문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 수렴과 발산

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-2 · 3.1절 · 9번우리말 번역

{an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^\infty 을 an=cos⁡na_n = \cos n 으로 정의된 수열이라 하자.

(a) π\pi 의 홀수 배와의 차가 0.1 이내인 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하고, 그에 대응하는 ana_n 의 값을 구하세요. (b) ana_n 이 00 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요. (c) ana_n 이 11 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요.

참고: 이 문제는 엄밀하지는 않지만 직관적으로 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않는 이유를 보여 준다. 수열에서 −1-1 에 가까운 항이 계속해서 나타나고, 00 에 가까운 항도 계속해서 나타난다. 이를 {cos⁡(2πn)}\big\{\cos(2\pi n)\big\} 과 같은 수열과 비교해 보자. 이 수열의 항은 언제나 1 이므로 극한도 1 이다. 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않음을 보일 수 있다. 풀이를 참고하세요.

영어 원문 보기

Let {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^\infty be a sequence defined by an=cos⁡na_n = \cos n.

(a) Give three different whole numbers nn that are within 0.1 of an odd integer multiple of π\pi, and find the corresponding values of ana_n. (b) Give three different whole numbers nn such that ana_n is close to 00. Justify your answers. (c) Give three different whole numbers nn such that ana_n is close to 11. Justify your answers.

Remark: this demonstrates intuitively, though not rigorously, why lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined. We consistently find terms in the sequence that are close to −1-1, and also consistently find terms in the sequence that are close to 0. Contrast this to a sequence like {cos⁡(2πn)}\big\{\cos(2\pi n)\big\}, whose terms are always 1, and whose limit therefore is 1. It is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined. See the solution.

정답·풀이 보기

(a) π\pi 의 홀수 배 중에서 정수에 가까운 것을 찾고자 한다.

  • 풀이 1: 한 가지 방법은 π\pi 가 227\dfrac{22}{7} 에 꽤 가깝다는 사실을 떠올리는 것이다. 그러면 π\pi 에 7의 배수를 곱하면 정수에 가까운 값이 나온다. 특히 7π7\pi, 21π21\pi, 35π35\pi 는 각각 7(227)=227\left(\dfrac{22}{7}\right)=22, 21(227)=6621\left(\dfrac{22}{7}\right)=66, 35(227)=11035\left(\dfrac{22}{7}\right)=110 에 상당히 가까울 것이다. 충분히 가까운지 확인해 보자.

7π≈21.9921π≈65.9735π≈109.96\begin{aligned} 7\pi&\approx 21.99 &\qquad 21\pi &\approx 65.97 & \qquad 35\pi &\approx 109.96 \end{aligned}

따라서 실제로 2222, 6666, 110110 은 모두 π\pi 의 어떤 홀수 배에서 0.1 이내에 있다.

π\pi 의 홀수 배에서 코사인의 값은 −1-1 이므로, 수열의 값이 모두 −1-1 에 가까울 것으로 예상된다. 계산기를 사용하면 다음과 같다.

a22=cos⁡(22)≈−0.99996,a66=cos⁡(66)≈−0.99965,a110=cos⁡(110)≈−0.99902\begin{aligned}a_{22} &= \cos(22) \approx -0.99996,\\ a_{66} &= \cos(66) \approx -0.99965, \\ a_{110} &= \cos(110) \approx -0.99902 \end{aligned}

  • 풀이 2: 다른 방법으로, 정수에 가까운 것이 세 개 나올 때까지 π\pi 의 홀수 배를 차례로 나열해도 된다. 2k+1(2k+1)π13.1439.42515.71721.99928.271134.561340.841547.121753.411959.692165.972372.262578.542784.822991.113197.3933103.6735109.96\begin{array}{c|c} \hline \mathbf{2k+1}&\mathbf{(2k+1)}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&3.14\\ 3&9.42\\ 5&15.71\\ 7&21.99\\ 9&28.27\\ 11&34.56\\ 13&40.84\\ 15&47.12\\ 17&53.41\\ 19&59.69\\ 21&65.97\\ 23&72.26\\ 25&78.54\\ 27&84.82\\ 29&91.11\\ 31&97.39\\ 33&103.67\\ 35&109.96 \end{array} 앞쪽의 π\pi 의 홀수 배 중 일부(15π15\pi 와 29π29\pi 등)는 정수에 꽤 가깝지만 0.1 이내는 아니다.

