문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 극한 전체 문제

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13문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.1절 · 47번우리말 풀이

다음 수열의 극한값을 구하거나 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한값을 구하세요.

an=(2n)1/n−n1/na_n=(2n)^{1/n}-n^{1/n}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=(2n)1/n−n1/n{a}_{n}={(2n)}^{1/n}-{n}^{1/n}

풀이 보기

(2n)1/n=21/n⋅n1/n(2n)^{1/n}=2^{1/n}\cdot n^{1/n} 으로 나누면, 알려진 극한 n1/n→1n^{1/n}\to1 로 계산할 수 있어요.

  1. 1

    식을 풀어 써요. 지수법칙으로 (2n)1/n=21/n n1/n(2n)^{1/n}=2^{1/n}\,n^{1/n} 이니까 an=21/n n1/n−n1/n=n1/n(21/n−1)a_n=2^{1/n}\,n^{1/n}-n^{1/n}=n^{1/n}\left(2^{1/n}-1\right)

  2. 2

    각 부분의 극한을 구해요. n→∞n\to\infty 일 때 1n→0\dfrac1n\to0 이므로 21/n→20=12^{1/n}\to2^0=1 이에요. 또 ln⁡n1/n=ln⁡nn→0\ln n^{1/n}=\dfrac{\ln n}{n}\to0 이라(로그는 nn 보다 훨씬 느리게 커져요) n1/n→e0=1n^{1/n}\to e^0=1 이에요.

  3. 3

    극한의 곱의 성질을 써요. lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞n1/n⋅lim⁡n→∞(21/n−1)=1⋅(1−1)=0\lim_{n\to\infty}a_n=\lim_{n\to\infty}n^{1/n}\cdot\lim_{n\to\infty}\left(2^{1/n}-1\right)=1\cdot(1-1)=0 (다르게 보면 (2n)1/n→1(2n)^{1/n}\to1, n1/n→1n^{1/n}\to1 이니 차가 00 이에요.)

답

수렴하고 lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}a_n=0

자주 하는 실수

n1/nn^{1/n} 에서 n→∞n\to\infty 이니 ∞0\infty^0 꼴이라 "발산"이라고 단정하는 실수가 있어요(실제로는 1에 수렴).

원본 교재 풀이(영어)

n1/n→1{n}^{1/n}\to 1 and 21/n→1,{2}^{1/n}\to 1, so an→0{a}_{n}\to 0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 23번
# 수열의 극한값 계산계산보통
2.OpenStax 2권 · 5.1절 · 63번우리말 풀이

[계산기 사용] 00 과 11 사이의 수 xx 의 이진 표현 x=0.b1b2b3…x=0.b_1b_2b_3\ldots 은 다음과 같이 정할 수 있습니다. x<1/2x<1/2 이면 b1=0b_1=0, 1/2≤x<11/2\le x<1 이면 b1=1b_1=1 로 둡니다. x1=2x−b1x_1=2x-b_1 로 둡니다. x1<1/2x_1<1/2 이면 b2=0b_2=0, 1/2≤x<11/2\le x<1 이면 b2=1b_2=1 로 둡니다. x2=2x1−b2x_2=2x_1-b_2 로 두고, 일반적으로 xn=2xn−1−bnx_n=2x_{n-1}-b_n 이며 xn<1/2x_n<1/2 이면 bn−1=0b_{n-1}=0, 1/2≤xn<11/2\le x_n<1 이면 bn−1=1b_{n-1}=1 입니다. 1/31/3 의 이진 전개를 구하세요.

영어 원문 보기

[T] The binary representation x=0.b1b2b3...x=0.{b}_{1}{b}_{2}{b}_{3}... of a number xx between 00 and 11 can be defined as follows. Let b1=0{b}_{1}=0 if x<1/2x<1/2 and b1=1{b}_{1}=1 if 1/2≤x<1.1/2\le x<1. Let x1=2x−b1.{x}_{1}=2x-{b}_{1}. Let b2=0{b}_{2}=0 if x1<1/2{x}_{1}<1/2 and b2=1{b}_{2}=1 if 1/2≤x<1.1/2\le x<1. Let x2=2x1−b2{x}_{2}=2{x}_{1}-{b}_{2} and in general, xn=2xn−1−bn{x}_{n}=2{x}_{n-1}-{b}_{n} and bn−1=0{b}_{n-1}=0 if xn<1/2{x}_{n}<1/2 and bn−1=1{b}_{n-1}=1 if 1/2≤xn<1.1/2\le {x}_{n}<1. Find the binary expansion of 1/3.1/3.

풀이 보기

"두 배 해서 1이 넘으면 1을 적고 1을 빼는" 과정을 되풀이하면 같은 값이 다시 나타나 규칙이 반복돼요.

  1. 1

    규칙을 이해해요. 이진수 0.b1b2…0.b_1b_2\ldots 는 b12+b24+⋯\dfrac{b_1}2+\dfrac{b_2}4+\cdots 를 뜻해요. 수를 두 배 했을 때 11 이상이면 그 자리 숫자는 11 (그리고 11 을 빼고), 아니면 00 이에요.

  2. 2

    x=13x=\dfrac13 으로 시작해요. 13<12\dfrac13<\dfrac12 이므로 b1=0b_1=0 이고 x1=2⋅13−0=23x_1=2\cdot\frac13-0=\frac23

  3. 3

    다음 단계예요. x1=23≥12x_1=\dfrac23\ge\dfrac12 이므로 b2=1b_2=1 이고 x2=2⋅23−1=43−1=13x_2=2\cdot\frac23-1=\frac43-1=\frac13

  4. 4

    반복을 찾아요. x2=13x_2=\dfrac13 은 처음 값과 같아요. 그러니 이후에도 b3=0, b4=1, …b_3=0,\ b_4=1,\ \ldots 가 같은 순서로 반복돼요. 따라서 13=0.010101…(2)\dfrac13=0.010101\ldots_{(2)} 이에요.

  5. 5

    검산해요. 0.010101…(2)=14+116+⋯=1/41−1/4=130.010101\ldots_{(2)}=\dfrac14+\dfrac1{16}+\cdots=\dfrac{1/4}{1-1/4}=\dfrac13 으로 맞아요.

