[계산기 사용]0 과 1 사이의 수 x 의 이진 표현 x=0.b1b2b3… 은 다음과 같이 정할 수 있습니다. x<1/2 이면 b1=0, 1/2≤x<1 이면 b1=1 로 둡니다. x1=2x−b1 로 둡니다. x1<1/2 이면 b2=0, 1/2≤x<1 이면 b2=1 로 둡니다. x2=2x1−b2 로 두고, 일반적으로 xn=2xn−1−bn 이며 xn<1/2 이면 bn−1=0, 1/2≤xn<1 이면 bn−1=1 입니다. 1/3 의 이진 전개를 구하세요.
영어 원문 보기
[T] The binary representation x=0.b1b2b3... of a number x between 0 and 1 can be defined as follows. Let b1=0 if x<1/2 and b1=1 if 1/2≤x<1. Let x1=2x−b1. Let b2=0 if x1<1/2 and b2=1 if 1/2≤x<1. Let x2=2x1−b2 and in general, xn=2xn−1−bn and bn−1=0 if xn<1/2 and bn−1=1 if 1/2≤xn<1. Find the binary expansion of 1/3.
풀이 보기
"두 배 해서 1이 넘으면 1을 적고 1을 빼는" 과정을 되풀이하면 같은 값이 다시 나타나 규칙이 반복돼요.
1
규칙을 이해해요. 이진수 0.b1b2… 는 2b1+4b2+⋯ 를 뜻해요. 수를 두 배 했을 때 1 이상이면 그 자리 숫자는 1 (그리고 1 을 빼고), 아니면 0 이에요.
2
x=31 으로 시작해요.31<21 이므로 b1=0 이고
x1=2⋅31−0=32
3
다음 단계예요.x1=32≥21 이므로 b2=1 이고
x2=2⋅32−1=34−1=31
4
반복을 찾아요.x2=31 은 처음 값과 같아요. 그러니 이후에도 b3=0,b4=1,… 가 같은 순서로 반복돼요. 따라서 31=0.010101…(2) 이에요.
5
검산해요.0.010101…(2)=41+161+⋯=1−1/41/4=31 으로 맞아요.
답
31=0.010101…(2) (01 이 반복)
자주 하는 실수
x1 을 계산할 때 b1 을 빼는 것을 잊어 x1=32 대신 다른 값을 쓰는 실수가 있어요.
원본 교재 풀이(영어)
b1=0,x1=2/3,b2=1,x2=4/3−1=1/3, so the pattern repeats, and 1/3=0.010101….
유리함수의 끝 거동을 구할 때는 지난 학기에 배운 대로, 분자와 분모에서 n 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. n 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.
ann→∞liman=4n+33n2−2n+5(n1n1)=4+n33n−2+n5=n→∞lim4+n33n−2+n5=n→∞lim4+03n−2+0=∞
(b) 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로, n 이 무한대로 갈 때 이 수열은 최고차항의 계수의 비인 43 로 수렴한다.
(분자가 분모와 거의 같은 속도로 커지므로 항이 거의 일정한 비로 안정된다고 생각할 수 있다.)
더 길게 계산하면 다음과 같다.
bnn→∞limbn=4n2+33n2−2n+5(n21n21)=4+n233−n2+n25=n→∞lim4+n233−n2+n25=4+03−0+0=43
(c) 분자의 차수가 분모의 차수보다 낮으므로, n 이 무한대로 갈 때 이 수열은 0 으로 수렴한다. (분모가 분자보다 훨씬 더 빠르게 커져서 항이 매우 작아진다고 생각할 수 있다.)
When determining the end behaviour of rational functions, recall from last semester that we can either cancel out the highest power of n 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 n, 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:
ann→∞liman=4n+33n2−2n+5(n1n1)=4+n33n−2+n5=n→∞lim4+n33n−2+n5=n→∞lim4+03n−2+0=∞
(b) Since the numerator has the same degree as the denominator, as n goes to infinity, this sequence will converge to the ratio of their leading coefficients: 43.
(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:
bnn→∞limbn=4n2+33n2−2n+5(n21n21)=4+n233−n2+n25=n→∞lim4+n233−n2+n25=4+03−0+0=43
(c) Since the numerator has a lower degree than the denominator, this sequence will converge to 0 as n 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.)
At first glance, we see both the numerator and denominator grow huge as n 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 ne to get a clearer picture.
anSince e<3, we see 3−e is positive, so n→∞limn3−e=∞.n→∞liman=ne+n14n3−21(ne1ne1)=1+ne+114n3−e−ne21=n→∞lim1+ne+114n3−e−ne21=n→∞lim1+04n3−e−0=∞
이 수열의 분모는 한없이 커진다. 분자는 예측하기 어렵다. n 이 크다고 하자. sinn 이 −1 에 가까우면 nsinn 은 n 의 거듭제곱이 “분모에 있는” 꼴이 되므로 nsinn 이 0 에 매우 가까워질 수 있다. sinn 이 1 에 가까우면 nsinn 은 n 에 가까우므로 크다.