(b) 어떤 정수 kk 에 대하여 x=2k+112πx = \dfrac{2k+1}{\vphantom{_1}2}\pi (즉, xx 가 π/2\pi/2 의 홀수 배)이면 cos⁡x=0\cos x =0 이다. 따라서 ana_n 의 처음 몇 개 항을 나열하여 00 에 아주 가까운 것 세 개를 찾거나, 근삿값 π≈2217\pi\approx \dfrac{22\vphantom{^1}}{7} 을 이용하여 2k+12π\dfrac{2k+1}{2}\pi 에 가까운 nn 의 값을 고르면 된다.

  • 풀이 1: 2k+12π≈(2k+1)×222×7=11×2k+17\begin{aligned} \dfrac{2k+1}{2}\pi&\approx \frac{(2k+1)\times 22}{2\times 7}=11\times\frac{2k+1}{7} \end{aligned}

따라서 2k+12k+1 이 7의 배수일 때 그 값이 정수에 가까울 것으로 예상된다. 예를 들어 2k+1=72k+1=7, 2k+1=212k+1=21, 2k+1=352k+1=35 이다.

확인해 보자. xnan 7×πA2≈10.9955711a11≈0.004421×π2≈32.9867233a33≈−0.013335×π2≈54.9778755a55≈0.0221\begin{array}{l| l| l} \qquad\mathbf{x}&\mathbf{n} & \mathbf{a_n}\\ \hline ~7\times \dfrac{\pi\vphantom{^A}}{2}\approx 10.99557 & 11&a_{11}\approx0.0044\\[10pt] 21\times \dfrac{\pi}{2} \approx 32.98672&33&a_{33}\approx-0.0133\\[10pt] 35\times \dfrac{\pi}{2} \approx 54.97787&55& a_{55}\approx 0.0221\\ \end{array} 이 ana_n 의 값들은 모두 00 에 꽤 가까워 보인다.

  • 풀이 2: ana_n 의 처음 몇 개 값을 나열하여 00 에 가까운 것을 찾을 수도 있었다.

nan10.542−0.423−0.994−0.6550.2860.9670.758−0.159−0.9110−0.84\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 1&0.54\\ 2&-0.42\\ 3&-0.99\\ 4&-0.65\\ 5&0.28\\ 6&0.96\\ 7&0.75\\ 8&-0.15\\ 9&-0.91\\ 10&-0.84 \end{array} 이런, 아직 아주 가까운 것이 없다. 더 나은 방법은 2k+12π\frac{2k+1}{2}\pi 의 값을 나열하여 정수에 가까운 것을 찾는 것이다.

2k+12k+12π11.5734.7157.85710.996914.141117.281320.421523.561726.701929.852132.992336.132539.272742.412945.553148.693351.843554.98\begin{array}{c|c} \mathbf{2k+1}&\mathbf{\frac{2k+1}{2}}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&1.57\\ 3&4.71\\ 5&7.85\\ 7&10.996\\ 9&14.14\\ 11&17.28\\ 13&20.42\\ 15&23.56\\ 17&26.70\\ 19&29.85\\ 21&32.99\\ 23&36.13\\ 25&39.27\\ 27&42.41\\ 29&45.55\\ 31&48.69\\ 33&51.84\\ 35&54.98 \end{array} 어느 정도를 “가깝다”고 받아들이느냐에 따라 다르지만, 풀이 1에서 얻은 것과 대체로 같은 후보를 찾을 수 있다.

