문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 극한 전체 문제

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5문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.2절 · 43번우리말 풀이

일반적인 망원급수란, 연속한 항들을 어느 정도 더하고 나면 처음 몇 항을 빼고는 모두 지워지는 급수입니다.

an=f(n)−2f(n+1)+f(n+2)a_n=f(n)-2f(n+1)+f(n+2) 이고 n→∞n\to\infty 일 때 f(n)→0f(n)\to0 이라고 합시다. ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_n 을 구하세요.

영어 원문 보기

A general telescoping series is one in which all but the first few terms cancel out after summing a given number of successive terms.

Let an=f(n)−2f(n+1)+f(n+2),{a}_{n}=f(n)-2f(n+1)+f(n+2), in which f(n)→0f(n)\to 0 as n→∞.n\to \infty . Find ∑n=1∞an.\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}.

풀이 보기

ana_n 을 "앞뒤가 지워지는 차"의 꼴로 바꾸면 부분합이 몇 개 항만 남아요.

  1. 1

    ana_n 을 두 개의 차로 나눠요. −2f(n+1)=−f(n+1)−f(n+1)-2f(n+1)=-f(n+1)-f(n+1) 이므로 an=[f(n)−f(n+1)]−[f(n+1)−f(n+2)]a_n=\big[f(n)-f(n+1)\big]-\big[f(n+1)-f(n+2)\big]

  2. 2

    부분합 SNS_N 을 써요. 각 대괄호를 따로 더하면 이웃한 항이 지워져요. ∑n=1N[f(n)−f(n+1)]=f(1)−f(N+1),∑n=1N[f(n+1)−f(n+2)]=f(2)−f(N+2)\sum_{n=1}^N\big[f(n)-f(n+1)\big]=f(1)-f(N+1),\qquad \sum_{n=1}^N\big[f(n+1)-f(n+2)\big]=f(2)-f(N+2) SN=f(1)−f(N+1)−f(2)+f(N+2)S_N=f(1)-f(N+1)-f(2)+f(N+2)

  3. 3

    N→∞N\to\infty 로 보내요. f(N+1)→0f(N+1)\to0, f(N+2)→0f(N+2)\to0 이므로 ∑n=1∞an=lim⁡N→∞SN=f(1)−f(2)\sum_{n=1}^\infty a_n=\lim_{N\to\infty}S_N=f(1)-f(2)

답

f(1)−f(2)f(1)-f(2)

자주 하는 실수

두 번째 대괄호의 부호를 놓쳐 f(1)+f(2)f(1)+f(2) 로 쓰는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

∑n=1∞an=f(1)−f(2)\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}=f(1)-f(2)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.2절 · 57번
# 급수의 수렴과 발산계산도전
2.CLP-2 · 3.1절 · 21번우리말 번역

수열 {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the limit of the sequence {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} .

정답·풀이 보기

먼저 상황을 정리해 보자. n→∞n \to \infty 일 때 sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 이므로 log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty 이다. 그런데 log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty 이다. 따라서 두 부분이 수열의 항을 서로 다른 방향으로 끌어당기는 상황이 되어 판단하기 어렵다. ("−∞+∞=0-\infty+\infty=0" 과 같은 결론을 내릴 수 없음을 떠올리자.)

로그의 성질을 이용하여 더 명확하게 살펴보자.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

그래도 여전히 부정형이다. 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) 은 한없이 커지는 2n2n 과 0에 가까워지는 sin⁡(1/n)\sin(1/n) 의 곱이기 때문이다. 앞에서 우리는 (약간의 식 변형 후) 로피탈의 정리로 부정형 0⋅∞0\cdot\infty 를 다룰 수 있음을 배웠지만, 더 간단한 방법이 있다. n→∞n \to \infty 일 때 1/n→01/n \to 0 임에 주목하자. 1n=x\frac{1}{n}=x 로 놓으면, 이 극한의 한 부분이 익숙한 꼴이 된다.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)n→∞ 이면 x=1n→0 이다.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xx이 극한은 익숙하다:=2(1)=2그러면:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{$n \to \infty$ 이면 $x = \frac{1}{n}\to 0$ 이다.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{이 극한은 익숙하다:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{그러면:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

참고: lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1 임을 잊었다면, 이 극한도 로피탈의 정리를 이용하여 구할 수 있다.

