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 · 41번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞n3−42n5−6n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^3-4}{2n^5-6n} 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series ∑n=1∞n3−42n5−6n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^3-4}{2n^5-6n} is convergent or divergent.

정답·풀이 보기

nn 이 클 때 분자 n3−4≈n3n^3-4\approx n^3 이고 분모 2n5−6n≈2n52n^5-6n\approx 2n^5 이므로, 제nn항은 대략 n32n5=12n2\frac{n^3}{2n^5}=\frac{1}{2n^2} 이다. 따라서 an=n3−42n5−6na_n=\frac{n^3-4}{2n^5-6n} 과 bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2} 에 극한비교판정법을 적용한다.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n3−4)/(2n5−6n)1/n2=lim⁡n→∞1−4n32−6n4=12\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(n^3-4)/(2n^5-6n)}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-\frac{4}{n^3}}{2-\frac{6}{n^4}} =\frac12

이고 이 극한이 존재하며 0이 아니므로, 주어진 급수 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하는 것과 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 이 수렴하는 것은 서로 필요충분조건이다. 급수 ∑n=1∞bn=∑n=1∞1n2\sum\limits_{n=1}^\infty b_n =\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2} 은 수렴하는 pp-급수(p=2p=2)이므로 두 급수 모두 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

For large nn, the numerator n3−4≈n3n^3-4\approx n^3 and the denominator 2n5−6n≈2n52n^5-6n\approx 2n^5, so the nnth term is approximately n32n5=12n2\frac{n^3}{2n^5}=\frac{1}{2n^2}. So we apply the limit comparison test with an=n3−42n5−6na_n=\frac{n^3-4}{2n^5-6n} and bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n3−4)/(2n5−6n)1/n2=lim⁡n→∞1−4n32−6n4=12\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(n^3-4)/(2n^5-6n)}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-\frac{4}{n^3}}{2-\frac{6}{n^4}} =\frac12

exists and is nonzero, the given 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. Since the series ∑n=1∞bn=∑n=1∞1n2\sum\limits_{n=1}^\infty b_n =\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2} is a convergent pp-series (with p=2p=2), both series converge.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.3절 · 40번우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 이유와 함께 판단하세요.

(a) ∑k=2∞k3k2−k{\displaystyle \sum_{k=2}^\infty \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}}. (b) ∑k=1∞k1010k(k!)2(2k)!{\displaystyle \sum_{k=1}^\infty \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!}}. (c) ∑k=3∞1k(log⁡k)(log⁡log⁡k){\displaystyle \sum_{k=3}^\infty \frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}}.

다 풀었으면 정답 확인

(a) 매우 큰 kk 에 대해 k≪k2k\ll k^2 이므로 an=k3k2−k≈k3k2=1k5/3a_n=\frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}\approx \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2} =\frac{1}{k^{5/3}} 이다. bk=1k5/3b_k=\frac{1}{k^{5/3}} 로 하여 극한비교판정법을 적용한다. 다음에서

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k3/(k2−k)1/k5/3=lim⁡k→∞k2k2−k=lim⁡k→∞11−1/k=1\begin{aligned} \lim_{k\rightarrow\infty}\frac{a_k}{b_k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{\sqrt[3]{k}/(k^2-k)}{1/k^{5/3}} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{k^2}{k^2-k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{1}{1-1/k} =1 \end{aligned}

극한이 존재하고 0이 아니며, ∑k=1∞1k5/3\sum\limits_{k=1}^\infty\frac{1}{k^{5/3}} 은 (pp–판정법에서 p=53>1p=\frac{5}{3}>1 이므로) 수렴하므로, 주어진 급수는 극한비교판정법에 의해 수렴한다.

(b) 이 급수의 kthk^{\rm th} 항은 ak=k1010k(k!)2(2k)!a_k= \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!} 이다. 팩토리얼은 비의 꼴에서 깔끔하게 정리되므로 비판정법과 잘 어울리는 경우가 많다.

ak+1ak=(k+1)1010k+1((k+1)!)2(2k+2)!⋅(2k)!k1010k(k!)2=10(k+1k)10(k+1)2(2k+2)(2k+1)=10(1+1k)10(1+1/k)2(2+2/k)(2+1/k)\begin{aligned} \frac{a_{k+1}}{a_k} &=\frac{(k+1)^{10}10^{k+1}((k+1)!)^2}{(2k+2)!}\cdot\frac{(2k)!}{k^{10}10^k(k!)^2} =10\Big(\frac{k+1}{k}\Big)^{10}\frac{(k+1)^2}{(2k+2)(2k+1)}\\ &=10\Big(1+\frac{1}{k}\Big)^{10}\frac{(1+1/k)^2}{(2+2/k)(2+1/k)} \end{aligned}

kk 가 ∞\infty 로 갈 때 이 값은 10×1×12×2>110\times 1\times\frac{1}{2\times 2}>1 에 수렴한다. 따라서 이 급수는 비판정법에 의해 발산한다.

(c) 적분판정법을 사용한다. 이 급수의 kthk^{\rm th} 항은 ak=1k(log⁡k)(log⁡log⁡k)=f(k)a_k=\frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}=f(k) 이고 f(x)=1x(log⁡x)(log⁡log⁡x)f(x)=\frac{1}{x(\log x) (\log\log x)} 은 x≥3x\ge 3 에서 연속이고 양수이며 감소한다.

∫3∞f(x) dx=∫3∞dxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫3Rdxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫log⁡3log⁡Rdyylog⁡y여기서 y=log⁡x, dy=dxx=lim⁡R→∞∫log⁡log⁡3log⁡log⁡Rdtt여기서 t=log⁡y, dt=dyy=lim⁡R→∞[log⁡t]log⁡log⁡3log⁡log⁡R=∞\begin{aligned} \int_3^\infty f(x)\ \mathrm{d}x &= \int_3^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} =\lim_{R\rightarrow\infty} \int_3^R \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} \\[0.1in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_{\log 3}^{\log R} \frac{\mathrm{d}y}{y\log y} &\qquad\text{여기서 }y=\log x,\ \mathrm{d}y=\frac{\mathrm{d}x}{x} \\[0.1in] &= \lim_{R\rightarrow\infty}\int_{\log \log 3}^{\log \log R} \frac{\mathrm{d}t}{t} & \qquad\text{여기서 }t=\log y,\ \mathrm{d}t=\frac{\mathrm{d}y}{y} \\[0.1in] &=\lim_{R \to \infty}\Big[\log t\Big]_{\log \log 3}^{\log\log R}=\infty \end{aligned}

적분이 발산하므로 적분판정법에 의해 이 급수도 발산한다.

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