(c) (a)와 (b)에서 쓴 방법을 그대로 사용할 수 있다. 그러나 cos⁡(n)\cos(n) 이 −1-1 에 가까운 nn 을 이미 알고 있으므로, 다음 삼각함수 항등식을 이용하는 것이 더 쉽다.

cos⁡(2m)=2cos⁡2(m)−1\begin{aligned} \cos(2m) = 2\cos^2(m) -1 \end{aligned}

이 항등식은 cos⁡(m)\cos(m) 이 −1-1 에 가까우면 cos⁡(2m)\cos(2m) 이 +1+1 에 가까움을 보여 준다. 그러므로 n=2m=2×22=44n=2m = 2\times 22=44, 2×66=1322\times 66=132, 2×110=2202\times 110=220 을 시도해 보자. nan440.99981320.99862200.9961\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 44&0.9998\\ 132&0.9986\\ 220&0.9961 \end{array} 조건에 맞는다.

참고: 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않음을 보일 수 있다.

  • 각각의 정수 k≥1k\ge 1 에 대하여 nkn_k 를 2kπ2k\pi 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 2kπ−12≤nk≤2kπ+122k\pi-\frac{1}{2}\le n_k \le 2k\pi+\frac{1}{2} 이므로 cos⁡(nk)≥cos⁡12≥0.8\cos(n_k)\ge\cos\frac{1}{2}\ge 0.8 이다. 따라서 lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c 가 존재한다면 c≥0.8c\ge 0.8 이어야 한다.
  • 각각의 정수 k≥1k\ge 1 에 대하여 nk′n'_k 를 (2k+1)π(2k+1)\pi 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 (2k+1)π−12≤nk′≤(2k+1)π+12(2k+1)\pi-\frac{1}{2}\le n'_k \le (2k+1)\pi+\frac{1}{2} 이므로 cos⁡(nk′)≤−cos⁡12≤−0.8\cos(n'_k)\le-\cos\frac{1}{2}\le -0.8 이다. 따라서 lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c 가 존재한다면 c≤−0.8c\le -0.8 이어야 한다.
  • c≥0.8c\ge 0.8 과 c≤−0.8c\le -0.8 이 동시에 성립할 수는 없으므로 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 은 존재하지 않는다.

참고: 이 문제는 nn 이 정수 전체를 움직일 때 모든 수 cos⁡(n)\cos(n) 의 집합이 갖는 성질도 암시한다. 수학자들은 이 집합이 “구간 [−1,1][-1,1] 에서 조밀하다”고 말한다. 이는 −1≤r≤1-1\le r\le 1 인 어떤 수 rr 을 고르더라도, cos⁡(n)\cos(n) 이 반드시 rr 과 정확히 같지는 않더라도 rr 에 원하는 만큼 가까워지는 정수 nn 이 있다는 뜻이다. 자주 쓰는 검색 엔진에 “cos⁡(n)\cos(n) dense”를 입력하면 더 많은 것을 알아볼 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We want to find odd multiples of π\pi that are close to integers.

  • Solution 1: One way to do that is to remember that π\pi is somewhat close to 227\dfrac{22}{7}. Then when we multiply π\pi by a multiple of 7, we should get something close to an integer. In particular, 7π7\pi, 21π21\pi, and 35π35\pi should be reasonably close to 7(227)=227\left(\dfrac{22}{7}\right)=22, 21(227)=6621\left(\dfrac{22}{7}\right)=66, and 35(227)=11035\left(\dfrac{22}{7}\right)=110, respectively. We check whether they are close enough:

7π≈21.9921π≈65.9735π≈109.96\begin{aligned} 7\pi&\approx 21.99 &\qquad 21\pi &\approx 65.97 & \qquad 35\pi &\approx 109.96 \end{aligned}

So indeed, 2222, 6666, and 110110 are all within 0.1 of some odd multiple of π\pi.

