특히 어떤 값으로 수렴함을 과정에서) 문제발생한다. 앞에서 언급된 극한점의 조건에서 제시된 명제를 보자.
177
{{{+1 '''0.'''}}} 가정하기를 [math(x=a)]가 [math(D)]의 극한점이라는 전제가 없다고 하자.
178
179
{{{+1 '''1.'''}}} 그럼 [math(x=a)]가 [math(D)]의 극한점__아닌 경우__존재한다.
180
181
{{{+1 '''2.'''}}} 극한점의 조건 보자.
182
[math(x=a)]가 [math(D)]의 극한점인 조건은 다음과 같다.
177183
||임의의 양수 [math(c)]에 대하여
178184
[math(\left(\left\{x|a-c<x<a+c\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right) \cap D \neq \emptyset)]||
185
179186
이 명제의 부정은
180187
||{{{#red 어떤}}} 양수 [math(c)]에 대하여
181188
[math(\left(\left\{x|a-c<x<a+c\right\} \backslash \left\{ a \right\} \right) \cap D {\color{red}\ =\ }\emptyset)]||
182189
이 된다.
183190
184
여기에서 문제점이 생기게 된다. 왜냐면 앞에 말한 함수의 극한의 정의에서 다음
191
{{{+1 '''3.'''}}} 함수의 극한의 정의에서 다음 명제를 보자.
185192
> [math(x \in D)]이고 [math(x \neq a)], [math(a-\delta < x < a+\delta)]이면
186193
> [math(L-\epsilon< f\left(x\right) < L+\epsilon)]이다.
187
라는 명제에서 문제점이 발생하기 때문인데, [math(x=a)]를 제외한 나머지 [math(D)]에의 [math(x)]의 지점 가운데 [math(\left\{x|a-c<x<a+c\right\} )] 에 포함되는 지점에서는 '''함숫값이 존재하지 않기 때문에 명제가 거짓'''이 되는 오류가 발생하기 때문이다. 저런 경우는 [math(\delta >c)]인 경우이다.
188194
189
만일 저런 것을 고려할(?) 필요 없이 [math(\delta \leq c)]로 정해버리면([math(\delta)]를 충분히 작은 값으로 잡아버리면) [math(L)] 값과 관계 없이 정에[math(x \in D)] 조건과 [math(x \neq a)], [math(a-\delta < x < a+\delta)] 이라조건이 서로 모순되고, 이는 곧 '''가정이 거짓이 되므로 전체적으로 명제가 참'''이 되버리는 오류가 발생하며, 이 때 [math(L)] 값을 아무렇게 잡아도 명제가 참이 된 탓에 "모든 실수값으로 수렴한다"는 오류까지 발생한다.
195
{{{+1 '''4.'''}}} '''1.'''의 경우(충분히 나올 있다) '''2.'''를 만족하는 [math(c)]져와'''3.'''의 [math(\delta)] [math(\delta \leq c)] 만족하는 적당한 값으로 두자.([math(\delta)] 충분히 작은 값으로 잡자.)
190196
197
그러면 [math(L)]의 값과 관계 없이 '''3.'''에 제시된 명제의 가정에서 두 조건이 서로 모순된다.
198
||1. [math(x \in D)]
199
2. [math(x \neq a)], [math(a-\delta < x < a+\delta)]||
200
따라서 '''가정이 거짓이 되며''', 가정이 거짓인 이유로 '''명제가 전체적으로 참'''이 되버리는 오류가 발생한다.
201
202
{{{+1 '''5.'''}}} 이 때 [math(L)]의 값을 아무렇게 잡아도 명제가 참이 된 탓에 "모든 실수값으로 수렴한다"는 오류까지 발생한다. 이는 수렴하는 함수의 유일성에 위배된다.
203
191204
그러므로 [math(x=a)]가 [math(D)]의 극한점이라는 전제가 있어야 한다.
192205
193206
=== 수열의 극한 ===
......