샌드위치 정리
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1. 개요
샌드위치 정리는 함수의 극한값을 구하는 데 사용되는 수학적 정리이다. 이 정리는 두 함수 사이에 낀 함수의 극한값이 두 함수의 극한값과 같을 때, 낀 함수의 극한값도 같다는 것을 의미한다. 샌드위치 정리는 함수의 극한뿐만 아니라 수열의 극한에도 적용되며, 다변수 미적분학에서도 활용된다.
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샌드위치 정리 | |
---|---|
정의 | |
다른 이름 | 조임 정리 샌드위치 규칙 경찰 정리 사이 정리 쥐어짜기 보조정리 이탈리아에서는 '카라비니에리 정리'로도 알려져 있음 |
![]() | |
설명 | |
내용 | 미적분학에서 함수의 극한을 구할 때 사용되는 방법 어떤 함수의 극한값을 직접 구하기 어려울 때, 그 함수보다 크거나 같은 함수와 작거나 같은 함수를 이용하여 극한값을 구함 |
조건 | 세 함수 f(x), g(x), h(x)에 대해 다음이 성립해야 함: 모든 x에 대해 g(x) ≤ f(x) ≤ h(x) lim x→c g(x) = lim x→c h(x) = L |
결론 | lim x→c f(x) = L |
활용 | 삼각함수의 극한 (사인 함수, 코사인 함수) 지수 함수와 로그 함수의 극한 수열의 극한 |
예시 | |
예시 1 | f(x) = x^2 * sin(1/x)의 x→0에서의 극한값을 구하는 경우 -x^2 ≤ x^2 * sin(1/x) ≤ x^2 이고, lim x→0 (-x^2) = lim x→0 x^2 = 0 이므로, lim x→0 f(x) = 0 |
예시 2 | lim (x→0) x cos(x) = 0 |
같이 보기 | |
관련 항목 | 함수의 극한 미적분학 로피탈 정리 |
2. 역사
샌드위치 정리의 기원은 아르키메데스와 에우독소스가 원주율을 기하학적으로 구하는 데 사용한 방법까지 거슬러 올라간다. 현대적인 형태의 샌드위치 정리는 가우스에 의해 정식화되었다.
압착 정리는 다음과 같이 공식적으로 진술된다.[1]
이탈리아나 러시아에서는 "두 명의 경찰관 정리"로 알려져 있으며, 다음과 같은 비유와 함께 소개된다. ''죄수가 두 명의 경찰관에게 샌드위치처럼 끼여 있다면, 두 명의 경찰관이 방에 들어갈 때, 죄수도 필연적으로 그 방에 들어가게 된다.''
3. 내용
:를 점 를 포함하는 구간이라 하고, , , 를 에서 정의된 함수라고 하자(단, 는 예외). 의 모든 ( 제외)에 대해 다음이 성립한다고 가정한다.
::
::또한, 다음이 성립한다고 가정한다.
::
:그러면 이 성립한다.
이 정리는 수열에도 유효하며, 자세한 내용은 하위 섹션을 참고하라.
3. 1. 수열의 극한
세 수열 , , 에 대하여, 충분히 큰 모든 자연수 에 대해 이고 (L은 상수)이면, 이다.[1]
이 정리는 수열에도 유효하다. , 을 로 수렴하는 두 수열이라고 하고, 을 수열이라고 하자. 만약 에서 를 만족하면, 또한 로 수렴한다.
세 개의 실수열 , , 에 대해, 항상 이고,
:
(''A''는 상수)라면,
:
가 성립한다.
처음 유한 개의 항은 극한값에 영향을 미치지 않으므로, 가정에서의 대소 관계는 항상 성립할 필요는 없고, 충분히 큰 ''n''에 대해 성립하면 충분하다.
3. 2. 함수의 극한
함수 에 대하여, 에 충분히 가까운 모든 에 대해 이고 (L은 상수)이면, 이다.[1]
이 정리는 수열에도 유효하다. 을 로 수렴하는 두 수열이라고 하고, 을 수열이라고 하자. 만약 일때 를 갖는다면, 또한 로 수렴한다.
직접적으로 극한값을 구하기 어려운 경우에도, 극한값을 구하기 쉬운 두 함수 사이에 샌드위치처럼 묶인다면, 샌드위치 정리에 의해 간접적으로 극한값을 구할 수 있다. 이러한 방법은 아르키메데스가 원주율의 근사값을 계산할 때 사용했으며, 현대적인 형태는 가우스에 의해 정식화되었다.
