ε-δ 정의
함수의 극한 limx→af(x)=L의 엄밀한 뜻: ε 띠를 아무리 좁혀도, a 근처의 δ 띠 안에서는 f가 그 띠 안에 머뭅니다. f(x)=2x, a=1, L=2에서 δ=ε/2를 확인합니다.
∀ε>0 ∃δ>0: 0<∣x−a∣<δ⇒∣f(x)−L∣<ε
∣2x−2∣=2∣x−1∣
예제
limx→23x=6임을 ε-δ 정의로 증명하고, 각 ε>0에 대한 δ를 구하세요.
δ(ε)=3ε,∣3x−6∣=3∣x−2∣
ε=0.3 — 이 장면의 2x에서는 δ=ε/2=0.15; 문제의 3x에서는 기울기 3이 분모에 옵니다.
증명 보기
- ε>0이 주어지면 δ=3ε이라 둡니다. 0<∣x−2∣<δ이면 ∣3x−6∣=∣3(x−2)∣=3∣x−2∣<3δ=ε입니다. 따라서 정의에 의해 limx→23x=6입니다.
- 핵심은 ∣3x−6∣=3∣x−2∣로 인수분해되는 것입니다: 기울기 3이 입력 오차를 증폭시키므로, δ=ε/3으로 정확히 상쇄합니다.
- 수치 확인: ε=0.03이면 δ=0.01입니다. ∣x−2∣<0.01인 모든 x에 대해 ∣3x−6∣=3∣x−2∣<0.03=ε입니다.
limx→1x2=1임을 δ=min(1,3ε)로 증명하세요.
∣x2−1∣=∣x−1∣⋅∣x+1∣<3δ≤ε
ε=0.6, δ=0.3 — 곡선 x2에는 일정한 비율 δ/ε이 없지만, 이 장면의 직선에는 있습니다.
증명 보기
- ∣x2−1∣=∣(x−1)(x+1)∣=∣x−1∣⋅∣x+1∣입니다. 문제는 ∣x+1∣인데, 이는 x에 따라 변하므로 먼저 x를 1 근처에 가둡니다.
- ∣x−1∣<1이면 0<x<2이므로 ∣x+1∣=x+1<3입니다. 따라서 ∣x2−1∣<3∣x−1∣입니다.
- ε>0이 주어지면 δ=min(1,3ε)이라 둡니다. ∣x−1∣<δ이면 두 조건 ∣x−1∣<1과 ∣x−1∣<3ε이 모두 성립하므로, ∣x2−1∣<3⋅3ε=ε입니다. 따라서 limx→1x2=1입니다.
- 수치 확인: ε=0.3이면 δ=min(1,0.1)=0.1이고, ∣x−1∣<0.1일 때 ∣x2−1∣<3⋅0.1=0.3=ε입니다.
f가 a에서 L1과 L2로 수렴하면 L1=L2임을 증명하세요 (극한의 유일성).
∣L1−L2∣≤∣L1−f(x)∣+∣f(x)−L2∣<2ε+2ε=ε
ε=0.1 — 아무리 작은 ε을 잡아도 두 후보는 ε 안에 갇혀 결국 하나가 됩니다.
증명 보기
- ε>0을 잡습니다. 정의에 의해, 0<∣x−a∣<δ1이면 ∣f(x)−L1∣<2ε인 δ1>0과, 0<∣x−a∣<δ2이면 ∣f(x)−L2∣<2ε인 δ2>0이 존재합니다. δ=min(δ1,δ2)>0이라 둡니다.
- 0<∣x−a∣<δ인 x에 대해 (실수에서는 그런 x가 항상 존재합니다) 삼각부등식으로 ∣L1−L2∣≤∣L1−f(x)∣+∣f(x)−L2∣<2ε+2ε=ε입니다.
- 이는 모든 ε>0에 대해 성립합니다. ∣L1−L2∣>0이라면 ε=2∣L1−L2∣를 잡으면 모순이므로, ∣L1−L2∣=0, 즉 L1=L2입니다.
3. 연속함수