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's take stock: sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 as n→∞n \to \infty, so log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty. However, log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty. So, we have some tension here: the two pieces behave in ways that pull the terms of the sequence in different directions. (Recall we cannot conclude anything like “−∞+∞=0-\infty+\infty=0.")

We try using logarithm rules to get a clearer picture.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

Still, we have indeterminate behaviour: 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) is the product of 2n2n, which grows without bound, and sin⁡(1/n)\sin(1/n), which approaches zero. In the past, we learned that we can handle the indeterminate form 0⋅∞0\cdot\infty with l'Hopital's rule (after a little algebra), but there's a slicker way. Note 1/n→01/n \to 0 as n→∞n \to \infty. If we write 1n=x\frac{1}{n}=x, then this piece of our limit resembles something familiar.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)If n→∞, then x=1n→0.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xxThat limit is familiar:=2(1)=2Then:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{If $n \to \infty$, then $x = \frac{1}{n}\to 0$.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{That limit is familiar:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{Then:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

Note: if you have forgotten that lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1, you can also evaluate this limit using l'Hopital's rule:

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.1절 · 1번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 3.1절 · 22번우리말 번역

lim⁡n→∞[n2+5n−n2−5n]\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left[\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\right] 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡n→∞[n2+5n−n2−5n]\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left[\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\right].

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, 이 수열은 nn 이 작은 일부 값에서는 정의되지 않지만 n≥5n \geq 5 이면 정의되므로, n→∞n \to \infty 일 때의 극한을 취하는 데에는 문제가 없다. 둘째, 이 극한은 ∞−∞\infty-\infty 꼴의 부정형이다. 이 꼴은 부정형이므로, 극한이 존재한다면 그 값을 구하기 위해 더 계산해야 한다.

지난 학기에 이런 꼴의 함수에서 보았던 대표적인 방법은 식의 켤레식 n2+5n+n2−5n\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n} 을 곱하고 나누는 것이다. 그러면 분모는 비슷한 두 항의 차가 아니라 합이 된다. 이것이 왜 도움이 되는지는 아래 계산을 보면 알 수 있다.

n2+5n−n2−5n=(n2+5n−n2−5n)(n2+5n+n2−5nn2+5n+n2−5n)=(n2+5n)−(n2−5n)n2+5n+n2−5n=10nn2+5n+n2−5n이제 분자와 분모에서 n 을 약분한다. n=n2 임에 주의한다.=10nn2+5n+n2−5n(1n1n)=10nn2+5n+n2−5n(1n1n2)=101+5n+1−5n이제 극한이 분명하다.lim⁡n→∞101+5n+1−5n=101+0+1+0=101+1=5\begin{aligned} \sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}&=\big(\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\big)\left(\frac{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\right)\\ &=\frac{(n^2+5n)-(n^2-5n)}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}} \\ \text{이제 분자와 분모에서 $n$ 을 약분한다. $n=\sqrt{n^2}$ 임에 주의한다.} \\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac1n}\right)\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac{1}{\sqrt{n^2}}}\right)\\ &=\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}} \\ \text{이제 극한이 분명하다.} \\ \lim_{n \to \infty}\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}}&=\frac{10}{\sqrt{1+0}+\sqrt{1+0}}=\frac{10}{1+1}=5 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First, although this sequence is not defined for some small values of nn, it is defined as long as n≥5n \geq 5, so it's not a problem to take the limit as n→∞n \to \infty. Second, we notice that our limit has the indeterminate form ∞−∞\infty-\infty. Since this form is indeterminate, more work is needed to find our limit, if it exists.