답

13=0.010101…(2)\dfrac13=0.010101\ldots_{(2)} (0101 이 반복)

자주 하는 실수

x1x_1 을 계산할 때 b1b_1 을 빼는 것을 잊어 x1=23x_1=\tfrac23 대신 다른 값을 쓰는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

b1=0,{b}_{1}=0, x1=2/3,{x}_{1}=2/3, b2=1,{b}_{2}=1, x2=4/3−1=1/3,{x}_{2}=4/3-1=1/3, so the pattern repeats, and 1/3=0.010101….1/3=0.010101\ldots .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 15번
# 수열의 수렴과 발산계산보통
3.OpenStax 2권 · 5.2절 · 39번우리말 풀이

다음 급수를 서로 소거되는 합(망원합) 꼴로 나타내고, 제 nn항까지의 부분합을 구하세요.

∑n=1∞ln⁡(nn+1)\sum_{n=1}^{\infty }\ln \left(\frac{n}{n+1}\right)

영어 원문 보기

Express the following series as a telescoping sum and evaluate its nth partial sum.

∑n=1∞ln⁡(nn+1)\sum_{n=1}^{\infty }\ln \left(\frac{n}{n+1}\right)

풀이 보기

로그의 나눗셈은 뺄셈으로 바꿀 수 있어서, 항을 늘어놓으면 가운데 항들이 줄줄이 사라져요.

  1. 1

    먼저 로그의 성질 ln⁡ab=ln⁡a−ln⁡b\ln\frac{a}{b}=\ln a-\ln b 를 써서 일반항을 뺄셈 꼴로 바꿔요.

    ln⁡(nn+1)=ln⁡n−ln⁡(n+1)\ln\left(\frac{n}{n+1}\right)=\ln n-\ln(n+1)

    그래서 급수는 ∑n=1∞(ln⁡n−ln⁡(n+1))\sum_{n=1}^{\infty}\big(\ln n-\ln(n+1)\big) 로 쓸 수 있어요.

  2. 2

    부분합 SkS_k 는 처음 kk 개의 항을 더한 값이에요. 왜 이렇게 쓰냐면, 항을 직접 늘어놓아야 무엇이 소거되는지 보이기 때문이에요.

    Sk=(ln⁡1−ln⁡2)+(ln⁡2−ln⁡3)+(ln⁡3−ln⁡4)+⋯+(ln⁡k−ln⁡(k+1))S_k=(\ln 1-\ln 2)+(\ln 2-\ln 3)+(\ln 3-\ln 4)+\cdots+(\ln k-\ln(k+1))

  3. 3

    이웃한 항끼리 −ln⁡2-\ln 2 와 +ln⁡2+\ln 2, −ln⁡3-\ln 3 와 +ln⁡3+\ln 3 처럼 서로 지워져요. 남는 것은 맨 앞의 ln⁡1\ln 1 과 맨 뒤의 −ln⁡(k+1)-\ln(k+1) 뿐이에요.

  4. 4

    ln⁡1=0\ln 1=0 이므로 부분합은 다음과 같아요.

    Sk=ln⁡1−ln⁡(k+1)=−ln⁡(k+1)S_k=\ln 1-\ln(k+1)=-\ln(k+1)

    참고로 k→∞k\to\infty 이면 Sk→−∞S_k\to-\infty 이므로 이 급수는 발산해요.

답

∑n=1∞(ln⁡n−ln⁡(n+1))\sum_{n=1}^{\infty}\big(\ln n-\ln(n+1)\big),   Sk=−ln⁡(k+1)\;S_k=-\ln(k+1)

자주 하는 실수

ln⁡1\ln 1 을 11 로 착각하면 안 돼요. ln⁡1=0\ln 1=0 이에요.

원본 교재 풀이(영어)

∑n=1∞ln⁡n−ln⁡(n+1),Sk=−ln⁡(k+1)\sum_{n=1}^{\infty }\ln n-\ln (n+1),{S}_{k}=-\ln (k+1)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.2절 · 7번
# 급수의 수렴과 발산계산보통
4.CLP-2 · 3.1절 · 10번우리말 번역

다음 수열의 극한을 구하세요.

(a) an=3n2−2n+54n+3a_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3} (b) bn=3n2−2n+54n2+3b_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3} (c) cn=3n2−2n+54n3+3c_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}

영어 원문 보기

Determine the limits of the following sequences.

(a) an=3n2−2n+54n+3a_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3} (b) bn=3n2−2n+54n2+3b_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3} (c) cn=3n2−2n+54n3+3c_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

유리함수의 끝 거동을 구할 때는 지난 학기에 배운 대로, 분자와 분모에서 nn 의 최고차항을 약분하거나, 이 단계를 건너뛰고 분자와 분모의 최고차항의 차수를 비교하면 된다.

(a) 분자의 차수가 분모의 차수보다 높으므로 이 수열은 양의 무한대 또는 음의 무한대로 발산한다. nn 이 클 때 항이 양수이므로 극한은 (양의) 무한대이다. (분자가 분모보다 훨씬 더 빠르게 커져서 항의 절댓값이 매우 커진다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

an=3n2−2n+54n+3(1n1n)=3n−2+5n4+3nlim⁡n→∞an=lim⁡n→∞3n−2+5n4+3n=lim⁡n→∞3n−2+04+0=∞\begin{aligned} a_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3}\left(\dfrac{\frac1n}{\frac1n}\right)=\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} \\\lim_{n \to \infty}a_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} = \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+0}{4+0} = \infty \end{aligned} (b) 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로, nn 이 무한대로 갈 때 이 수열은 최고차항의 계수의 비인 34\dfrac{3}{4} 로 수렴한다. (분자가 분모와 거의 같은 속도로 커지므로 항이 거의 일정한 비로 안정된다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

bn=3n2−2n+54n2+3(1n21n2)=3−2n+5n24+3n2lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞3−2n+5n24+3n2=3−0+04+0=34\begin{aligned} b_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right)=\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} \\\lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} = \frac{3-0+0}{4+0}=\frac{3}{4} \end{aligned} (c) 분자의 차수가 분모의 차수보다 낮으므로, nn 이 무한대로 갈 때 이 수열은 0 으로 수렴한다. (분모가 분자보다 훨씬 더 빠르게 커져서 항이 매우 작아진다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

cn=3n2−2n+54n3+3(1n31n3)=3n−2n2+5n34+3n3lim⁡n→∞cn=lim⁡n→∞3n−2n2+5n34+3n3=0−0+04+0=0\begin{aligned} c_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^3}}{\frac{1}{n^3}}\right)=\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} \\\lim_{n \to \infty}c_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} = \dfrac{0-0+0}{4+0}=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

When determining the end behaviour of rational functions, recall from last semester that we can either cancel out the highest power of nn from the numerator and denominator, or skip this step and compare the highest powers of the numerator and denominator.

