문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

비교 판정법

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

CLP-2 · 3.3절 · 30번대학 수준우리말 번역

∑n=1∞e−nn{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}} 은 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Does ∑n=1∞e−nn{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}} converge or diverge?

정답·풀이 보기

늘 하던 대로 “쉬운" 판정법이 통하는지 먼저 살펴보자. 더하는 항들은 0으로 수렴한다. lim⁡n→∞e−nn=lim⁡n→∞1nen=0\lim_{n \to \infty}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{\sqrt{n}e^{\sqrt{n}}}=0 따라서 발산판정법으로는 판정할 수 없다. 주어진 급수는 등비급수가 아니고, 등비급수와 비교하는 방법도 분명하지 않다. 그러나 더하는 항들은 적분 가능한 함수를 이룰 것처럼 보인다.

f(x)=e−xxf(x)=\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} 라 하자. x≥1x\ge1 에서 이 함수는 양수이고 감소한다 (양수이면서 감소하는 두 함수 e−xe^{-\sqrt x} 와 1x\frac1{\sqrt x} 의 곱이기 때문이다). 이 함수에 적분판정법을 쓴다. u=xu=\sqrt x 로 치환하면 du=12x dx\mathrm{d}u = \frac1{2\sqrt x}\,\mathrm{d}x 이므로 다음을 얻는다.

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1R(e−xx dx)=lim⁡R→∞(∫1Re−u⋅2 du)=lim⁡R→∞(−2e−u∣1R)=lim⁡R→∞(−2e−R+2e−1)=0+2e−1,\begin{aligned} \int_1^\infty f(x)\,\mathrm{d}x &=\lim_{R\rightarrow\infty}\int_1^R \bigg( \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( \int_1^{\sqrt{R}} e^{-u}\cdot2\,\mathrm{d}u \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-u}\Big|_1^{\sqrt{R}} \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-\sqrt R} + 2e^{-\sqrt1} \bigg) = 0 + 2e^{-1}, \end{aligned}

따라서 이 이상적분은 수렴한다. 적분판정법에 의해 주어진 급수도 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

As usual, let's see whether the “easy" tests work. The terms we're adding converge to zero: lim⁡n→∞e−nn=lim⁡n→∞1nen=0\lim_{n \to \infty}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{\sqrt{n}e^{\sqrt{n}}}=0 so the divergence test is inconclusive. Our series isn't geometric, and it doesn't seem obvious how to compare it to a geometric series. However, the terms we're adding seem like they would make an integrable function.

Set f(x)=e−xxf(x)=\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}. For x≥1x\ge1, this function is positive and decreasing (since it is the product of the two positive decreasing functions e−xe^{-\sqrt x} and 1x\frac1{\sqrt x}). We use the integral test with this function. Using the substitution u=xu=\sqrt x, so that du=12x dx\mathrm{d}u = \frac1{2\sqrt x}\,\mathrm{d}x, we see that

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1R(e−xx dx)=lim⁡R→∞(∫1Re−u⋅2 du)=lim⁡R→∞(−2e−u∣1R)=lim⁡R→∞(−2e−R+2e−1)=0+2e−1,\begin{aligned} \int_1^\infty f(x)\,\mathrm{d}x &=\lim_{R\rightarrow\infty}\int_1^R \bigg( \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( \int_1^{\sqrt{R}} e^{-u}\cdot2\,\mathrm{d}u \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-u}\Big|_1^{\sqrt{R}} \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-\sqrt R} + 2e^{-\sqrt1} \bigg) = 0 + 2e^{-1}, \end{aligned}

and so this improper integral converges. By the integral test, the given series also converges.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.3절 · 8번우리말 번역

다음 추론을 타당하지 않게 만드는 결함은 무엇인가요?

문제: ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(\sin(\pi n)+2\right) 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

답: 적분 판정법을 사용한다. f(x)=sin⁡(πx)+2f(x)=\sin(\pi x)+2 라 하자. sin⁡(x)+2≥−1+2=1\sin(x)+2 \geq -1+2 =1 이므로 f(x)f(x) 는 항상 양수임에 유의한다. 또한 f(x)f(x) 는 연속이다.

∫1∞[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞∫1b[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πx)+2x∣1b]=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πb)+2b+1π(−1)−2]=∞\begin{aligned} \int_1^\infty [\sin(\pi x)+2] dx &= \lim_{b \to \infty}\int_1^b [\sin(\pi x)+2 ]dx\\ &=\lim_{b \to \infty} \left[\left.-\frac{1}{\pi}\cos(\pi x)+2x \right|_1^b\right]\\ &=\lim_{b \to \infty}\left[ -\frac{1}{\pi}\cos(\pi b)+2b +\frac{1}{\pi}(-1)-2\right]\\ &=\infty \end{aligned}

적분 판정법에 의해 적분이 발산하므로 ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left( \sin(\pi n)+2\right) 도 발산한다.

다 풀었으면 정답 확인

f(x)f(x) 가 감소하지 않으므로 적분 판정법을 적용할 수 없다.

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# 비교 판정법계산보통자동 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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