A standard trick we saw last semester with functions of this form was to multiply and divide by the conjugate of the expression, n2+5n+n2−5n\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}. Then the denominator will be the sum of two similar things, rather than their difference. See the work below to find out why that is helpful.

n2+5n−n2−5n=(n2+5n−n2−5n)(n2+5n+n2−5nn2+5n+n2−5n)=(n2+5n)−(n2−5n)n2+5n+n2−5n=10nn2+5n+n2−5nNow, we’ll cancel out n from the top and the bottom. Note n=n2.=10nn2+5n+n2−5n(1n1n)=10nn2+5n+n2−5n(1n1n2)=101+5n+1−5nNow, the limit is clear.lim⁡n→∞101+5n+1−5n=101+0+1+0=101+1=5\begin{aligned} \sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}&=\big(\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\big)\left(\frac{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\right)\\ &=\frac{(n^2+5n)-(n^2-5n)}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}} \\ \text{Now, we'll cancel out $n$ from the top and the bottom. Note $n=\sqrt{n^2}$.} \\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac1n}\right)\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac{1}{\sqrt{n^2}}}\right)\\ &=\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}} \\ \text{Now, the limit is clear.} \\ \lim_{n \to \infty}\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}}&=\frac{10}{\sqrt{1+0}+\sqrt{1+0}}=\frac{10}{1+1}=5 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 21번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 3.1절 · 24번우리말 번역

수열 {n[(2+1n)100−2100]}n=1∞\left\{n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]\right\}_{n=1}^{\infty} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate the limit of the sequence {n[(2+1n)100−2100]}n=1∞\left\{n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]\right\}_{n=1}^{\infty}.

정답·풀이 보기

먼저, 이 극한이 부정형임에 주목한다. nn 이 커지면 2+1n→22+\frac1n \to 2 이므로 n[(2+1n)100−2100]n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right] 은 ∞⋅0\infty \cdot 0 꼴이다. 이 어려움을 해결하기 위해 약간의 대수적 계산과 로피탈 정리를 쓸 수도 있지만, 더 깔끔한 방법이 있다. h=1nh = \frac{1}{n} 로 놓으면 n→∞n\to\infty 일 때 h→0h \to 0 이고, 구하는 극한은 다음과 같다.

lim⁡n→∞n[(2+1n)100−2100]=lim⁡h→0(2+h)100−2100h이것은 미분계수의 정의를 떠올리게 한다.ddx{x100}=lim⁡h→0(x+h)100−x100h\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]&= \lim_{h \to 0}\frac{\left(2+h\right)^{100}-2^{100}}{h} \\ \text{이것은 미분계수의 정의를 떠올리게 한다.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{x^{100}\right\}&=\lim_{h \to 0}\frac{(x+h)^{100}-x^{100}}{h} \end{aligned}

따라서 f(x)=x100f(x)=x^{100} 으로 놓으면 구하는 극한은 곧 f′(2)f'(2) 이다. 즉 [100x99]x=2=100⋅299\left[100x^{99}\right]_{x=2}= 100\cdot 2^{99} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that we have in indeterminate form: as nn grows, 2+1n→22+\frac1n \to 2, so n[(2+1n)100−2100]n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right] has the form ∞⋅0\infty \cdot 0. To overcome this difficulty, we could use some algebra and l'Hopital's rule, but there's a slicker way. If we let h=1nh = \frac{1}{n}, then h→0h \to 0 as n→∞n\to\infty, and our limit looks like:

lim⁡n→∞n[(2+1n)100−2100]=lim⁡h→0(2+h)100−2100hThis reminds us of the definition of a derivative.ddx{x100}=lim⁡h→0(x+h)100−x100h\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]&= \lim_{h \to 0}\frac{\left(2+h\right)^{100}-2^{100}}{h} \\ \text{This reminds us of the definition of a derivative.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{x^{100}\right\}&=\lim_{h \to 0}\frac{(x+h)^{100}-x^{100}}{h} \end{aligned}

