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.

186문제 · 10 / 10쪽

181.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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 27번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
182.CLP-2 · 3.2절 · 1번우리말 번역

급수 ∑n=1∞1n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} 에 대응하는 처음 다섯 개의 부분합을 쓰세요.

각 항을 간단히 할 필요는 없다.

영어 원문 보기

Write out the first five partial sums corresponding to the series ∑n=1∞1n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}.

You don't need to simplify the terms.

정답·풀이 보기

부분합의 수열의 NN 번째 항 SNS_N 은 급수 ∑n=1∞1n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} 의 처음 NN 개 항의 합이다. NSN1121+1231+12+1341+12+13+1451+12+13+14+15\begin{array}{l|l} \mathbf{N}&\mathbf{S_N}\\ \hline 1 & 1\\[7pt] 2 & 1+\frac12\\[7pt] 3 & 1+\frac12 + \frac13\\[7pt] 4 & 1+\frac12 + \frac13+\frac14\\[7pt] 5 & 1+\frac12 + \frac13+\frac14+\frac15\\[7pt] \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

The NNth term of the sequence of partial sums, SNS_N, is the sum of the first NN terms of the series ∑n=1∞1n\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}. NSN1121+1231+12+1341+12+13+1451+12+13+14+15\begin{array}{l|l} \mathbf{N}&\mathbf{S_N}\\ \hline 1 & 1\\[7pt] 2 & 1+\frac12\\[7pt] 3 & 1+\frac12 + \frac13\\[7pt] 4 & 1+\frac12 + \frac13+\frac14\\[7pt] 5 & 1+\frac12 + \frac13+\frac14+\frac15\\[7pt] \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.2절 · 51번
# 급수의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
183.CLP-2 · 3.2절 · 2번우리말 번역

수업에 오는 학생은 모두 강사에게 쿠키를 가져와 강사의 책상 위에 놓고 간다. kk 번째 학생이 온 뒤 강사의 책상 위에 있는 쿠키의 총수를 CkC_k 라 하자.

C11=20C_{11}=20 이고 C10=17C_{10}=17 일 때, 11번째 학생은 수업에 쿠키를 몇 개 가져왔는지 구하세요.

영어 원문 보기

Every student who comes to class brings their instructor cookies, and leaves them on the instructor's desk. Let CkC_k be the total number of cookies on the instructor's desk after the kkth student comes.

If C11=20C_{11}=20, and C10=17C_{10}=17, how many cookies did the 11th student bring to class?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

11번째 학생이 오기 전에 쿠키가 모두 17개였고 온 뒤에 20개였다면, 11번째 학생은 쿠키를 3개 가져온 것이다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

If there were a total of 17 cookies before Student 11 came, and 20 cookies after, then Student 11 brought 3 cookies.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.2절 · 1번
# 급수의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
184.CLP-2 · 3.2절 · 5번우리말 번역

f(N)f(N) 을 ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n 의 NN 번째 부분합을 나타내는 식이라 하자. (즉, f(N)=SNf(N)=S_N 이다.) 모든 N>1N > 1 에 대해 f′(N)<0f'(N)<0 이면, ana_n 에 대해 무엇을 알 수 있는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(N)f(N) be a formula for the NNth partial sum of ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n. (That is, f(N)=SNf(N)=S_N.) If f′(N)<0f'(N)<0 for all N>1N > 1, what does that say about ana_n?

정답·풀이 보기

f′(N)<0f'(N)<0 이면 f(N)f(N) 은 감소한다. 따라서 항을 더 더할수록 합이 작아진다. 이는 더해지는 항들이 음수라는 뜻이다. 즉, 모든 n≥2n \geq 2 에 대해 an<0a_n < 0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

If f′(N)<0f'(N)<0, that means f(N)f(N) is decreasing. So, adding more terms makes for a smaller sum. That means the terms we're adding are negative. That is, an<0a_n < 0 for all n≥2n \geq 2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.2절 · 2번
# 급수의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
185.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)
186.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}

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