문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 극한 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.1절 · 26번우리말 번역

{An}n=3∞\{A_n\}_{n=3}^\infty 을 변이 nn 개인 정다각형의 넓이라 하자. 다각형의 무게중심에서 각 꼭짓점까지의 거리는 1이다.

그림

(a) 다각형을 nn 개의 삼각형으로 나누어 AnA_n 에 대한 식을 구하세요. (b) lim⁡n→∞An\lim\limits_{n \to \infty} A_n 은 얼마인지 구하세요.

영어 원문 보기

Let {An}n=3∞\{A_n\}_{n=3}^\infty be the area of a regular polygon with nn sides, with the distance from the centroid of the polygon to each corner equal to 1.

figure

(a) By dividing the polygon into nn triangles, give a formula for AnA_n. (b) What is lim⁡n→∞An\lim\limits_{n \to \infty} A_n?

정답·풀이 보기

(a) 넓이 AnA_n 을 구하기 위해, 변이 nn 개인 도형을 nn 개의 이등변삼각형으로 나눌 수 있음에 주목한다. 각 삼각형은 길이가 1인 두 변과 그 사이의 각 2πn\frac{2\pi}{n} 를 가진다.

그림

이 삼각형 하나의 넓이는 각각 12sin⁡(2πn)\frac{1}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) 이다.

그림

모두 합하면 nn 각형의 넓이는 An=n2sin⁡(2πn)A_n = \displaystyle\frac{n}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) 이다.

(b) lim⁡n→∞An\displaystyle\lim_{n \to \infty} A_n 은 ∞×0\infty \times 0 꼴의 부정형이며, 이를 구하는 두 가지 방법을 살펴본다.

먼저, n→∞n \to \infty 일 때 도형은 점점 반지름이 1인 원에 가까워진다. 따라서 AnA_n 은 반지름이 1인 원의 넓이에 가까워진다. 즉 lim⁡n→∞An=π\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n = \pi 이다.

다른 방법으로, 극한 lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim\limits_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1 을 이용할 수 있다. x=2πnx=\frac{2\pi}{n} 라 하자. n→∞n \to \infty 이면 x→0x \to 0 임에 주목한다.

lim⁡n→∞An=lim⁡n→∞n2sin⁡(2πn)=lim⁡n→∞π2πnsin⁡(2πn)=lim⁡x→0πsin⁡xx=π×1=π\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}A_n&=\lim_{n \to \infty}\frac{n}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) = \lim_{n \to \infty}\frac{\pi}{\frac{2\pi}{n}}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) \\ &=\lim_{x \to 0}\pi\frac{\sin x}{x} =\pi\times 1=\pi \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a) To find the area AnA_n, note that the figure with nn sides can be divided up into nn isosceles triangles, each with two sides of length 1 and angle between them of 2πn\frac{2\pi}{n}:

figure

Each of these triangles has area 12sin⁡(2πn)\frac{1}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right):

figure

All together, the area of the nn-sided figure is An=n2sin⁡(2πn)A_n = \displaystyle\frac{n}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right).

(b) We will discuss two ways to find lim⁡n→∞An\displaystyle\lim_{n \to \infty} A_n, which has the indeterminate form ∞×0\infty \times 0.

First, note that as n→∞n \to \infty, our figures look more and more like a circle of radius 1. So, we see AnA_n is approaching the area of a circle of radius 1. That is, lim⁡n→∞An=π\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n = \pi.