So, if we set f(x)=x100f(x)=x^{100}, our limit is simply f′(2)f'(2). That is, [100x99]x=2=100⋅299\left[100x^{99}\right]_{x=2}= 100\cdot 2^{99}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 22번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 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 · 28번우리말 번역

수열 bn=(1+3n+5n2)n\displaystyle b_n=\left(1+\frac{3}{n}+\frac{5}{n^2}\right)^n 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence bn=(1+3n+5n2)n\displaystyle b_n=\left(1+\frac{3}{n}+\frac{5}{n^2}\right)^n.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

극한을 그냥 구하려 하면 부정형 1∞1^{\infty} 가 나온다. 로피탈의 정리를 쓰고 싶지만 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 꼴이나 00\frac{0}{0} 꼴이 아니므로 로그를 써야 한다. 또한 로피탈의 정리는 실수에서 정의된 미분가능한 함수에 적용되므로, 수열 대신 함수를 생각한다.

수열의 모든 항이 양수임에 주목한다.

  • 풀이 1: x=1nx=\frac{1}{n}, f(x)=(1+3x+5x2)1/xf(x)=\left(1+3x+5x^2\right)^{1/x} 로 정의한다. 그러면 bn=f(1n)=f(x)b_n=f\left(\frac{1}{n}\right)=f(x) 이고, lim⁡n→∞f(1n)=lim⁡x→0+f(x).\lim_{n \to \infty} f\left(\frac{1}{n}\right) = \lim_{x \to 0^+}f(x). 이 극한이 존재하면 lim⁡n→∞bn\lim\limits_{n \to \infty}b_n 과 같다.

lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(1+3x+5x2)1/xlim⁡x→0+log⁡[f(x)]=lim⁡x→0+log⁡[(1+3x+5x2)1/x]=lim⁡x→0+log⁡[1+3x+5x2]x⏟num→0den→0=lim⁡x→0+3+10x1+3x+5x21=3lim⁡x→0+f(x)=e3\begin{aligned} \lim_{x \to 0^+}f(x)&= \lim_{x \to 0^+} \left(1+3x+5x^2\right)^{1/x}\\ \lim_{x \to 0^+}\log[f(x)]&= \lim_{x \to 0^+} \log\left[\left(1+3x+5x^2\right)^{1/x}\right] =\underbrace{ \lim_{x \to 0^+}\frac{ \log\left[1+3x+5x^2 \right]}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}}\\ &=\lim_{x \to 0^+}\frac{\frac{3+10x}{1+3x+5x^2}}{1}=3\\ \lim_{x \to 0^+}f(x)&=e^3 \end{aligned}

극한이 존재하므로 lim⁡n→∞bn=e3\lim\limits_{n \to \infty}b_n=e^3 이다.

  • 풀이 2: x=1nx=\frac{1}{n} 로 놓는 간단한 방법을 떠올리지 못했더라도, g(x)=(1+3x+5x2)xg(x)=\left(1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right)^{x} 를 이용하여 문제를 풀 수 있다.

g(x)=(1+3x+5x2)xlog⁡[g(x)]=xlog⁡[1+3x+5x2]=log⁡[1+3x+5x2]1/x⏟num→0den→0lim⁡x→∞log⁡[g(x)]=lim⁡x→∞−3x2−10x31+3x+5x2−1x2=lim⁡x→∞x23x2+10x31+3x+5x2=lim⁡x→∞3+10x1+3x+5x2=3+01+0+0=3lim⁡x→∞f(x)=e3\begin{aligned} g(x)&=\left(1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right)^x\\ \log [g(x)]&= x\log\left[1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right] =\underbrace{\frac{\log\left[1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right]}{1/x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}}\\ \lim_{x \to \infty} \log[g(x)]&=\lim_{x \to \infty}\dfrac{\frac{-\frac{3}{x^2}-\frac{10}{x^3}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}}}{\frac{-1}{x^2}}= \lim_{x \to \infty}x^2\frac{\frac{3}{x^2}+\frac{10}{x^3}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}} = \lim_{x \to \infty}\frac{3+\frac{10}{x}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}} = \frac{3+0}{1+0+0}=3\\ \lim_{x \to \infty} f(x)&=e^3\end{aligned}

극한이 존재하므로 lim⁡n→∞bn=e3\lim\limits_{n \to \infty} b_n =e^3 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If we naively try to find the limit, we run up against the indeterminate form 1∞1^{\infty}. We'd like to use l'Hopital's rule, but we don't have the form ∞∞\frac{\infty}{\infty} or 00\frac{0}{0}–we'll need to use a logarithm. Additionally, l'Hopital's rule applies to differentiable functions defined for real numbers–so we'll consider a function, rather than the sequence.