(a) Since the numerator has a higher degree than the denominator, this sequence will diverge to positive or negative infinity; since its terms are positive for large nn, its limit is (positive) infinity. (You can imagine that the numerator is growing much, much faster than the denominator, leading the terms to have a very, very large absolute value.)

Calculating the longer way:

an=3n2−2n+54n+3(1n1n)=3n−2+5n4+3nlim⁡n→∞an=lim⁡n→∞3n−2+5n4+3n=lim⁡n→∞3n−2+04+0=∞\begin{aligned} a_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3}\left(\dfrac{\frac1n}{\frac1n}\right)=\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} \\\lim_{n \to \infty}a_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} = \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+0}{4+0} = \infty \end{aligned} (b) Since the numerator has the same degree as the denominator, as nn goes to infinity, this sequence will converge to the ratio of their leading coefficients: 34\dfrac{3}{4}. (You can imagine that the numerator is growing at roughly the same rate as the denominator, so the terms settle into an almost-constant ratio.)

Calculating the longer way:

bn=3n2−2n+54n2+3(1n21n2)=3−2n+5n24+3n2lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞3−2n+5n24+3n2=3−0+04+0=34\begin{aligned} b_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right)=\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} \\\lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} = \frac{3-0+0}{4+0}=\frac{3}{4} \end{aligned} (c) Since the numerator has a lower degree than the denominator, this sequence will converge to 0 as nn goes to infinity. (You can imagine that the denominator is growing much, much faster than the numerator, leading the terms to be very, very small.)

Calculating the longer way:

cn=3n2−2n+54n3+3(1n31n3)=3n−2n2+5n34+3n3lim⁡n→∞cn=lim⁡n→∞3n−2n2+5n34+3n3=0−0+04+0=0\begin{aligned} c_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^3}}{\frac{1}{n^3}}\right)=\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} \\\lim_{n \to \infty}c_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} = \dfrac{0-0+0}{4+0}=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 11번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 3.1절 · 11번우리말 번역

수열 an=4n3−21ne+1na_n = \dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence an=4n3−21ne+1na_n = \dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}.

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정답·풀이 보기

얼핏 보면 nn 이 커질 때 분자와 분모가 모두 매우 커지므로, 극한을 구하려면 조금 더 생각해야 한다.

이 수열은 유리함수 꼴이 아니지만, 분자와 분모를 모두 nen^e 으로 나누면 상황을 더 분명히 볼 수 있다.

an=4n3−21ne+1n(1ne1ne)=4n3−e−21ne1+1ne+1e<3 이므로 3−e 는 양수이고, 따라서 lim⁡n→∞n3−e=∞ 이다.lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞4n3−e−21ne1+1ne+1=lim⁡n→∞4n3−e−01+0=∞\begin{aligned} a_n&=\dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}\left(\frac{\frac{1}{n^e}}{\frac{1}{n^e}}\right) = \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} \\ \text{$e<3$ 이므로 $3-e$ 는 양수이고, 따라서 $\lim\limits_{n \to \infty}n^{3-e}=\infty$ 이다.} \\ \lim_{n \to \infty}a_n&=\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} =\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-0}{1+0} = \infty \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

At first glance, we see both the numerator and denominator grow huge as nn increases, so we'll need to think a little further to find the limit.

We don't have a rational function, but we can still divide the top and bottom by nen^e to get a clearer picture.

an=4n3−21ne+1n(1ne1ne)=4n3−e−21ne1+1ne+1Since e<3, we see 3−e is positive, so lim⁡n→∞n3−e=∞.lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞4n3−e−21ne1+1ne+1=lim⁡n→∞4n3−e−01+0=∞\begin{aligned} a_n&=\dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}\left(\frac{\frac{1}{n^e}}{\frac{1}{n^e}}\right) = \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} \\ \text{Since $e<3$, we see $3-e$ is positive, so $\lim\limits_{n \to \infty}n^{3-e}=\infty$.} \\ \lim_{n \to \infty}a_n&=\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} =\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-0}{1+0} = \infty \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 17번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 3.1절 · 12번우리말 번역

수열 bn=n4+19n+3b_n = \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence bn=n4+19n+3b_n = \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}.

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정답·풀이 보기

이 수열은 유리식 꼴이 아니지만, 분자와 분모에서 n\sqrt{n} 을 묶어 내면 상황이 분명해진다.

bn=n4+19n+3(1n1n)=1n4+1n9+3nlim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞1n4+1n9+3n=0+09+0=0\begin{aligned} b_n &= \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}\left(\dfrac{\frac{1}{\sqrt n}}{\frac{1}{\sqrt n}}\right)= \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}}\\ \lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty} \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}} = \dfrac{0+0}{\sqrt{9+0}}=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This isn't a rational sequence, but factoring out n\sqrt{n} from the top and bottom will still clear things up.

bn=n4+19n+3(1n1n)=1n4+1n9+3nlim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞1n4+1n9+3n=0+09+0=0\begin{aligned} b_n &= \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}\left(\dfrac{\frac{1}{\sqrt n}}{\frac{1}{\sqrt n}}\right)= \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}}\\ \lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty} \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}} = \dfrac{0+0}{\sqrt{9+0}}=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 10번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 3.1절 · 14번우리말 번역

수열 an=nsin⁡nn2a_n = \dfrac{n^{\sin n}}{n^2} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence an=nsin⁡nn2a_n = \dfrac{n^{\sin n}}{n^2}.

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정답·풀이 보기

이 수열의 분모는 한없이 커진다. 분자는 예측하기 어렵다. nn 이 크다고 하자. sin⁡n\sin n 이 −1-1 에 가까우면 nsin⁡nn^{\sin n} 은 nn 의 거듭제곱이 “분모에 있는” 꼴이 되므로 nsin⁡nn^{\sin n} 이 0 에 매우 가까워질 수 있다. sin⁡n\sin n 이 1 에 가까우면 nsin⁡nn^{\sin n} 은 nn 에 가까우므로 크다.