샌드위치 정리와 유사한 주장은 실수열의 극한에 대해서도 성립한다. 일본의 대학 입시 업계에서는 이 주장을 샌드위치 정리라고 부르는 경우가 많다. 일본의 고등학교 교육에서는 직관에 의존하는 극한 개념만을 다루기 때문에 "증명 없이 사용해도 좋은 사실"로 되어 있지만, ε-δ 논법에 의해 극한을 정식화하면, 함수와 수열에 대해 개별적으로 증명이 가능하다. 영어에서는 squeeze theorem, pinching theorem, sandwich theorem 등으로 불린다.
이탈리아나 러시아에서는 "두 명의 경찰관 정리"로 알려져 있으며, 다음과 같은 비유와 함께 소개된다. ''죄수가 두 명의 경찰관에게 샌드위치처럼 끼여 있다면, 두 명의 경찰관이 방에 들어갈 때, 죄수도 필연적으로 그 방에 들어가게 된다.''
세 개의 실숫값 함수 에 대해, 항상 이고,
:
(는 상수)라면,
:
가 성립한다.
대소 관계는 가 충분히 큰 부분에서만 성립하면 된다. 위는 에서의 극한에 대한 주장이지만, 의 경우나, 어떤 실수 에 대한 의 경우의 극한에 대해서도 동일한 주장이 성립한다. 의 경우에는 가 충분히 작은 부분에서, 의 경우에는 에 가까운 부분(정확히는 를 포함하는 어떤 열린 구간)에서 대소 관계가 성립하면 된다.
4. 증명
하극한과 상극한을 취하면 다음과 같다.
:
따라서 모든 부등식은 실제로 등식이며, 이로부터 바로 결론이 도출된다.
직접 증명은 모든 양의 실수 ε|엡실론영어에 대해, 인 모든 x|엑스영어에 대해 를 만족하는 양의 실수 δ|델타영어가 존재함을 보이는 것이다. 기호로 나타내면 다음과 같다.
:
이에 대한 자세한 증명은 하위 섹션에서 확인할 수 있다.
4. 1. 함수의 극한에 대한 증명
모든 양의 실수 에 대하여:
5. 유사한 명제
가두기 정리는 극한이 유한한 값을 가질 때 성립했지만, 극한이 +∞ 또는 -∞인 경우에도 비슷한 명제가 성립한다. 예를 들어, 수열에 관해서는 다음 명제들이 성립한다.
- 충분히 큰 ''n''에 대해 ''a''|a영어 ≤ ''b''|b영어이고, ''a''이 +∞로 발산하면, ''b''도 +∞로 발산한다.
- 충분히 큰 ''n''에 대해 ''a}} ≤ ''b}}이고, ''b}}이 -∞로 발산하면, ''a}}도 -∞로 발산한다.
이러한 사실은 수학적으로 특히 중요하지 않지만, 일본의 대학 입시 업계에서는 '''밀어내기 원리'''라는 이름으로 소개되는 경우가 있다[4]. 일반적인 해석학의 틀 내에서는 가두기 정리와 밀어내기 원리는 별도로 증명해야 하며, 둘 사이에 수학적인 의존 관계는 없다.
6. 예제
샌드위치 정리를 사용하여 극한을 구하는 예시들은 다음과 같다.
\lim_{x\to 0}x^2\sin\frac1x 은 샌드위치 정리에 의해 0이다.\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1 이다.[2]\lim_{n\to\infty}\left(\frac{1}{n^2+1}+\frac{2}{n^2+2}+\frac{3}{n^2+3}+\cdots+\frac{n}{n^2+n}\right)=\frac12 이다.\lim_{p\to\infty}\left(\frac{a_1^p+a_2^p+\cdots+a_n^p}{n}\right)^{\frac1p}=\max_{1\le i\le n}a_i 이다.- 다변수 함수의 경우,
\lim_{(x,y) \to (0, 0)} \frac{x^2 y}{x^2+y^2} = 0 이다.[3]
이 외에도 조임 정리는
:
\begin{align}
& \lim_{x\to 0} \frac{1 - \cos x}{x} = 0.
\end{align}
와 같은 극한을 증명하는데 사용될 수 있다.
또한, 조임정리를 통하여
:
임을 보일 수 있다.