Note the terms of the sequence are all positive.

  • Solution 1: Define x=1nx=\frac{1}{n}, and f(x)=(1+3x+5x2)1/xf(x)=\left(1+3x+5x^2\right)^{1/x}. Then bn=f(1n)=f(x)b_n=f\left(\frac{1}{n}\right)=f(x), and lim⁡n→∞f(1n)=lim⁡x→0+f(x).\lim_{n \to \infty} f\left(\frac{1}{n}\right) = \lim_{x \to 0^+}f(x). If this limit exists, it is equal to lim⁡n→∞bn\lim\limits_{n \to \infty}b_n.

lim⁡x→0+f(x)=lim⁡x→0+(1+3x+5x2)1/xlim⁡x→0+log⁡[f(x)]=lim⁡x→0+log⁡[(1+3x+5x2)1/x]=lim⁡x→0+log⁡[1+3x+5x2]x⏟num→0den→0=lim⁡x→0+3+10x1+3x+5x21=3lim⁡x→0+f(x)=e3\begin{aligned} \lim_{x \to 0^+}f(x)&= \lim_{x \to 0^+} \left(1+3x+5x^2\right)^{1/x}\\ \lim_{x \to 0^+}\log[f(x)]&= \lim_{x \to 0^+} \log\left[\left(1+3x+5x^2\right)^{1/x}\right] =\underbrace{ \lim_{x \to 0^+}\frac{ \log\left[1+3x+5x^2 \right]}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}}\\ &=\lim_{x \to 0^+}\frac{\frac{3+10x}{1+3x+5x^2}}{1}=3\\ \lim_{x \to 0^+}f(x)&=e^3 \end{aligned}

Since the limit exists, lim⁡n→∞bn=e3\lim\limits_{n \to \infty}b_n=e^3.

  • Solution 2: If we didn't see the nice simplifying trick of letting x=1nx=\frac{1}{n}, we can still solve the problem using g(x)=(1+3x+5x2)xg(x)=\left(1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right)^{x}:

g(x)=(1+3x+5x2)xlog⁡[g(x)]=xlog⁡[1+3x+5x2]=log⁡[1+3x+5x2]1/x⏟num→0den→0lim⁡x→∞log⁡[g(x)]=lim⁡x→∞−3x2−10x31+3x+5x2−1x2=lim⁡x→∞x23x2+10x31+3x+5x2=lim⁡x→∞3+10x1+3x+5x2=3+01+0+0=3lim⁡x→∞f(x)=e3\begin{aligned} g(x)&=\left(1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right)^x\\ \log [g(x)]&= x\log\left[1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right] =\underbrace{\frac{\log\left[1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}\right]}{1/x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}}\\ \lim_{x \to \infty} \log[g(x)]&=\lim_{x \to \infty}\dfrac{\frac{-\frac{3}{x^2}-\frac{10}{x^3}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}}}{\frac{-1}{x^2}}= \lim_{x \to \infty}x^2\frac{\frac{3}{x^2}+\frac{10}{x^3}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}} = \lim_{x \to \infty}\frac{3+\frac{10}{x}}{1+\frac{3}{x}+\frac{5}{x^2}} = \frac{3+0}{1+0+0}=3\\ \lim_{x \to \infty} f(x)&=e^3\end{aligned}

Since the limit exists, lim⁡n→∞bn=e3\lim\limits_{n \to \infty} b_n =e^3

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# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 분류
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