이러한 변동을 다루기 위해 조임 정리를 사용한다.

  • 모든 nn 에 대해 −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 이므로, bn=n−1n2=1n3b_n = \frac{n^{-1}}{n^2} = \frac{1}{n^3} 과 cn=nn2=1nc_n = \frac{n}{n^2}=\frac{1}{n} 이라 하자. 그러면 bn≤an≤cnb_n \leq a_n \leq c_n 이다.
  • lim⁡n→∞bn=0\lim\limits_{n \to \infty}b_n=0 이고 lim⁡n→∞cn=0\lim\limits_{n \to \infty}c_n=0 이다.

따라서 조임 정리에 의해 lim⁡n→∞nsin⁡nn2=0\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^{\sin n}}{n^2}=0 이다.

참고: 모든 nn 에 대해 an≥0a_n \geq 0 이므로 아래쪽 경계로 bn=0b_n=0 을 사용할 수도 있었다.

원본 교재 풀이(영어)

The denominator of this sequence grows without bound. The numerator is unpredictable: imagine that nn is large. When sin⁡n\sin n is close to −1-1, nsin⁡nn^{\sin n} puts a power of nn “in the denominator," so we can have nsin⁡nn^{\sin n} very close to 0. When sin⁡n\sin n is close to 1, nsin⁡nn^{\sin n} is close to nn, which is large.

To control for these variations, we'll use the squeeze theorem.

  • Since −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 for all nn, let bn=n−1n2=1n3b_n = \frac{n^{-1}}{n^2} = \frac{1}{n^3} and cn=nn2=1nc_n = \frac{n}{n^2}=\frac{1}{n}. Then bn≤an≤cnb_n \leq a_n \leq c_n.
  • Both lim⁡n→∞bn=0\lim\limits_{n \to \infty}b_n=0 and lim⁡n→∞cn=0\lim\limits_{n \to \infty}c_n=0.

So, by the squeeze theorem, lim⁡n→∞nsin⁡nn2=0\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^{\sin n}}{n^2}=0 as well.

Remark: we also could have used bn=0b_n=0 for our lower bound, since an≥0a_n \geq 0 for all nn.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 15번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 3.1절 · 15번우리말 번역

수열 dn=e−1/nd_n = e^{-1/n} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence dn=e−1/nd_n = e^{-1/n}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

dn=e−1/n=1e1/nlim⁡n→∞dn=lim⁡n→∞1e1/n=1e0=11=1\begin{aligned} d_n&=e^{-1/n}=\frac{1}{e^{1/n}}\\ \lim_{n \to \infty }d_n&=\lim_{n \to \infty }\frac{1}{e^{1/n}} = \frac{1}{e^0}=\frac11=1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

dn=e−1/n=1e1/nlim⁡n→∞dn=lim⁡n→∞1e1/n=1e0=11=1\begin{aligned} d_n&=e^{-1/n}=\frac{1}{e^{1/n}}\\ \lim_{n \to \infty }d_n&=\lim_{n \to \infty }\frac{1}{e^{1/n}} = \frac{1}{e^0}=\frac11=1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 18번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.CLP-2 · 3.1절 · 17번우리말 번역

수열 bn=en2n+n2b_n=\dfrac{e^n}{2^n+n^2} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence bn=en2n+n2b_n=\dfrac{e^n}{2^n+n^2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, 분자와 분모가 모두 한없이 커짐에 주목한다. 따라서 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 빠르게 커지는지, 아니면 일정한 비에 가까워지는지 판단해야 한다.

  • 풀이 1: 분자와 분모를 2n2^n (분모에서 가장 우세한 항이다. 이는 유리식에서 최고차항으로 묶어 내는 것과 같은 생각이다)으로 나누어 보자. bn=en2n+n2(12n12n)=(e2)n1+n22nb_n = \frac{e^n}{2^n+n^2}\left(\frac{\frac{1}{2^n}}{\frac{1}{2^n}}\right) = \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} e>2e>2 이므로 e2>1\dfrac{e}{2}>1 이고, 따라서 lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty 이다. 지수함수는 다항함수보다 훨씬 빠르게 증가하므로 lim⁡n→∞n22n=0\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n^2}{2^n}=0 임도 알 수 있다. 따라서 lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞(e2)n1+n22n=lim⁡n→∞(e2)n1+0=∞\lim\limits_{n \to \infty}b_n = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+0} = \infty
  • 풀이 2: 분자와 분모가 모두 한없이 증가하므로 로피탈의 정리를 적용한다. ddx{2x}=2xlog⁡2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\} = 2^x\log 2 임을 상기하자.

lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞en2n+n2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2nlog⁡2+2n⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)2+2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)3=1(log⁡2)3lim⁡n→∞(e2)n=∞\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}b_n&=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\dfrac{e^n}{2^n+n^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\frac{e^n}{2^n\log 2 + 2n}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{e^n}{2^n(\log 2)^2 + 2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\frac{e^n}{2^n(\log 2)^3}\\ &=\frac{1}{(\log 2)^3}\lim_{n \to \infty}{\left(\frac{e}{2}\right)^n}\\ &=\infty \end{aligned}

e>2e>2 이므로 e2>1\dfrac{e}{2}>1 이고, 따라서 lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that both numerator and denominator grow without bound. So, we have to decide whether one outstrips the other, or whether they reach a stable ratio.