오른쪽 그림에서 원의 두 음영 영역 중 작은 영역의 면적은
:
반지름이 이고 단위 원의 호의 길이가 이기 때문이다. 마찬가지로 두 음영 영역 중 큰 영역의 면적은
:
그 사이에 조여진 것은 밑변이 두 점을 끝점으로 하는 수직선인 삼각형이다. 삼각형 밑변의 길이는 이고 높이는 1이다. 따라서 삼각형의 면적은
:
다음 부등식으로부터
:
다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
:
일 경우, 이면 부등호의 방향이 바뀐다. 첫 번째와 세 번째 식이 일 때 에 접근하고 중간 식이
6. 1. 예제 1
:
더 나아가, 임의의 무한소(0을 극한으로 하는 함수)와 유계 함수의 곱은 여전히 무한소이다.

\lim_{x \to a}f(x) \cdot \lim_{x \to a}g(x),
을 통해 결정될 수 없다. 왜냐하면
이 존재하지 않기 때문이다.
하지만, 사인 함수의 정의에 의해,
따라서
6. 2. 예제 2
:이는 임의의
:
& A(\triangle ADB) & \leq & A(\text{sector } ADB) & \leq & A(\triangle ADF) \\[4pt]
\Rightarrow & \frac{1}{2} \cdot \sin x \cdot 1 & \leq & \frac{x}{2\pi} \cdot \pi & \leq & \frac{1}{2} \cdot \tan x \cdot 1 \\[4pt]
\Rightarrow & \sin x & \leq & x & \leq & \frac{\sin x}{\cos x} \\[4pt]
\Rightarrow & \frac{\cos x}{\sin x} & \leq & \frac{1}{x} & \leq & \frac{1}{\sin x} \\[4pt]
\Rightarrow & \cos x & \leq & \frac{\sin x}{x} & \leq & 1
\end{array}
따라서 샌드위치 정리에 의해 다음이 성립한다.[2]
:
6. 3. 예제 3
이는 다음과 같은 분석을 통해 얻어진다.
& \frac12 \\
= & \frac{1}{n^2+n}+\frac{2}{n^2+n}+\frac{3}{n^2+n}+\cdots+\frac{n}{n^2+n} \\
< & \frac{1}{n^2+1}+\frac{2}{n^2+2}+\frac{3}{n^2+3}+\cdots+\frac{n}{n^2+n} \\
< & \frac{1}{n^2+1}+\frac{2}{n^2+1}+\frac{3}{n^2+1}+\cdots+\frac{n}{n^2+1} \\
= & \frac{n^2+n}{2n^2+2}
\end{array}
양끝의 수열이 모두
6. 4. 예제 4
:이므로
:
또한 극한
:
의 값이 1임에 따라 부등식 양옆의 함수의 극한은 모두
:
6. 5. 예제 5 (다변수)
조임 정리는 다변수 미적분학에서도 여전히 사용될 수 있다. 하한 함수(및 상한 함수)는 경로를 따라뿐만 아니라 관심 지점의 전체 주변 지역에서 대상 함수 아래(및 위)에 있어야 하며, 함수가 실제로 그 지점에서 극한을 가질 때만 작동한다. 따라서, 함수가 한 점에서 극한을 갖는다는 것을 증명하는 데 사용될 수 있지만, 함수가 한 점에서 극한을 갖지 않는다는 것을 증명하는 데는 결코 사용될 수 없다.[3]:
는 그 점을 지나는 어떤 수의 경로를 따라 극한을 취함으로써 찾을 수 없지만,
:
& 0 & \leq & \displaystyle \frac{x^2}{x^2+y^2} & \leq & 1 \\[4pt]
- |y| \leq y \leq |y| \implies & -|y| & \leq & \displaystyle \frac{x^2 y}{x^2+y^2} & \leq & |y| \\[4pt]
{
{\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0, 0)} -|y| = 0} \atop
{\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0, 0)} \ \ \ |y| = 0}
} \implies & 0 & \leq & \displaystyle \lim_{(x,y) \to (0, 0)} \frac{x^2 y}{x^2+y^2} & \leq & 0
\end{array}
따라서 조임 정리에 의해,
:
참조
[1]
서적
Basic Real Analysis
https://books.google[...]
Birkhäuser
2003
[2]
서적
Vorstufe zur höheren Mathematik
Springer
2013
[3]
서적
Multivariable Calculus
2008
[4]
서적
大学への数学 III&C
研文書院
2005
[5]
서적
Calculus(Metric International Version, 6th Edition)
Brooks/Cole, Cengage Learning
2009
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