문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

절대수렴과 조건수렴

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

CLP-2 · 3.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

이 문제의 두 부분은 모두 급수 S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 에 관한 것입니다.

(a) 급수 SS 가 절대수렴함을 보이세요. (b) 급수 SS 를 제5 부분합 S5S_5 로 근사한다고 하자. 이 근사로 생기는 오차의 상한을 구하세요.

영어 원문 보기

Both parts of this question concern the series S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3}.

(a) Show that the series SS converges absolutely. (b) Suppose that you approximate the series SS by its fifth partial sum S5S_5. Give an upper bound for the error resulting from this approximation.

정답·풀이 보기

(a)

  • 풀이 1: 다음 급수가 수렴함을 보이면 된다. ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 일반항에서 nn 을 xx 로 바꾸면 f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3} 이고, 이는 적분할 수 있다. (u=x3u=x^3 으로 치환하면 된다.) 따라서 적분판정법을 써 보자. 먼저 f(x)f(x) 가 양이고 감소함을 확인해야 한다. 양인 것은 분명하다. 감소하는지 판단하기 위해 계산하면

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

이고, 이는 x≥1x\ge1 에서 음수이다. 따라서 f(x)f(x) 는 x≥1x\ge1 에서 감소하므로 적분판정법을 적용할 수 있다. 치환 u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x 를 쓰면

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C \end{aligned}

을 얻는다. 그러므로

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

이다. 적분이 수렴하므로 급수 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 은 수렴하고, 따라서 급수 ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 은 절대수렴한다.

  • 풀이 2: 다른 방법으로, an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3} 으로 놓고 비판정법을 쓸 수 있다. 계산하면

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1 \end{aligned}

이므로 급수는 절대수렴한다.

  • 풀이 3: 또 다른 방법으로, 극한비교판정법을 쓸 수 있다. 먼저 직관을 조금 쌓아 보자. 우리는 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 이 수렴함을 보여야 한다는 것을 떠올리자. 이 급수의 nn 번째 항은

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

이다. 이것은 분자와 분모가 모두 nn 에 따라 커지는 비이다. 지수함수는 거듭제곱보다 훨씬 빠르게 커진다는 것이 좋은 경험 법칙이다. 예를 들어 n=10n=10 이면 분자는 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 이고 분모는 약 2×104342\times 10^{434} 이다. 그래서 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 ana_n 이 0 으로 간다고 짐작할 수 있다. 문제는 “ana_n 이 nn 에 따라 우리 급수가 수렴할 만큼 충분히 빠르게 0 으로 가는가?”이다. 예를 들어 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} 은 (p=2p=2 인 pp 판정법에 의해) 수렴한다는 것을 알고 있다. 그러므로 ana_n 이 1n2\frac{1}{n^2} 보다 더 빠르게 0 으로 가면 우리 급수는 수렴한다. 그러면 an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} 과 bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2} 으로 극한비교판정법을 써 보자.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

로피탈의 정리를 두 번 쓰면,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3로피탈의 정리에 의해=lim⁡x→∞32xex3식을 정리함=lim⁡x→∞323x2ex3로피탈의 정리를 다시 적용=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리에 의해} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{식을 정리함} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리를 다시 적용} \\ &=0 \end{aligned}

이다. 이제 극한비교판정법에 의해 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n 은 수렴한다.

(b) (a)에서 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} 이 양이고 감소함을 보았다. 이 수열의 극한은 00 이다. ((a)의 풀이 3의 끝에서 했던 것처럼 로피탈의 정리로 보일 수 있다.) 따라서 교대급수판정법을 쓸 수 있고, 무한합 S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} 을 처음 NN 개 항의 합 SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n 으로 근사할 때 생기는 오차는 00 과 처음으로 생략된 항 aN+1a_{N+1} 사이에 있다. 55 개의 항을 쓰면 오차는 다음을 만족한다.

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • Solution 1: We need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. If we replace nn by xx in the summand, we get f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3}, which we can integate. (Just substitute u=x3u=x^3.) So let's try the integral test. First, we have to check that f(x)f(x) is positive and decreasing. It is certainly positive. To determine if it is decreasing, we compute

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

which is negative for x≥1x\ge1. Therefore f(x)f(x) is decreasing for x≥1x\ge1, and the integral test applies. The substitution u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x, yields

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C.\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C. \end{aligned}

Therefore

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

Since the integral is convergent, the series ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges and the series ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} converges absolutely.

  • Solution 2: Alternatively, we can use the ratio test with an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3}. We calculate

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1,\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1, \end{aligned}

and therefore the series converges absolutely.

  • Solution 3: Alternatively, alternatively, we can use the limiting comparison test. First a little intuition building. Recall that we need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. The nthn^{\rm th} term in this series is

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

It is a ratio with both the numerator and denominator growing with nn. A good rule of thumb is that exponentials grow a lot faster than powers. For example, if n=10n=10 the numerator is 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 and the denominator is about 2×104342\times 10^{434}. So we would guess that ana_n tends to zero as n→∞n\rightarrow\infty. The question is “does ana_n tend to zero fast enough with nn that our series converges?”. For example, we know that ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} converges (by the pp–test with p=2p=2). So if ana_n tends to zero faster than 1n2\frac{1}{n^2} does, our series will converge. So let's try the limiting convergence test with an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} and bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2}.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

By l'Hopital's rule, twice,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3by l’Hoˆpital=lim⁡x→∞32xex3just cleaning up=lim⁡x→∞323x2ex3by l’Hoˆpital, again=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{just cleaning up} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital, again} \\ &=0 \end{aligned}

That's it. The limit comparison test now tells us that ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n converges.

(b) In part (a) we saw that 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} is positive and decreasing. The limit of this sequence equals 00 (as can be shown with l'Hopital's Rule, just as we did at the end of the third solution of part (a)). Therefore, we can use the alternating series test, so that the error made in approximating the infinite sum S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} by the sum of its first NN terms, SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n, lies between 00 and the first omitted term, aN+1a_{N+1}. If we use 55 terms, the error satisfies

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.4절 · 12번우리말 번역

급수 ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} 이 수렴함을 보이세요.

다 풀었으면 정답 확인

이 급수의 항은 음수일 때도 있고 양수일 때도 있다. 그러나 부호가 엄밀하게 번갈아 나타나지는 않으므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 대신 직접 비교판정법을 이용하여 이 급수가 절대수렴함을 보인다.

∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣≤1+1+122n=52n+1\begin{aligned} \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| \le\frac{1 + 1 +\tfrac12}{2^n} =\frac{5}{2^{n+1}} \end{aligned}

급수 ∑n=1∞52n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{5}{2^{n+1}} 은 공비가 r=12r=\frac{1}{2} 인 등비급수이므로 수렴한다. 직접 비교판정법에 의해 ∑n=1∞∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| 도 수렴한다. 따라서 ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} 은 절대수렴하므로 수렴한다.

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# 절대수렴과 조건수렴증명·논술도전자동 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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