  • Solution 1: Let's try dividing the numerator and denominator by 2n2^n (the dominant term in the denominator; this is the same idea behind factoring out the leading term in rational expressions). bn=en2n+n2(12n12n)=(e2)n1+n22nb_n = \frac{e^n}{2^n+n^2}\left(\frac{\frac{1}{2^n}}{\frac{1}{2^n}}\right) = \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} Since e>2e>2, we see e2>1\dfrac{e}{2}>1, and so lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty. Since exponential functions grow much, much faster than polynomial functions, we also see lim⁡n→∞n22n=0\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n^2}{2^n}=0. So, lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞(e2)n1+n22n=lim⁡n→∞(e2)n1+0=∞\lim\limits_{n \to \infty}b_n = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+0} = \infty
  • Solution 2: Since the numerator and denominator both increase without bound, we apply l'Hopital's rule. Recall ddx{2x}=2xlog⁡2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\} = 2^x\log 2.

lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞en2n+n2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2nlog⁡2+2n⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)2+2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)3=1(log⁡2)3lim⁡n→∞(e2)n=∞\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}b_n&=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\dfrac{e^n}{2^n+n^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\frac{e^n}{2^n\log 2 + 2n}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{e^n}{2^n(\log 2)^2 + 2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\frac{e^n}{2^n(\log 2)^3}\\ &=\frac{1}{(\log 2)^3}\lim_{n \to \infty}{\left(\frac{e}{2}\right)^n}\\ &=\infty \end{aligned}

Since e>2e>2, we see e2>1\dfrac{e}{2}>1, and so lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 14번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.CLP-2 · 3.1절 · 18번우리말 번역

다음 수열 {ak}\big\{a_k\big\} 의 극한이 존재하면 구하세요. 단,

ak=k!sin⁡3k(k+1)!a_k=\frac{k!\sin^3 k}{(k+1)!}

영어 원문 보기

Find the limit, if it exists, of the sequence {ak}\big\{a_k\big\}, where

ak=k!sin⁡3k(k+1)!a_k=\frac{k!\sin^3 k}{(k+1)!}

정답·풀이 보기

먼저 식을 간단히 한다. 0 이상의 정수 nn 에 대해 n!=n(n−1)(n−2)⋯(2)(1)n! = n(n-1)(n-2)\cdots(2)(1) 이므로 (k+1)!=(k+1)k!(k+1)!=(k+1)k! 이다.

ak=k!sin⁡3k(k+1)!=k!sin⁡3k(k+1)k!=sin⁡3kk+1\begin{aligned} a_k&=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)!}=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)k!} = \frac{\sin^3 k}{k+1} \end{aligned}

이제 조임 정리를 사용할 수 있다.

  • 모든 kk 에 대해 −1≤sin⁡k≤1-1 \leq \sin k \leq 1 이므로 −1≤sin⁡3k≤1-1 \leq \sin^3k \leq 1 이다. bk=−1k+1b_k = \frac{-1}{k+1}, ck=1k+1c_k = \frac{1}{k+1} 이라 하면 bk≤ak≤ckb_k \leq a_k \leq c_k 이다.
  • lim⁡k→∞bk=0\lim\limits_{k \to \infty}b_k=0 이고 lim⁡k→∞ck=0\lim\limits_{k \to \infty}c_k=0 이다.

따라서 조임 정리에 의해 lim⁡k→∞ak=0\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_k=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we simplify. Remember n!=n(n−1)(n−2)⋯(2)(1)n! = n(n-1)(n-2)\cdots(2)(1) for any whole number nn, so (k+1)!=(k+1)k!(k+1)!=(k+1)k! .

ak=k!sin⁡3k(k+1)!=k!sin⁡3k(k+1)k!=sin⁡3kk+1\begin{aligned} a_k&=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)!}=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)k!} = \frac{\sin^3 k}{k+1} \end{aligned}

Now, we can use the squeeze theorem.

  • −1≤sin⁡k≤1-1 \leq \sin k \leq 1 for all kk, so −1≤sin⁡3k≤1-1 \leq \sin^3k \leq 1. Let bk=−1k+1b_k = \frac{-1}{k+1} and ck=1k+1c_k = \frac{1}{k+1}. Then bk≤ak≤ckb_k \leq a_k \leq c_k.
  • Both lim⁡k→∞bk=0\lim\limits_{k \to \infty}b_k=0 and lim⁡k→∞ck=0\lim\limits_{k \to \infty}c_k=0.

So, by the squeeze theorem, also lim⁡k→∞ak=0\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_k=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 19번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-2 · 3.1절 · 19번우리말 번역

수열 {(−1)nsin⁡(1n)}\Big\{(-1)^n\sin\big(\frac{1}{n}\big)\Big\} 을 생각하세요. 이 수열이 수렴하는지 발산하는지 말하고, 수렴하면 그 극한을 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider the sequence {(−1)nsin⁡(1n)}\Big\{(-1)^n\sin\big(\frac{1}{n}\big)\Big\}. State whether this sequence converges or diverges, and if it converges give its limit.

정답·풀이 보기

lim⁡n→∞(−1)n\lim\limits_{n\to \infty} (-1)^n 은 존재하지 않지만, 모든 nn 에 대해 −1≤(−1)n≤1-1 \leq (-1)^n\leq 1 임에 주목한다. 조임 정리를 사용하자.

  • an=−sin⁡(1n)a_n=-\sin\left(\frac{1}{n}\right), bn=sin⁡(1n)b_n=\sin\left(\frac{1}{n}\right) 이라 하면 an≤(−1)nsin⁡(1n)≤bna_n\leq (-1)^n\sin\left(\frac{1}{n}\right) \leq b_n 이다.
  • lim⁡n→∞1n=0\lim\limits_{n \to \infty} \frac{1}{n}=0 이고 sin⁡0=0\sin 0=0 이므로, lim⁡n→∞−sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} -\sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 이고 lim⁡n→∞sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} \sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 이다.

조임 정리에 의해 수열 {(−1)nsin⁡1n}\left\{(-1)^n\sin\frac{1}{n}\right\} 은 00 으로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

Note lim⁡n→∞(−1)n\lim\limits_{n\to \infty} (-1)^n doesn't exist, but −1≤(−1)n≤1-1 \leq (-1)^n\leq 1 for all nn. Let's use the squeeze theorem.

  • Let an=−sin⁡(1n)a_n=-\sin\left(\frac{1}{n}\right) and bn=sin⁡(1n)b_n=\sin\left(\frac{1}{n}\right). Then an≤(−1)nsin⁡(1n)≤bna_n\leq (-1)^n\sin\left(\frac{1}{n}\right) \leq b_n.
  • Both lim⁡n→∞−sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} -\sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 and lim⁡n→∞sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} \sin\left(\frac{1}{n}\right)=0, since lim⁡n→∞1n=0\lim\limits_{n \to \infty} \frac{1}{n}=0 and sin⁡0=0.\sin 0=0.

