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 · 39번대학 수준우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 이유와 함께 판단하세요.

(a) 1+13+15+17+19+⋯1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots. (b) ∑n=1∞2n+122n+1{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{2^{2n+1}}}

영어 원문 보기

Determine, with explanation, whether each of the following series converge or diverge.

(a) 1+13+15+17+19+⋯1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots. (b) ∑n=1∞2n+122n+1{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{2^{2n+1}}}

정답·풀이 보기

(a)

  • 풀이 1: 주어진 급수는

1+13+15+17+19+⋯=∑n=1∞an 여기서 an=12n−1\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots =\sum_{n=1}^\infty a_n \text{ 여기서 $a_n=\frac{1}{2n-1}$} \end{aligned}

이다. 먼저 nn 이 매우 클 때 an≈12na_n\approx \frac{1}{2n} 임에 주목하여 직관을 얻자. 급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 은 p=1p=1 인 pp-판정법에 의해 발산함을 안다. 그러므로 bn=1nb_n=\frac{1}{n} 로 놓고 극한비교판정법을 적용하자.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n2n−1=lim⁡n→∞12−1n=12\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{2n-1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{2-\frac{1}{n}} =\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로, 급수 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하기 위한 필요충분조건은 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 이 수렴하는 것이다. 따라서 주어진 급수는 발산한다.

  • 풀이 2: 급수

1+13+15+17+19+⋯≥12+14+16+18+110+⋯=12(1+12+13+14+15+⋯)\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots &\ge \frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}+\frac{1}{10}+\cdots \\ &=\frac{1}{2}\Big(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\cdots\Big) \end{aligned}

괄호 안의 급수는 조화급수이며, p=1p=1 인 pp-판정법에 의해 발산함을 안다. 따라서 오른쪽 변의 급수는 발산한다. 직접 비교판정법에 의해 왼쪽 변의 급수도 발산한다.

(b) an=(2n+1)22n+1a_n=\dfrac{(2n+1)}{2^{2n+1}} 로 놓고 비판정법을 사용하자.

an+1an=(2n+3)22n+322n+1(2n+1)=14(2n+3)(2n+1)=14(2+3/n)(2+1/n)→14<1 (n→∞일 때)\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+3)}{2^{2n+3}}\frac{2^{2n+1}}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2n+3)}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2+3/n)}{(2+1/n)} \rightarrow \frac{1}{4}<1\text{ (}n\rightarrow\infty\text{일 때)} \end{aligned}

이므로 급수는 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • Solution 1: The given series is

1+13+15+17+19+⋯=∑n=1∞an with an=12n−1\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots =\sum_{n=1}^\infty a_n \text{ with $a_n=\frac{1}{2n-1}$} \end{aligned}

First we'll develop some intuition by observing that, for very large nn, an≈12na_n\approx \frac{1}{2n}. We know that the series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} diverges by the pp–test with p=1p=1. So let's apply the limit comparison test with bn=1nb_n=\frac{1}{n}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n2n−1=lim⁡n→∞12−1n=12\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{2n-1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{2-\frac{1}{n}} =\frac{1}{2} \end{aligned}

the series ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n converges if and only if the series ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n converges. So the given series diverges.

  • Solution 2: The series

1+13+15+17+19+⋯≥12+14+16+18+110+⋯=12(1+12+13+14+15+⋯)\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots &\ge \frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}+\frac{1}{10}+\cdots \\ &=\frac{1}{2}\Big(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\cdots\Big) \end{aligned}

The series in the brackets is the harmonic series which we know diverges, by the pp–test with p=1p=1. So the series on the right hand side diverges. By the direct comparison test, the series on the left hand side diverges too.

(b) We'll use the ratio test with an=(2n+1)22n+1a_n=\dfrac{(2n+1)}{2^{2n+1}}. Since

an+1an=(2n+3)22n+322n+1(2n+1)=14(2n+3)(2n+1)=14(2+3/n)(2+1/n)→14<1 as n→∞\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+3)}{2^{2n+3}}\frac{2^{2n+1}}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2n+3)}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2+3/n)}{(2+1/n)} \rightarrow \frac{1}{4}<1\text{ as }n\rightarrow\infty \end{aligned}

the series converges.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.3절 · 25번우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요: ∑k=0∞2k3k+2\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}.

다 풀었으면 정답 확인

이 급수는 거의 등비급수의 꼴이다. 먼저 거듭제곱이 k+2k+2 가 아니라 kk 가 되어야 하는데, 3k+2=3k32=9⋅323^{k+2}=3^k3^2=9\cdot3^2 임에 주목하면 다음과 같다.

∑k=0∞2k3k+2=∑k=0∞2k9⋅3k=19∑k=0∞2k3k=19∑k=0∞(23)k이제 r=23 인 등비급수처럼 보인다=19(11−(2/3))=13\begin{aligned} \sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}&=\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{9\cdot3^k} =\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^k}=\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\left(\frac{2}{3}\right)^k \\ \text{이제 $r=\frac{2}{3}$ 인 등비급수처럼 보인다} \\ &=\frac{1}{9}\left(\frac{1}{1-(2/3)}\right)=\frac{1}{3} \end{aligned}

결론: 이 (등비)급수는 수렴하고, 그 합은 13\dfrac{1}{3} 이다.

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

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