Since the cosine of an odd multiple of π\pi is −1-1, we expect all of the sequence values to be close to −1-1. Using a calculator:

a22=cos⁡(22)≈−0.99996,a66=cos⁡(66)≈−0.99965,a110=cos⁡(110)≈−0.99902\begin{aligned}a_{22} &= \cos(22) \approx -0.99996,\\ a_{66} &= \cos(66) \approx -0.99965, \\ a_{110} &= \cos(110) \approx -0.99902 \end{aligned}

  • Solution 2: Alternately, we could have just listed odd multiple of π\pi until we found three that are close to integers. 2k+1(2k+1)π13.1439.42515.71721.99928.271134.561340.841547.121753.411959.692165.972372.262578.542784.822991.113197.3933103.6735109.96\begin{array}{c|c} \hline \mathbf{2k+1}&\mathbf{(2k+1)}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&3.14\\ 3&9.42\\ 5&15.71\\ 7&21.99\\ 9&28.27\\ 11&34.56\\ 13&40.84\\ 15&47.12\\ 17&53.41\\ 19&59.69\\ 21&65.97\\ 23&72.26\\ 25&78.54\\ 27&84.82\\ 29&91.11\\ 31&97.39\\ 33&103.67\\ 35&109.96 \end{array} Some earlier odd multiples of π\pi (like 15π15\pi and 29π29\pi) get fairly close to integers, but not within 0.1.

(b) If x=2k+112πx = \dfrac{2k+1}{\vphantom{_1}2}\pi for some integer kk (that is, xx is an odd multiple of π/2\pi/2), then cos⁡x=0\cos x =0. So, we can either list out the first few terms of ana_n until we find three that are very close to 00, or we can use our approximation π≈2217\pi\approx \dfrac{22\vphantom{^1}}{7} to choose values of nn that are close to 2k+12π\dfrac{2k+1}{2}\pi.

  • Solution 1: 2k+12π≈(2k+1)×222×7=11×2k+17\begin{aligned} \dfrac{2k+1}{2}\pi&\approx \frac{(2k+1)\times 22}{2\times 7}=11\times\frac{2k+1}{7} \end{aligned}

So, we expect our values to be close to integers when 2k+12k+1 is a multiple of 7. For example, 2k+1=72k+1=7, 2k+1=212k+1=21, and 2k+1=352k+1=35.

We check: xnan 7×πA2≈10.9955711a11≈0.004421×π2≈32.9867233a33≈−0.013335×π2≈54.9778755a55≈0.0221\begin{array}{l| l| l} \qquad\mathbf{x}&\mathbf{n} & \mathbf{a_n}\\ \hline ~7\times \dfrac{\pi\vphantom{^A}}{2}\approx 10.99557 & 11&a_{11}\approx0.0044\\[10pt] 21\times \dfrac{\pi}{2} \approx 32.98672&33&a_{33}\approx-0.0133\\[10pt] 35\times \dfrac{\pi}{2} \approx 54.97787&55& a_{55}\approx 0.0221\\ \end{array} These seem like values of ana_n that are all pretty close to 0.

  • Solution 2: We could have listed the first several values of ana_n, and looked for some that are close to 0.

nan10.542−0.423−0.994−0.6550.2860.9670.758−0.159−0.9110−0.84\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 1&0.54\\ 2&-0.42\\ 3&-0.99\\ 4&-0.65\\ 5&0.28\\ 6&0.96\\ 7&0.75\\ 8&-0.15\\ 9&-0.91\\ 10&-0.84 \end{array} Oof. Nothing very close yet. Maybe a better way is to list values of 2k+12π\frac{2k+1}{2}\pi, and see which ones are close to integers.

