Find the limit of the sequence
{log(sinn1)+log(2n)}.
정답·풀이 보기
먼저 상황을 정리해 보자. n→∞ 일 때 sin(1/n)→sin(0)=0 이므로 log(sin(1/n))→−∞ 이다. 그런데 log(2n)→∞ 이다. 따라서 두 부분이 수열의 항을 서로 다른 방향으로 끌어당기는 상황이 되어 판단하기 어렵다. ("−∞+∞=0" 과 같은 결론을 내릴 수 없음을 떠올리자.)
로그의 성질을 이용하여 더 명확하게 살펴보자.
log(sinn1)+log(2n)=log(2nsin(n1))
그래도 여전히 부정형이다. 2nsin(1/n) 은 한없이 커지는 2n 과 0에 가까워지는 sin(1/n) 의 곱이기 때문이다. 앞에서 우리는 (약간의 식 변형 후) 로피탈의 정리로 부정형 0⋅∞ 를 다룰 수 있음을 배웠지만, 더 간단한 방법이 있다. n→∞ 일 때 1/n→0 임에 주목하자. n1=x 로 놓으면, 이 극한의 한 부분이 익숙한 꼴이 된다.
참고: x→0limxsinx=1 임을 잊었다면, 이 극한도 로피탈의 정리를 이용하여 구할 수 있다.
den→0num→0x→0limxsinx=x→0lim1cosx=cos0=1
원본 교재 풀이(영어)
Let's take stock: sin(1/n)→sin(0)=0 as n→∞, so log(sin(1/n))→−∞. However, log(2n)→∞. 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.")
We try using logarithm rules to get a clearer picture.
log(sinn1)+log(2n)=log(2nsin(n1))
Still, we have indeterminate behaviour: 2nsin(1/n) is the product of 2n, which grows without bound, and sin(1/n), which approaches zero. In the past, we learned that we can handle the indeterminate form 0⋅∞ with l'Hopital's rule (after a little algebra), but there's a slicker way. Note 1/n→0 as n→∞. If we write n1=x, then this piece of our limit resembles something familiar.
2nsin(n1)If n→∞, then x=n1→0.n→∞lim2nsin(n1)That limit is familiar:Then:n→∞limlog(2nsin(n1))=2(xsinx)=2x→0limxsinx=2(1)=2=log2
Note: if you have forgotten that x→0limxsinx=1, you can also evaluate this limit using l'Hopital's rule:
First, although this sequence is not defined for some small values of n, it is defined as long as n≥5, so it's not a problem to take the limit as n→∞. Second, we notice that our limit has the indeterminate form ∞−∞. 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. 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−n2−5nNow, we’ll cancel out n from the top and the bottom. Note n=n2.Now, the limit is clear.n→∞lim1+n5+1−n510=(n2+5n−n2−5n)(n2+5n+n2−5nn2+5n+n2−5n)=n2+5n+n2−5n(n2+5n)−(n2−5n)=n2+5n+n2−5n10n=n2+5n+n2−5n10n(n1n1)=n2+5n+n2−5n10n(n21n1)=1+n5+1−n510=1+0+1+010=1+110=5
Evaluate the limit of the sequence {n[(2+n1)100−2100]}n=1∞.
정답·풀이 보기
먼저, 이 극한이 부정형임에 주목한다. n 이 커지면 2+n1→2 이므로
n[(2+n1)100−2100] 은 ∞⋅0 꼴이다. 이 어려움을 해결하기 위해 약간의 대수적 계산과 로피탈 정리를 쓸 수도 있지만, 더 깔끔한 방법이 있다. h=n1 로 놓으면 n→∞ 일 때 h→0 이고, 구하는 극한은 다음과 같다.
따라서 f(x)=x100 으로 놓으면 구하는 극한은 곧 f′(2) 이다. 즉 [100x99]x=2=100⋅299 이다.
원본 교재 풀이(영어)
First, we note that we have in indeterminate form: as n grows, 2+n1→2, so
n[(2+n1)100−2100] has the form ∞⋅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=n1, then h→0 as n→∞, and our limit looks like:
n→∞limn[(2+n1)100−2100]This reminds us of the definition of a derivative.dxd{x100}=h→0limh(2+h)100−2100=h→0limh(x+h)100−x100
So, if we set f(x)=x100, our limit is simply f′(2). That is, [100x99]x=2=100⋅299.
If we naively try to find the limit, we run up against the indeterminate form 1∞. We'd like to use l'Hopital's rule, but we don't have the form ∞∞ or 00–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=n1, and f(x)=(1+3x+5x2)1/x. Then bn=f(n1)=f(x), and
n→∞limf(n1)=x→0+limf(x).
If this limit exists, it is equal to n→∞limbn.