
함수의 연속이란 무엇일까요? 흔히 함수의 연속은 함수가 '이어져 있다'고 생각할 수 있습니다. 이 말은 틀리지 않습니다. 원래 '연속'이란 '이어진 함수'라는 개념을 수학적으로 표현하고자 하는 시도로부터 나온 개념입니다. 정의도 구멍이 난 곳이 없어야 하므로 극한값이 함숫값과 같아야 합니다.
그런데 이러한 정의는 '이어져 있다'라는 성질을 완벽히 표현하지는 못합니다. 예를 들어 유리수에서는
많은 경우에 연속함수들은 이어져 있는 모양을 가지며, 고등학교 과정에서 다루지 않는 이러한 특이한 경우를 제외한다면 '이어져 있다'라는 개념을 통해 연속함수의 다양한 성질을 손쉽게 유도할 수 있습니다. 예를 들어 연속함수들에 대해서는 덧셈, 뺄셈, 곱셈을 해도 이어져 있다는 것을 어렵지 않게 이해할 수 있습니다. 나아가 분모가
도 연속이다. 도 연속이다. 도 연속이다. (단, ) - 역함수가 존재한다면,
도 연속이다. - 함수가 잘 정의된다면,
도 연속이다.
하지만 연속함수의 정의가 '이어져 있음'을 의미하지 않는다면 연속함수는 왜 배우는 것일까요? 개인적으로 연속함수가 갖는 가장 큰 성질은 정의를 들여다보면 나온다고 생각합니다. 바로 극한과 연속성이 서로 교환될 수 있다는 점이죠.
예를 들어 다항함수, 지수함수, 로그함수, 삼각함수에서의 극한 문제가 나왔다고 해보겠습니다. 여러분들은 이 극한 문제를 어떻게 푸시나요? 교과서에서는 그래프를 그린 후에
하지만 우리는 그렇지 않죠. 아마 무의식적으로 숫자를 대입할 것입니다. 왜 그래도 상관없을까요? 왜냐하면 다항함수, 지수함수, 로그함수, 삼각함수는 모두 연속함수이므로 함수를 무시하고
물론 해석학적으로는
연속 함수와 불연속 함수의 연산
앞서 보았듯 연속함수끼리 연산한다면 연속함수의 성질에 의해 당연하게 연속임을 알 수 있습니다. 그런데 연속함수와 불연속 함수를 연산하면 연속일까요? 아니면 불연속일까요? 만약 일반적으로 연속이거나 불연속이라면 '정리'나 '성질'로 배웠겠지만 그렇지 않은 것을 보면 불연속 함수와의 연산을 하면 어떻게 되는지는 주어진 함수의 조건에 따라 다르다는 것을 알 수 있습니다. 그렇다면 불연속함수와 연속함수의 연산에서 연속함수가 되는지 판별하는 규칙은 없을까요? 구체적인 예시로 조건을 찾아보겠습니다. 예를 들어 다음과 같이 열린구간
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.8]
% Axis
\draw[->] (-2.5,0) -- (2.5,0) node[right] {$x$};
\draw[->] (0,-1.3) -- (0,1.3) node[above] {$y$};
% Ticks
\foreach \x in {-2,-1,1,2}
\draw (\x,1pt) -- (\x,-3pt)
node[anchor=north] {$\x$};
\foreach \y in {-1,1}
\draw (1pt,\y) -- (-3pt,\y)
node[anchor=east] {$\y$};
\filldraw (0,0) node[below left] {$O$};
% Function f(x)
\draw[blue, line width=2pt] (-2,1) -- (-1,0);
\draw[blue, line width=2pt] (-1,0) -- (1,0);
\draw[blue, line width=2pt] (1,0) -- (2,1);
\filldraw[blue] (-2,1) circle (2pt);
\filldraw[blue] (2,1) circle (2pt);
\draw[dashed] (-2,1) -- (2,1);
\draw[dashed] (-2,0) -- (-2,1);
\draw[dashed] (2,0) -- (2,1);
\node at (0, -1.6) {$f(x)$};
% Function g(x)
\begin{scope}[shift={(5.5,0)}]
\draw[->] (-2.5,0) -- (2.5,0) node[right] {$x$};
\draw[->] (0,-1.3) -- (0,1.3) node[above] {$y$};
% Ticks
\foreach \x in {-2,-1,1,2}
\draw (\x,1pt) -- (\x,-3pt)
node[anchor=north] {$\x$};
\foreach \y in {-1,1}
\draw (1pt,\y) -- (-3pt,\y)
node[anchor=east] {$\y$};
\filldraw (0,0) node[below left] {$O$};
% Function g(x)
\draw[orange, line width=2pt] (-2,0) -- (-1,0);
\draw[orange, line width=2pt] (-1,0) -- (0,-1);
\draw[orange, line width=2pt] (0,1) -- (1,0);
\draw[orange, line width=2pt] (1,0) -- (2,0);
\filldraw[orange] (-2,0) circle (2pt);
\filldraw[orange] (2,0) circle (2pt);
\filldraw[orange] (0,0) circle (2pt);
\filldraw[orange] (0,1) circle (2pt);
\filldraw[orange] (0,-1) circle (2pt);
\filldraw[white] (0,1) circle (1.5pt);
\filldraw[white] (0,-1) circle (1.5pt);
\node at (0, -1.6) {$g(x)$};
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\end{document}
연속함수와 불연속함수의 곱셈
따라서 두 함수의 곱함수
발산하는 불연속 함수와의 곱셈
난이도를 살짝만 올려보겠습니다. 다음과 같은 문제에서
함수
에 대하여 함수 가 모든 실수에서 연속이게 하는 다항함수 의 조건을 구해보자.
앞서 배운 대로 이 문제는 곱함수의 연속성을 묻는 질문이므로
예를 들어
입니다. 이 함수는
연속함수와 불연속함수의 합성
다음으로 연속함수와 불연속함수를 합성하면 어떻게 될까요? 연속은 교환법칙이 성립하지 않으므로 두 가지 경우가 있습니다.
그런데, 곱함수처럼 합성에서도 더 빠르게 판단할 수 있는 방법은 없을까요?
반대로
그러나 모든 점에서의 연속성에 대해 빨리 판단하고 싶다면 그래프를 그려서 전체적으로 판단하면 좋습니다. 합성함수의 그래프를 따라 그린다면
마무리하며
연속함수의 개념은 수학에서 매우 중요한 역할을 합니다. 이는 단순히 함수의 '이어져 있음'을 의미하는 것 이상의 의미를 지닙니다. 연속함수를 통해 우리는 극한값과 함수값을 쉽게 교환할 수 있으며, 이를 이용해 복잡한 문제를 보다 간단하게 해결할 수 있습니다.
연속함수와 불연속함수의 조합에서 나타나는 다양한 성질과 예외적인 경우들을 통해 수학의 흥미로운 측면을 발견하고, 이러한 개념들을 바탕으로 더 복잡한 문제를 해결할 수 있는 능력을 기르는 것이 중요합니다. 수학의 여러 개념들이 서로 어떻게 연결되고 상호작용하는지를 이해하는 과정에서 연속성의 개념은 중요한 역할을 합니다.

You know what's cooler than magic? Math.
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