By the squeeze theorem, the sequence {(−1)nsin⁡1n}\left\{(-1)^n\sin\frac{1}{n}\right\} converges to 00.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 29번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-2 · 3.2절 · 27번우리말 번역

∑n=5∞log⁡(n−3n)\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \log\left(\frac{n-3}{n}\right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∑n=5∞log⁡(n−3n)\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \log\left(\frac{n-3}{n}\right).

정답·풀이 보기

로그의 성질을 이용하면 다음을 알 수 있다. ∑n=5∞log⁡(n−3n)=∑n=5∞[log⁡(n−3)−log⁡n]\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \log\left(\frac{n-3}{n}\right)= \displaystyle\sum_{n=5}^\infty \big[\log(n-3)-\log n\big] 이는 망원급수처럼 보인다. 부분합을 알아보기 위해 표를 만들어 보자.

nlog⁡(n−3)−log⁡nsn5log⁡2−log⁡5log⁡2−log⁡56log⁡3−log⁡6log⁡2+log⁡3−log⁡5−log⁡67log⁡4−log⁡7log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡5−log⁡6−log⁡78log⁡5−log⁡8log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡6−log⁡7−log⁡89log⁡6−log⁡9log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡7−log⁡8−log⁡910log⁡7−log⁡10log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡8−log⁡9−log⁡1011log⁡8−log⁡11log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡9−log⁡10−log⁡11⋮\begin{array}{c||cc||c} \mathbf{n}&\mathbf{\log(n-3)}&\mathbf{-\log n}&\mathbf{s_n}\\[7pt] \hline 5&\log 2&-\log 5&\log 2 - \log 5\\[7pt] 6&\log 3&-\log 6&\log 2 +\log 3- \log 5-\log 6\\[7pt] 7&\log 4&-\log 7&\log 2 +\log 3+\log 4- \log 5-\log 6 -\log 7\\[7pt] 8&\log 5&-\log 8&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 6 -\log 7-\log 8\\[7pt] 9&\log 6&-\log 9&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 7-\log 8-\log 9\\[7pt] 10&\log 7&-\log 10&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 8-\log 9-\log 10\\[7pt] 11&\log 8&-\log 11&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 9-\log 10-\log 11\\[7pt] \vdots&&& \end{array}

항들이 소거되기 전에 "지연"이 있으므로, 앞선 예에서 본 것보다 항들이 더 많이 "쌓인다". 그래도 NN 번째 부분합은 분명히 알 수 있다.

∑n=5N(log⁡(n−3)−log⁡(n))=log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡(N−2)−log⁡(N−1)−log⁡(N)=log⁡(24N(N−1)(N−2))N≥7 일 때, 따라서∑n=5∞(log⁡(n−3)−log⁡(n))=lim⁡N→∞sN=lim⁡N→∞log⁡(24N(N−1)(N−2))=−∞\begin{aligned} \sum_{n=5}^N \Big(\log(n-3)-\log(n)\Big)&=\log 2+\log 3 + \log 4 - \log(N-2)-\log(N-1)-\log(N)\\ &=\log \left(\frac{24}{N(N-1)(N-2)}\right) \\ \text{$N \geq 7$ 일 때, 따라서} \\ \sum_{n=5}^\infty \Big(\log(n-3)-\log(n)\Big)&= \lim_{N \to \infty}s_N\\ &=\lim_{N \to \infty}\log \left(\frac{24}{N(N-1)(N-2)}\right) \\&=-\infty \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Using logarithm rules, we see ∑n=5∞log⁡(n−3n)=∑n=5∞[log⁡(n−3)−log⁡n]\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \log\left(\frac{n-3}{n}\right)= \displaystyle\sum_{n=5}^\infty \big[\log(n-3)-\log n\big] which looks like a telescoping series. Let's make a table to figure out the partial sums.

nlog⁡(n−3)−log⁡nsn5log⁡2−log⁡5log⁡2−log⁡56log⁡3−log⁡6log⁡2+log⁡3−log⁡5−log⁡67log⁡4−log⁡7log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡5−log⁡6−log⁡78log⁡5−log⁡8log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡6−log⁡7−log⁡89log⁡6−log⁡9log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡7−log⁡8−log⁡910log⁡7−log⁡10log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡8−log⁡9−log⁡1011log⁡8−log⁡11log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡9−log⁡10−log⁡11⋮\begin{array}{c||cc||c} \mathbf{n}&\mathbf{\log(n-3)}&\mathbf{-\log n}&\mathbf{s_n}\\[7pt] \hline 5&\log 2&-\log 5&\log 2 - \log 5\\[7pt] 6&\log 3&-\log 6&\log 2 +\log 3- \log 5-\log 6\\[7pt] 7&\log 4&-\log 7&\log 2 +\log 3+\log 4- \log 5-\log 6 -\log 7\\[7pt] 8&\log 5&-\log 8&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 6 -\log 7-\log 8\\[7pt] 9&\log 6&-\log 9&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 7-\log 8-\log 9\\[7pt] 10&\log 7&-\log 10&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 8-\log 9-\log 10\\[7pt] 11&\log 8&-\log 11&\log 2 +\log 3+\log 4 -\log 9-\log 10-\log 11\\[7pt] \vdots&&& \end{array}

There is a “lag" before the terms cancel, which is why they “build up" more than we saw in past examples. Still, we can clearly see the NNth partial sum:

∑n=5N(log⁡(n−3)−log⁡(n))=log⁡2+log⁡3+log⁡4−log⁡(N−2)−log⁡(N−1)−log⁡(N)=log⁡(24N(N−1)(N−2))when N≥7. So,∑n=5∞(log⁡(n−3)−log⁡(n))=lim⁡N→∞sN=lim⁡N→∞log⁡(24N(N−1)(N−2))=−∞\begin{aligned} \sum_{n=5}^N \Big(\log(n-3)-\log(n)\Big)&=\log 2+\log 3 + \log 4 - \log(N-2)-\log(N-1)-\log(N)\\ &=\log \left(\frac{24}{N(N-1)(N-2)}\right) \\ \text{when $N \geq 7$. So,} \\ \sum_{n=5}^\infty \Big(\log(n-3)-\log(n)\Big)&= \lim_{N \to \infty}s_N\\ &=\lim_{N \to \infty}\log \left(\frac{24}{N(N-1)(N-2)}\right) \\&=-\infty \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.2절 · 28번
# 급수의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-2 · 3.2절 · 28번우리말 번역