2k+12k+12π11.5734.7157.85710.996914.141117.281320.421523.561726.701929.852132.992336.132539.272742.412945.553148.693351.843554.98\begin{array}{c|c} \mathbf{2k+1}&\mathbf{\frac{2k+1}{2}}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&1.57\\ 3&4.71\\ 5&7.85\\ 7&10.996\\ 9&14.14\\ 11&17.28\\ 13&20.42\\ 15&23.56\\ 17&26.70\\ 19&29.85\\ 21&32.99\\ 23&36.13\\ 25&39.27\\ 27&42.41\\ 29&45.55\\ 31&48.69\\ 33&51.84\\ 35&54.98 \end{array} We find roughly the same candidates we did in Solution 1, depending on what we're ready to accept as “close".

(c) One can use the same strategies as we did for parts (a) and (b). But since we already know some nn's with cos⁡(n)\cos(n) close to −1-1, it's easier to use the trig identity

cos⁡(2m)=2cos⁡2(m)−1\begin{aligned} \cos(2m) = 2\cos^2(m) -1 \end{aligned}

This identity shows that if cos⁡(m)\cos(m) is close to −1-1, then cos⁡(2m)\cos(2m) is close to +1+1. So let's try n=2m=2×22=44n=2m = 2\times 22=44, 2×66=1322\times 66=132 and 2×110=2202\times 110=220. nan440.99981320.99862200.9961\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 44&0.9998\\ 132&0.9986\\ 220&0.9961 \end{array} They do the trick.

Remark: it is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined.

  • Let, for each integer k≥1k\ge 1, nkn_k be the integer that is closest to 2kπ2k\pi. Then 2kπ−12≤nk≤2kπ+122k\pi-\frac{1}{2}\le n_k \le 2k\pi+\frac{1}{2} so that cos⁡(nk)≥cos⁡12≥0.8\cos(n_k)\ge\cos\frac{1}{2}\ge 0.8. Consequently, if lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c exists, we must have c≥0.8c\ge 0.8.
  • Let, for each integer k≥1k\ge 1, nk′n'_k be the integer that is closest to (2k+1)π(2k+1)\pi. Then (2k+1)π−12≤nk′≤(2k+1)π+12(2k+1)\pi-\frac{1}{2}\le n'_k \le (2k+1)\pi+\frac{1}{2} so that cos⁡(nk′)≤−cos⁡12≤−0.8\cos(n'_k)\le-\cos\frac{1}{2}\le -0.8. Consequently, if lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c exists, we must have c≤−0.8c\le -0.8.
  • It is impossible to have both c≥0.8c\ge 0.8 and c≤−0.8c\le -0.8, so lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n does not exist.

Remark: This question also hints at a property of the set of all numbers cos⁡(n)\cos(n), with nn running over the integers. Mathematicians say that this set is “dense in the interval [−1,1][-1,1]”. This means that if you pick any number −1≤r≤1-1\le r\le 1, there is an integer nn such that cos⁡(n)\cos(n), while not necessarily being exactly rr, is as close to rr as you like. If you feed “cos⁡(n)\cos(n) dense” into your favourite search engine, you can find out more.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 5.1절 · 59번우리말 번역

[계산기 사용] 어떤 호수에 처음에 물고기가 20002000 마리 있습니다. 포식자나 그 밖의 제거 요인이 없다면 물고기 개체 수는 매달 6%6\% 씩 증가한다고 합시다. 그러나 모든 요인을 고려하면 매달 물고기 150150 마리가 사라집니다.

a. nn 개월 후의 물고기 개체 수가 P0=2000{P}_{0}=2000 일 때 Pn=1.06Pn−1−150{P}_{n}=1.06{P}_{n-1}-150 으로 모형화되는 이유를 설명하세요. b. 1년 후 연못에 물고기가 몇 마리 있게 되는지 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

a. 손실이 없다면 개체 수는 Pn=1.06Pn−1{P}_{n}=1.06{P}_{n-1} 을 따를 것이다. 150150 을 빼는 것은 물고기의 손실을 나타낸다. b. 1212 개월 후에는 P12≈1494{P}_{12}\approx 1494 이다.

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# 수열의 수렴과 발산증명·논술기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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