Alternately, we can make use of the limit lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim\limits_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1. Let x=2πnx=\frac{2\pi}{n}. Note if n→∞n \to \infty, then x→0x \to 0.

lim⁡n→∞An=lim⁡n→∞n2sin⁡(2πn)=lim⁡n→∞π2πnsin⁡(2πn)=lim⁡x→0πsin⁡xx=π×1=π\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}A_n&=\lim_{n \to \infty}\frac{n}{2}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) = \lim_{n \to \infty}\frac{\pi}{\frac{2\pi}{n}}\sin\left(\frac{2\pi}{n}\right) \\ &=\lim_{x \to 0}\pi\frac{\sin x}{x} =\pi\times 1=\pi \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 24번
# 수열의 수렴과 발산그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 3.1절 · 27번우리말 번역

상수 xx 에 따라 정해지는 수열 {fn}\{f_n\} 을 다음과 같이 정의한다고 하자. fn(x)={1n≤x<n+10그 외f_n(x) = \begin{cases} 1 & n \leq x < n+1\\ 0 & \text{그 외} \end{cases} 고정된 상수 x≥1x \ge 1 에 대해 {fn}\{f_n\} 은 수열 {0,0,0,…,0,1,0,…,0,0,0,…}\{0,0,0,\ldots,0,1,0,\ldots,0,0,0,\ldots\} 이다. 0이 아닌 유일한 항은 kk 번째 자리에 있으며, 여기서 kk 는 xx 를 0 이상의 정수로 내림한 값이다. x<1x<1 이면 이 수열은 모든 항이 0이다.

xx 에 서로 다른 값을 대입할 수 있으므로, fn(x)f_n(x) 를 수열을 대응시키는 함수로 생각할 수 있다. 즉 xx 가 다르면 수열이 달라진다. 한편 nn 을 고정한다고 생각하면 fn(x)f_n(x) 는 그냥 함수이며, fn(x)f_n(x) 는 xx 에 대응하는 수열의 nn 번째 항이다.

(a) 곡선 y=f2(x)y=f_2(x) 의 그래프를 그리세요. (b) 곡선 y=f3(x)y=f_3(x) 의 그래프를 그리세요. (c) An=∫0∞fn(x) dxA_n = \int_0^\infty f_n(x)\,\mathrm{d}x 라고 정의하자. 수열 {An}n=1∞\{A_n\}_{n=1}^\infty 을 간단히 설명하세요. (d) lim⁡n→∞An\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n 의 값을 구하세요. (e) 상수 xx 에 대해 lim⁡n→∞fn(x)\displaystyle\lim_{n \to \infty} f_n(x) 의 값을 구하고, 그 결과를 g(x)g(x) 라고 하세요. (f) ∫0∞g(x) dx\displaystyle \int_0^\infty g(x)\,\mathrm{d}x 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose we define a sequence {fn}\{f_n\}, which depends on some constant xx, as the following: fn(x)={1n≤x<n+10elsef_n(x) = \begin{cases} 1 & n \leq x < n+1\\ 0 & \text{else} \end{cases} For a fixed constant x≥1x \ge 1, {fn}\{f_n\} is the sequence {0,0,0,…,0,1,0,…,0,0,0,…}\{0,0,0,\ldots,0,1,0,\ldots,0,0,0,\ldots\}. The sole nonzero element comes in position kk, where kk is what we get when we round xx down to a whole number. If x<1x<1, then the sequence consists of all zeroes.

Since we can plug in different values of xx, we can think of fn(x)f_n(x) as a function of sequences: a different xx gives you a different sequence. On the other hand, if we imagine fixing nn, then fn(x)f_n(x) is just a function, where fn(x)f_n(x) gives the nnth term in the sequence corresponding to xx.

(a) Sketch the curve y=f2(x)y=f_2(x). (b) Sketch the curve y=f3(x)y=f_3(x). (c) Define An=∫0∞fn(x) dxA_n = \int_0^\infty f_n(x)\,\mathrm{d}x. Give a simple description of the sequence {An}n=1∞\{A_n\}_{n=1}^\infty. (d) Evaluate lim⁡n→∞An\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n. (e) Evaluate lim⁡n→∞fn(x)\displaystyle\lim_{n \to \infty} f_n(x) for a constant xx, and call the result g(x)g(x). (f) Evaluate ∫0∞g(x) dx\displaystyle \int_0^\infty g(x)\,\mathrm{d}x.