이러한 변동을 다루기 위해 조임 정리를 사용한다.
모든 n 에 대해 −1≤sinn≤1 이므로, bn=n2n−1=n31 과
cn=n2n=n1 이라 하자. 그러면 bn≤an≤cn 이다.
n→∞limbn=0 이고 n→∞limcn=0 이다.
따라서 조임 정리에 의해
n→∞limn2nsinn=0 이다.
참고: 모든 n 에 대해 an≥0 이므로 아래쪽 경계로 bn=0 을 사용할 수도 있었다.
원본 교재 풀이(영어)
The denominator of this sequence grows without bound. The numerator is unpredictable: imagine that n is large. When sinn is close to −1, nsinn puts a power of n “in the denominator," so we can have nsinn very close to 0. When sinn is close to 1, nsinn is close to n, which is large.
To control for these variations, we'll use the squeeze theorem.
Since −1≤sinn≤1 for all n, let bn=n2n−1=n31 and
cn=n2n=n1. Then bn≤an≤cn.
Both n→∞limbn=0 and n→∞limcn=0.
So, by the squeeze theorem,
n→∞limn2nsinn=0 as well.
Remark: we also could have used bn=0 for our lower bound, since an≥0 for all n.
먼저, 분자와 분모가 모두 한없이 커짐에 주목한다. 따라서 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 빠르게 커지는지, 아니면 일정한 비에 가까워지는지 판단해야 한다.
풀이 1: 분자와 분모를 2n (분모에서 가장 우세한 항이다. 이는 유리식에서 최고차항으로 묶어 내는 것과 같은 생각이다)으로 나누어 보자.
bn=2n+n2en(2n12n1)=1+2nn2(2e)ne>2 이므로 2e>1 이고, 따라서 n→∞lim(2e)n=∞ 이다. 지수함수는 다항함수보다 훨씬 빠르게 증가하므로 n→∞lim2nn2=0 임도 알 수 있다. 따라서
n→∞limbn=n→∞lim1+2nn2(2e)n=n→∞lim1+0(2e)n=∞
풀이 2: 분자와 분모가 모두 한없이 증가하므로 로피탈의 정리를 적용한다. dxd{2x}=2xlog2 임을 상기하자.
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 2n (the dominant term in the denominator; this is the same idea behind factoring out the leading term in rational expressions).
bn=2n+n2en(2n12n1)=1+2nn2(2e)n
Since e>2, we see 2e>1, and so n→∞lim(2e)n=∞. Since exponential functions grow much, much faster than polynomial functions, we also see n→∞lim2nn2=0. So,
n→∞limbn=n→∞lim1+2nn2(2e)n=n→∞lim1+0(2e)n=∞
Solution 2: Since the numerator and denominator both increase without bound, we apply l'Hopital's rule. Recall dxd{2x}=2xlog2.
Using logarithm rules, we see
n=5∑∞log(nn−3)=n=5∑∞[log(n−3)−logn]
which looks like a telescoping series. Let's make a table to figure out the partial sums.
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 Nth partial sum:
이 급수는 망원급수이다. 늘 하던 방법대로 살펴보자.
소거되는 규칙을 더 분명히 보이기 위해
n2−n+11−n−11=n1+n1−n+11−n−11
로 나타내고, 표 가운데의 분수는 간단히 하지 않고 그대로 둔다. 그러면 모든 분수의 분자가 1이고, 분모가 같고 부호가 반대인 두 항이 서로 소거된다.
맨 첫 행과 맨 마지막 행을 제외한 임의의 행 n 에 주목하자.
그 행의 첫 번째 n1 은 바로 위 행 가운데에 있는 −n1 과 소거되고, 그 행의 두 번째 n1 은 바로 아래 행 끝에 있는 −n1 과 소거된다.
첫 번째(n=2) 행의 경우, 첫 행 위에는 행이 없으므로 첫 번째 21 과 마지막 −11 은 끝내 소거되지 않는다.
또 맨 마지막 행의 경우, 마지막 행 다음에는 행이 없으므로 가운데의 두 항은 끝내 소거되지 않는다.
따라서 부분합은 다음과 같다.
This is a telescoping series. Let's investigate it in the usual way.
To make the pattern of cancellation clearer, we express
n2−n+11−n−11=n1+n1−n+11−n−11,
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.
Concentrate on any row n, except the very first row and the very last row.
The first n1 in that row cancels the −n1 in the middle of the row above it, and the second n1 in that row cancels the −n1 at the end of the row below it.
As far as the first (n=2) row is concerned, the first 21 and the last −11 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=2∑N(n2−n+11−n−11)=21−11from the first row+N1−N+11from the last row
There is another purely algebraic way to find the same sN, motivated by the above discussion.