문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

급수의 수렴과 발산

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

OpenStax 2권 · 5.2절 · 65번우리말 번역

[계산기 사용] a1=S1=1{a}_{1}={S}_{1}=1 이고, 주어진 수 S>1S>1 과 0<k<10<k<1 에 대해 an+1=k(S−Sn){a}_{n+1}=k(S-{S}_{n}), Sn+1=an+1+Sn{S}_{n+1}={a}_{n+1}+{S}_{n} 으로 정의한다고 하자. Sn{S}_{n} 은 수렴하나요? 수렴한다면 어떤 값으로 수렴하는지 구하세요. (힌트: 먼저 모든 nn 에 대해 Sn<S{S}_{n}<S 이고 Sn{S}_{n} 이 증가함을 논증하세요.)

영어 원문 보기

[T] Suppose that a1=S1=1{a}_{1}={S}_{1}=1 and that, for given numbers S>1S>1 and 0<k<1,0<k<1, one defines an+1=k(S−Sn){a}_{n+1}=k(S-{S}_{n}) and Sn+1=an+1+Sn.{S}_{n+1}={a}_{n+1}+{S}_{n}. Does Sn{S}_{n} converge? If so, to what? (Hint: First argue that Sn<S{S}_{n}<S for all nn and Sn{S}_{n} is increasing.)

정답·풀이 보기

S>1S>1 이므로 a2>0{a}_{2}>0 이고, k<1k<1 이므로 S2=1+a2<1+(S−1)=S{S}_{2}=1+{a}_{2}<1+(S-1)=S 이다. 어떤 n 에 대해 Sn>S{S}_{n}>S 이면 가장 작은 n 이 존재한다. 이 n 에 대해 S>Sn−1S>{S}_{n-1} 이므로 Sn=Sn−1+k(S−Sn−1){S}_{n}={S}_{n-1}+k(S-{S}_{n-1}) =kS+(1−k)Sn−1<S=kS+(1-k){S}_{n-1}<S 가 되어 모순이다. 따라서 모든 n 에 대해 Sn<S{S}_{n}<S 이고 an+1>0{a}_{n+1}>0 이므로, Sn{S}_{n} 은 증가하고 SS 로 위로 유계이다. S∗=lim⁡ Sn{S}_{*}=\lim \,{S}_{n} 이라 하자. S∗<S{S}_{*}<S 이면 δ=k(S−S∗)>0\delta =k(S-{S}_{*})>0 이지만, S∗−Sn<δ/2{S}_{*}-{S}_{n}<\delta /2 인 n 을 찾을 수 있고, 이로부터 Sn+1=Sn+k(S−Sn){S}_{n+1}={S}_{n}+k(S-{S}_{n}) >S∗+δ/2>{S}_{*}+\delta /2 가 되어 Sn{S}_{n} 이 S∗{S}_{*} 로 증가한다는 사실에 모순이다. 따라서 Sn→S{S}_{n}\to S 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since S>1,S>1, a2>0,{a}_{2}>0, and since k<1,k<1, S2=1+a2<1+(S−1)=S.{S}_{2}=1+{a}_{2}<1+(S-1)=S. If Sn>S{S}_{n}>S for some n, then there is a smallest n. For this n, S>Sn−1,S>{S}_{n-1}, so Sn=Sn−1+k(S−Sn−1){S}_{n}={S}_{n-1}+k(S-{S}_{n-1}) =kS+(1−k)Sn−1<S,=kS+(1-k){S}_{n-1}<S, a contradiction. Thus Sn<S{S}_{n}<S and an+1>0{a}_{n+1}>0 for all n, so Sn{S}_{n} is increasing and bounded by S.S. Let S∗=lim⁡ Sn.{S}_{*}=\lim \,{S}_{n}. If S∗<S,{S}_{*}<S, then δ=k(S−S∗)>0,\delta =k(S-{S}_{*})>0, but we can find n such that S∗−Sn<δ/2,{S}_{*}-{S}_{n}<\delta /2, which implies that Sn+1=Sn+k(S−Sn){S}_{n+1}={S}_{n}+k(S-{S}_{n}) >S∗+δ/2,>{S}_{*}+\delta /2, contradicting that Sn{S}_{n} is increasing to S∗.{S}_{*}. Thus Sn→S.{S}_{n}\to S.

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 5.2절 · 15번우리말 번역

∑n=1∞1(n+1)(n+2)\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{(n+1)(n+2)} (힌트: ∑n=1∞1n(n+1).)\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n(n+1)}.) 에서와 같은 부분분수분해를 이용하세요.)

다 풀었으면 정답 확인

S1=1/(2.3)=1/6=2/3−1/2,S2=1/(2.3)+1/(3.4)=2/12+1/12=1/4=3/4−1/2,S3=1/(2.3)+1/(3.4)+1/(4.5)=10/60+5/60+3/60=3/10=4/5−1/2,S4=1/(2.3)+1/(3.4)+1/(4.5)+1/(5.6)=10/60+5/60+3/60+2/60=1/3=5/6−1/2.\begin{array}{c}{S}_{1}=1/(2.3)=1/6=2/3-1/2, \\ {S}_{2}=1/(2.3)+1/(3.4)=2/12+1/12=1/4=3/4-1/2, \\ {S}_{3}=1/(2.3)+1/(3.4)+1/(4.5)=10/60+5/60+3/60=3/10=4/5-1/2, \\ {S}_{4}=1/(2.3)+1/(3.4)+1/(4.5)+1/(5.6)=10/60+5/60+3/60+2/60=1/3=5/6-1/2.\end{array}

규칙은 Sk=(k+1)/(k+2)−1/2{S}_{k}=(k+1)/(k+2)-1/2 이고, 이 급수는 1/21/2 로 수렴한다.

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# 급수의 수렴과 발산계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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