문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 수렴과 발산

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CLP-2 · 3.1절 · 21번우리말 번역

수열 {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the limit of the sequence {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} .

정답·풀이 보기

먼저 상황을 정리해 보자. n→∞n \to \infty 일 때 sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 이므로 log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty 이다. 그런데 log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty 이다. 따라서 두 부분이 수열의 항을 서로 다른 방향으로 끌어당기는 상황이 되어 판단하기 어렵다. ("−∞+∞=0-\infty+\infty=0" 과 같은 결론을 내릴 수 없음을 떠올리자.)

로그의 성질을 이용하여 더 명확하게 살펴보자.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

그래도 여전히 부정형이다. 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) 은 한없이 커지는 2n2n 과 0에 가까워지는 sin⁡(1/n)\sin(1/n) 의 곱이기 때문이다. 앞에서 우리는 (약간의 식 변형 후) 로피탈의 정리로 부정형 0⋅∞0\cdot\infty 를 다룰 수 있음을 배웠지만, 더 간단한 방법이 있다. n→∞n \to \infty 일 때 1/n→01/n \to 0 임에 주목하자. 1n=x\frac{1}{n}=x 로 놓으면, 이 극한의 한 부분이 익숙한 꼴이 된다.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)n→∞ 이면 x=1n→0 이다.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xx이 극한은 익숙하다:=2(1)=2그러면:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{$n \to \infty$ 이면 $x = \frac{1}{n}\to 0$ 이다.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{이 극한은 익숙하다:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{그러면:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

참고: lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1 임을 잊었다면, 이 극한도 로피탈의 정리를 이용하여 구할 수 있다.

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's take stock: sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 as n→∞n \to \infty, so log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty. However, log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty. So, we have some tension here: the two pieces behave in ways that pull the terms of the sequence in different directions. (Recall we cannot conclude anything like “−∞+∞=0-\infty+\infty=0.")

We try using logarithm rules to get a clearer picture.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

Still, we have indeterminate behaviour: 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) is the product of 2n2n, which grows without bound, and sin⁡(1/n)\sin(1/n), which approaches zero. In the past, we learned that we can handle the indeterminate form 0⋅∞0\cdot\infty with l'Hopital's rule (after a little algebra), but there's a slicker way. Note 1/n→01/n \to 0 as n→∞n \to \infty. If we write 1n=x\frac{1}{n}=x, then this piece of our limit resembles something familiar.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)If n→∞, then x=1n→0.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xxThat limit is familiar:=2(1)=2Then:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{If $n \to \infty$, then $x = \frac{1}{n}\to 0$.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{That limit is familiar:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{Then:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

Note: if you have forgotten that lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1, you can also evaluate this limit using l'Hopital's rule:

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제APEX · 8.1절 · 1번우리말 번역

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