∑n=2∞(2n−1n+1−1n−1)\displaystyle\sum_{n=2}^\infty \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∑n=2∞(2n−1n+1−1n−1)\displaystyle\sum_{n=2}^\infty \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 급수는 망원급수이다. 늘 하던 방법대로 살펴보자. 소거되는 규칙을 더 분명히 보이기 위해 2n−1n+1−1n−1=1n+1n−1n+1−1n−1\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1}= \frac{1}{n}+\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} 로 나타내고, 표 가운데의 분수는 간단히 하지 않고 그대로 둔다. 그러면 모든 분수의 분자가 1이고, 분모가 같고 부호가 반대인 두 항이 서로 소거된다.

n1n1n−1n+1−1n−1sn21212−13−1112+12−13−1131313−14−1212+13−14−1141414−15−1312+14−15−1151515−16−1412+15−16−1161616−17−1512+16−17−1171717−18−1612+17−18−1181818−19−1712+18−19−11⋮\begin{array}{c||cccc||c} \mathbf{n}&\mathbf{\dfrac{1}{n}}&\mathbf{\dfrac{1}{n}}&\mathbf{-\dfrac{1}{n+1}}&\mathbf{-\dfrac{1}{n-1}}&\mathbf{s_n}\\[7pt] \hline 2&\dfrac{1}{2}&{{\dfrac{1}{2}}}&{{-\dfrac{1}{3}}}&-\dfrac{1}{1}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{2}}} {{-\dfrac{1}{3}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 3&{{\dfrac{1}{3}}}&{{\dfrac{1}{3}}}&{{-\dfrac{1}{4}}}&{{-\dfrac{1}{2}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{3}}}{{-\dfrac{1}{4}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 4&{{\dfrac{1}{4}}}&{{\dfrac{1}{4}}}&{{-\dfrac{1}{5}}}&{{-\dfrac{1}{3}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{4}}} {{-\dfrac{1}{5}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 5&{{\dfrac{1}{5}}}&{{\dfrac{1}{5}}}&{{-\dfrac{1}{6}}}&{{-\dfrac{1}{4}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{5}}}{{-\dfrac{1}{6}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 6&{{\dfrac{1}{6}}}&{{\dfrac{1}{6}}}&{{-\dfrac{1}{7}}}&{{-\dfrac{1}{5}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{6}}}{{-\dfrac{1}{7}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 7&{{\dfrac{1}{7}}}&{{\dfrac{1}{7}}}&{{-\dfrac{1}{8}}}&{{-\dfrac{1}{6}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{7}}} {{-\dfrac{1}{8}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 8&{{\dfrac{1}{8}}}&\dfrac{1}{8}&-\dfrac{1}{9}&{{-\dfrac{1}{7}}}& \dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{9}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] \vdots&&&& \end{array}

맨 첫 행과 맨 마지막 행을 제외한 임의의 행 nn 에 주목하자. 그 행의 첫 번째 1n\frac{1}{n} 은 바로 위 행 가운데에 있는 −1n-\frac{1}{n} 과 소거되고, 그 행의 두 번째 1n\frac{1}{n} 은 바로 아래 행 끝에 있는 −1n-\frac{1}{n} 과 소거된다. 첫 번째(n=2n=2) 행의 경우, 첫 행 위에는 행이 없으므로 첫 번째 12\frac{1}{2} 과 마지막 −11-\frac{1}{1} 은 끝내 소거되지 않는다. 또 맨 마지막 행의 경우, 마지막 행 다음에는 행이 없으므로 가운데의 두 항은 끝내 소거되지 않는다. 따라서 부분합은 다음과 같다.

sN=∑n=2N(2n−1n+1−1n−1)=12−11⏞첫째 행에서+1N−1N+1⏞마지막 행에서\begin{aligned} s_N&=\sum_{n=2}^N \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right) =\overbrace{\frac{1}{2}-\frac{1}{1}}^{\text{첫째 행에서}} +\overbrace{\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1}}^{\text{마지막 행에서}} \end{aligned}

위의 논의에서 착안하여 같은 sNs_N 을 대수적인 계산만으로 구하는 또 다른 방법이 있다.

sN=∑n=2N(2n−1n+1−1n−1)=∑n=2N(1n−1n+1)+∑n=2N(1n−1n−1)\begin{aligned} s_N&=\sum_{n=2}^N \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right) \\ &=\sum_{n=2}^N \left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) +\sum_{n=2}^N\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n-1} \right) \end{aligned}

앞의 합은

∑n=2N(1n−1n+1)=(12−13)+(13−14)+(14−15)+⋯+(1N−1N+1)=[12−1N+1]\begin{aligned} \sum_{n=2}^N \left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) &=\left(\frac{1}{2}{{-\frac{1}{3}}}\right) + \left({{\frac{1}{3}}} {{-\frac{1}{4}}}\right) + \left({{\frac{1}{4}}}{{-\frac{1}{5}}}\right) + \cdots +\left({{\frac{1}{N}}}-\frac{1}{N+1}\right) \\ &=\left[\frac{1}{2}-\frac{1}{N+1}\right] \end{aligned}

이고, 뒤의 합은

∑n=2N(1n−1n−1)=(12−11)+(13−12)+(14−13)+⋯+(1N−1N−1)={−11+1N}\begin{aligned} \sum_{n=2}^N\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n-1} \right) &=\left({{\frac{1}{2}}}-\frac{1}{1} \right) + \left({{\frac{1}{3}}}{{-\frac{1}{2}}} \right) + \left({{\frac{1}{4}}}{{-\frac{1}{3}}}\right) +\cdots + \left(\frac{1}{N}-{{\frac{1}{N-1}}} \right) \\ &=\left\{-\frac{1}{1}+\frac{1}{N}\right\} \end{aligned}

이다. 그러므로

sN=[12−1N+1]+{−11+1N}=−12+1N−1N+1\begin{aligned} s_N&=\left[\frac{1}{2}-\frac{1}{N+1}\right]+\left\{-\frac{1}{1}+\frac{1}{N}\right\} \\ &=-\frac{1}{2}+\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1} \end{aligned}

이고, 극한을 구하면 다음과 같다.