정답·풀이 보기

(a) f2(x)={12≤x<30그 외f_2(x) = \begin{cases} 1 & 2 \leq x < 3\\ 0 & \text{그 외} \end{cases}

그림 (b) f3(x)={13≤x<40그 외f_3(x) = \begin{cases} 1 & 3 \leq x < 4\\ 0 & \text{그 외} \end{cases}

그림 (c) 모든 nn 에 대해 길이가 1인 구간에서 fn(x)=1f_n(x)=1 이고, 그 밖의 모든 xx 에서 fn(x)=0f_n(x)=0 이다. 따라서 곡선 아래의 넓이는 한 변의 길이가 1인 정사각형의 넓이이다.

그림

그러면 모든 nn 에 대해 An=∫0∞fn(x) dx=1A_n = \int_0^\infty f_n(x)\,\mathrm{d}x=1 이다. 즉 수열 {An}\{A_n\} 은 {1,1,…,1}\{1,1,\ldots,1\}, 곧 모든 항이 1인 수열이다. (d) 위의 설명에 따라 lim⁡n→∞An=1\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n=1 이다. (e) 고정된 xx 에 대해 {fn(x)}={0,…,0,1,0,…0,0,0,0,0,…}\{f_n(x)\} = \{0,\ldots,0,1,0,\ldots 0,0,0,0,0,\ldots\} 임을 떠올리자. 특히 이 수열의 끝에는 0이 무한히 많이 있다. 따라서 lim⁡n→∞fn(x)=0\displaystyle\lim_{n \to \infty} f_n(x)=0 이다. 그러면 모든 xx 에 대해 g(x)=0g(x)=0 이다. (f) 위의 설명에 따라 ∫0∞g(x) dx=∫0∞0 dx=0\displaystyle \int_0^\infty g(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^{\infty}0\,\mathrm{d}x=0 이다.

참고: 지금까지 보인 것은, 이 특정한 fn(x)f_n(x) 에 대해 lim⁡n→∞∫0∞fn(x) dx≠∫0∞lim⁡n→∞fn(x) dx\lim_{n \to \infty}\int_0^{\infty}f_n(x)\,\mathrm{d}x \neq \int_0^{\infty}\lim_{n \to \infty} f_n(x)\,\mathrm{d}x 라는 사실이다. 즉 극한과 적분의 순서를 항상 바꿀 수 있는 것은 아니다(이 경우 적분은 이상적분이므로 적분 자체가 또 하나의 극한이다). 이 둘의 순서를 바꿀 수 있는 조건이 궁금한 독자는 “균등수렴”을 찾아보기 바란다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) f2(x)={12≤x<30elsef_2(x) = \begin{cases} 1 & 2 \leq x < 3\\ 0 & \text{else} \end{cases}

figure (b) f3(x)={13≤x<40elsef_3(x) = \begin{cases} 1 & 3 \leq x < 4\\ 0 & \text{else} \end{cases}

figure (c) For any nn, fn(x)=1f_n(x)=1 for an interval of length 1, and fn(x)=0f_n(x)=0 for all other xx. So, the area under the curve is a square of side length one.

figure

Then An=∫0∞fn(x) dx=1A_n = \int_0^\infty f_n(x)\,\mathrm{d}x=1 for all nn. That is, the sequence {An}\{A_n\} is simply {1,1,…,1}\{1,1,\ldots,1\}, a sequence of all 1s. (d) Given the description above, lim⁡n→∞An=1\displaystyle\lim_{n \to \infty}A_n=1. (e) For any fixed xx, recall {fn(x)}={0,…,0,1,0,…0,0,0,0,0,…}\{f_n(x)\} = \{0,\ldots,0,1,0,\ldots 0,0,0,0,0,\ldots\}. In particular, there are infinitely many zeroes at its end. So, lim⁡n→∞fn(x)=0\displaystyle\lim_{n \to \infty} f_n(x)=0. Then g(x)=0g(x)=0 for every xx. (f) Given the description above, ∫0∞g(x) dx=∫0∞0 dx=0\displaystyle \int_0^\infty g(x)\,\mathrm{d}x = \int_0^{\infty}0\,\mathrm{d}x=0.