∑n=2∞(2n−1n+1−1n−1)=lim⁡N→∞sN=lim⁡N→∞[−12+1N−1N+1]=−12\begin{aligned} \sum_{n=2}^\infty \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right)&=\lim_{N \to \infty}s_N\\&=\lim_{N \to \infty} \left[-\frac{1}{2} +\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1}\right]\\ &=-\frac{1}{2} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This is a telescoping series. Let's investigate it in the usual way. To make the pattern of cancellation clearer, we express 2n−1n+1−1n−1=1n+1n−1n+1−1n−1\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1}= \frac{1}{n}+\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1}, and leave the fractions in the middle of the table unsimplified. Then every fraction has numerator one and two terms with the same denominator and opposite sign cancel.

n1n1n−1n+1−1n−1sn21212−13−1112+12−13−1131313−14−1212+13−14−1141414−15−1312+14−15−1151515−16−1412+15−16−1161616−17−1512+16−17−1171717−18−1612+17−18−1181818−19−1712+18−19−11⋮\begin{array}{c||cccc||c} \mathbf{n}&\mathbf{\dfrac{1}{n}}&\mathbf{\dfrac{1}{n}}&\mathbf{-\dfrac{1}{n+1}}&\mathbf{-\dfrac{1}{n-1}}&\mathbf{s_n}\\[7pt] \hline 2&\dfrac{1}{2}&{{\dfrac{1}{2}}}&{{-\dfrac{1}{3}}}&-\dfrac{1}{1}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{2}}} {{-\dfrac{1}{3}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 3&{{\dfrac{1}{3}}}&{{\dfrac{1}{3}}}&{{-\dfrac{1}{4}}}&{{-\dfrac{1}{2}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{3}}}{{-\dfrac{1}{4}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 4&{{\dfrac{1}{4}}}&{{\dfrac{1}{4}}}&{{-\dfrac{1}{5}}}&{{-\dfrac{1}{3}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{4}}} {{-\dfrac{1}{5}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 5&{{\dfrac{1}{5}}}&{{\dfrac{1}{5}}}&{{-\dfrac{1}{6}}}&{{-\dfrac{1}{4}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{5}}}{{-\dfrac{1}{6}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 6&{{\dfrac{1}{6}}}&{{\dfrac{1}{6}}}&{{-\dfrac{1}{7}}}&{{-\dfrac{1}{5}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{6}}}{{-\dfrac{1}{7}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 7&{{\dfrac{1}{7}}}&{{\dfrac{1}{7}}}&{{-\dfrac{1}{8}}}&{{-\dfrac{1}{6}}}& \dfrac{1}{2}+{{\dfrac{1}{7}}} {{-\dfrac{1}{8}}}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] 8&{{\dfrac{1}{8}}}&\dfrac{1}{8}&-\dfrac{1}{9}&{{-\dfrac{1}{7}}}& \dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{8}-\dfrac{1}{9}-\dfrac{1}{1}\\[10pt] \vdots&&&& \end{array}

Concentrate on any row nn, except the very first row and the very last row. The first 1n\frac{1}{n} in that row cancels the −1n-\frac{1}{n} in the middle of the row above it, and the second 1n\frac{1}{n} in that row cancels the −1n-\frac{1}{n} at the end of the row below it. As far as the first (n=2n=2) row is concerned, the first 12\frac{1}{2} and the last −11-\frac{1}{1} never get cancelled out because there is no row above the first one. And as far as the very last row is concerned, the two middle terms never get cancelled out because there is no row after the last one. So the partial sum is

sN=∑n=2N(2n−1n+1−1n−1)=12−11⏞from the first row+1N−1N+1⏞from the last row\begin{aligned} s_N&=\sum_{n=2}^N \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right) =\overbrace{\frac{1}{2}-\frac{1}{1}}^{\text{from the first row}} +\overbrace{\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1}}^{\text{from the last row}} \end{aligned}

There is another purely algebraic way to find the same sNs_N, motivated by the above discussion.

sN=∑n=2N(2n−1n+1−1n−1)=∑n=2N(1n−1n+1)+∑n=2N(1n−1n−1)\begin{aligned} s_N&=\sum_{n=2}^N \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right) \\ &=\sum_{n=2}^N \left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) +\sum_{n=2}^N\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n-1} \right) \end{aligned}

The first half

∑n=2N(1n−1n+1)=(12−13)+(13−14)+(14−15)+⋯+(1N−1N+1)=[12−1N+1]\begin{aligned} \sum_{n=2}^N \left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n+1}\right) &=\left(\frac{1}{2}{{-\frac{1}{3}}}\right) + \left({{\frac{1}{3}}} {{-\frac{1}{4}}}\right) + \left({{\frac{1}{4}}}{{-\frac{1}{5}}}\right) + \cdots +\left({{\frac{1}{N}}}-\frac{1}{N+1}\right) \\ &=\left[\frac{1}{2}-\frac{1}{N+1}\right] \end{aligned}

and the second half

∑n=2N(1n−1n−1)=(12−11)+(13−12)+(14−13)+⋯+(1N−1N−1)={−11+1N}\begin{aligned} \sum_{n=2}^N\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{n-1} \right) &=\left({{\frac{1}{2}}}-\frac{1}{1} \right) + \left({{\frac{1}{3}}}{{-\frac{1}{2}}} \right) + \left({{\frac{1}{4}}}{{-\frac{1}{3}}}\right) +\cdots + \left(\frac{1}{N}-{{\frac{1}{N-1}}} \right) \\ &=\left\{-\frac{1}{1}+\frac{1}{N}\right\} \end{aligned}

So

sN=[12−1N+1]+{−11+1N}=−12+1N−1N+1\begin{aligned} s_N&=\left[\frac{1}{2}-\frac{1}{N+1}\right]+\left\{-\frac{1}{1}+\frac{1}{N}\right\} \\ &=-\frac{1}{2}+\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1} \end{aligned}

and the limit

∑n=2∞(2n−1n+1−1n−1)=lim⁡N→∞sN=lim⁡N→∞[−12+1N−1N+1]=−12\begin{aligned} \sum_{n=2}^\infty \left(\frac{2}{n}-\frac{1}{n+1}-\frac{1}{n-1} \right)&=\lim_{N \to \infty}s_N\\&=\lim_{N \to \infty} \left[-\frac{1}{2} +\frac{1}{N}-\frac{1}{N+1}\right]\\ &=-\frac{1}{2} \end{aligned}

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