Remark: what we've shown here is that, for this particular fn(x)f_n(x), lim⁡n→∞∫0∞fn(x) dx≠∫0∞lim⁡n→∞fn(x) dx\lim_{n \to \infty}\int_0^{\infty}f_n(x)\,\mathrm{d}x \neq \int_0^{\infty}\lim_{n \to \infty} f_n(x)\,\mathrm{d}x That is, we can't necessarily swap a limit with an integral (which is, in this case, another limit, since the integral is improper). The interested reader can look up “uniform convergence" to learn about the conditions under which these can be swapped.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 26번
# 수열의 수렴과 발산그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 3.2절 · 29번우리말 번역

무한히 긴 평평한 절벽에 질량을 무시할 수 있는 가는 철사에 매달린 돌들이 있다. 위치 x=1x=1 에서 시작하여, 1미터마다(위치 xx 에서, 여기서 xx 는 0 이상의 정수) 돌의 질량은 14x\dfrac{1}{4^x} kg 이고 절벽 꼭대기에서 2x2^x 미터 아래에 매달려 있다.

그림

영어 원문 보기

An infinitely long, flat cliff has stones hanging off it, attached to thin wire of negligible mass. Starting at position x=1x=1, every metre (at position xx, where xx is some whole number) the stone has mass 14x\dfrac{1}{4^x} kg and is hanging 2x2^x metres below the top of the cliff.

figure

답 쓰고 채점
J
정답·풀이 보기

위치 xx 에 있는 돌의 질량은 14x\dfrac{1}{4^x} kg 이고 이 돌을 2x2^x 미터만큼 끌어올려야 하므로, 돌 하나를 옮기는 데 필요한 일은 (14x kg)(2x m)(9.8 msec2)=9.82x J\left(\frac{1}{4^x}\text{ kg}\right)\left(2^x\text{ m}\right)\left(9.8 ~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{9.8}{2^x}\text{ J} 이다. 따라서 모든 돌을 옮기는 데 필요한 일은 다음과 같다.

∑x=1∞9.82x=∑x=0∞9.82x+1=∑x=0∞9.82⋅12x=9.82⋅11−12=9.8 J\begin{aligned} \sum_{x=1}^{\infty}\frac{9.8}{2^x}& =\sum_{x=0}^{\infty}\frac{9.8}{2^{x+1}}\\ &=\sum_{x=0}^{\infty}\frac{9.8}{2}\cdot\frac{1}{2^{x}} =\frac{9.8}{2}\cdot\frac{1}{1-\frac12}=9.8 \text{ J} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The stone at position xx has mass 14x\dfrac{1}{4^x} kg, and we have to pull it a distance of 2x2^x metres, so the work involved in moving that one stone is (14x kg)(2x m)(9.8 msec2)=9.82x J\left(\frac{1}{4^x}\text{ kg}\right)\left(2^x\text{ m}\right)\left(9.8 ~\frac{\text{m}}{\text{sec}^2}\right) = \frac{9.8}{2^x}\text{ J} Therefore, the work to move all the stones is:

∑x=1∞9.82x=∑x=0∞9.82x+1=∑x=0∞9.82⋅12x=9.82⋅11−12=9.8 J\begin{aligned} \sum_{x=1}^{\infty}\frac{9.8}{2^x}& =\sum_{x=0}^{\infty}\frac{9.8}{2^{x+1}}\\ &=\sum_{x=0}^{\infty}\frac{9.8}{2}\cdot\frac{1}{2^{x}} =\frac{9.8}{2}\cdot\frac{1}{1-\frac12}=9.8 \text{ J} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.2절 · 69번
# 급수의 수렴과 발산그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 3.2절 · 33번우리말 번역

다음 방법으로 과녁을 만드세요.

넓이가 1인 빨간 원에서 시작하여, 반지름을 3등분해서 두 개의 고리와 하나의 원을 만든다. 가운데 고리를 파란색으로 칠한다.

안쪽 원에 대해서도 같은 방식을 계속한다. 그 반지름을 3등분하고, 가운데 고리를 파란색으로 칠한다.

그림

그림

이와 같이 끝없이 계속한다. 가장 안쪽 원의 반지름을 3등분하여 두 개의 고리와 또 하나의 원을 만들고, 가운데 고리를 파란색으로 칠한다.

그림

빨간색 부분의 넓이를 구하세요.

영어 원문 보기

Create a bullseye using the following method:

Starting with a red circle of area 1, divide the radius into thirds, creating two rings and a circle. Colour the middle ring blue.

Continue the pattern with the inside circle: divide its radius into thirds, and colour the middle ring blue.

figure

figure

Continue in this way indefinitely: dividing the radius of the innermost circle into thirds, creating two rings and another circle, and colouring the middle ring blue.

figure

What is the area of the red portion?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

반지름이 RR 인 원을 생각하자. 이 원에는 R3\frac{R}{3} 에서 2R3\frac{2R}{3} 까지의 “안쪽 고리"와 2R3\frac{2R}{3} 에서 RR 까지의 “바깥쪽 고리"가 있다.

바깥쪽 고리의 넓이는 다음과 같다. πR2−π(2R3)2=59πR2\pi R^2 - \pi \left(\frac{2R}{3}\right)^2=\frac{5}{9}\pi R^2

안쪽 고리의 넓이는 다음과 같다. π(2R3)2−π(R3)2=39πR2\pi \left(\frac{2R}{3}\right)^2 - \pi \left(\frac{R}{3}\right)^2=\frac{3}{9}\pi R^2

따라서 바깥쪽 고리의 넓이에 대한 안쪽 고리의 넓이의 비는 35\frac{3}{5} 이다.

과녁 그림에서 빨간 고리와 그 바로 안쪽에 있는 파란 고리를 짝지으면, 파란 고리의 넓이는 빨간 고리 넓이의 35\frac{3}{5} 이다. 그러므로 과녁의 파란색 부분의 넓이는 빨간색 부분 넓이의 35\frac{3}{5} 이다.

원의 넓이가 1이므로, 빨간색 부분의 넓이를 AA 라 하면 1=A+35A=85A1=A+\frac{3}{5}A=\frac{8}{5}A 이다.

따라서 빨간색 부분의 넓이는 58\frac{5}{8} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We consider a circle of radius RR, with an “inner ring" from R3\frac{R}{3} to 2R3\frac{2R}{3} and an “outer ring" from 2R3\frac{2R}{3} to RR.

The area of the outer ring is: πR2−π(2R3)2=59πR2\pi R^2 - \pi \left(\frac{2R}{3}\right)^2=\frac{5}{9}\pi R^2

The area of the inner ring is: π(2R3)2−π(R3)2=39πR2\pi \left(\frac{2R}{3}\right)^2 - \pi \left(\frac{R}{3}\right)^2=\frac{3}{9}\pi R^2

So, the ratio of the inner ring's area to the outer ring's area is 35\frac{3}{5}.

In our bullseye diagram, if we pair up any red ring with the blue ring just inside it, the blue ring has 35\frac{3}{5} the area of the red ring. So, the blue portion of the bullseye has 35\frac{3}{5} the area of the red portion.

Since the circle has area 1, if we let the red portion have area AA, then 1=A+35A=85A1=A+\frac{3}{5}A=\frac{8}{5}A

So, the red portion has area 58\frac{5}{8}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.2절 · 27번
# 급수의 수렴과 발산그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)