문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 극한 전체 문제

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12문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.1절 · 46번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=tan⁡−1(n2){a}_{n}={\tan }^{-1}({n}^{2})

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=tan⁡−1(n2){a}_{n}={\tan }^{-1}({n}^{2})

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 17번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 2권 · 5.1절 · 48번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=ln⁡(n2)ln⁡(2n){a}_{n}=\frac{\ln ({n}^{2})}{\ln (2n)}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=ln⁡(n2)ln⁡(2n){a}_{n}=\frac{\ln ({n}^{2})}{\ln (2n)}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 19번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 2권 · 5.1절 · 49번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=(1−2n)n{a}_{n}={\left(1-\frac{2}{n}\right)}^{n}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=(1−2n)n{a}_{n}={\left(1-\frac{2}{n}\right)}^{n}

정답·풀이 보기

(1+1/n)n→e{(1+1/n)}^{n}\to e 이므로 k→∞k\to \infty 일 때 (1−2/n)n≈(1+k)−2k→e−2{(1-2/n)}^{n}\approx {(1+k)}^{-2k}\to {e}^{-2} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since (1+1/n)n→e,{(1+1/n)}^{n}\to e, one has (1−2/n)n≈(1+k)−2k→e−2{(1-2/n)}^{n}\approx {(1+k)}^{-2k}\to {e}^{-2} as k→∞.k\to \infty .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 5번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 2권 · 5.1절 · 50번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=ln⁡(n+2n2−3){a}_{n}=\ln \left(\frac{n+2}{{n}^{2}-3}\right)

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=ln⁡(n+2n2−3){a}_{n}=\ln \left(\frac{n+2}{{n}^{2}-3}\right)

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 25번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 2권 · 5.1절 · 51번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=2n+3n4n{a}_{n}=\frac{{2}^{n}+{3}^{n}}{{4}^{n}}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=2n+3n4n{a}_{n}=\frac{{2}^{n}+{3}^{n}}{{4}^{n}}

정답·풀이 보기

2n+3n≤2⋅3n{2}^{n}+{3}^{n}\le 2\cdot {3}^{n} 이고 n→∞n\to \infty 일 때 3n/4n→0{3}^{n}/{4}^{n}\to 0 이므로 n→∞n\to \infty 일 때 an→0{a}_{n}\to 0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

2n+3n≤2⋅3n{2}^{n}+{3}^{n}\le 2\cdot {3}^{n} and 3n/4n→0{3}^{n}/{4}^{n}\to 0 as n→∞,n\to \infty , so an→0{a}_{n}\to 0 as n→∞.n\to \infty .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 29번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.OpenStax 2권 · 5.1절 · 52번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 그 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=(1000)nn!{a}_{n}=\frac{{(1000)}^{n}}{n!}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=(1000)nn!{a}_{n}=\frac{{(1000)}^{n}}{n!}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 14번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.OpenStax 2권 · 5.1절 · 53번우리말 번역

수열의 극한을 구하거나 그 수열이 발산함을 보이세요. 수렴하면 그 극한을 구하세요.

an=(n!)2(2n)!{a}_{n}=\frac{{(n!)}^{2}}{(2n)!}

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence or show that the sequence diverges. If it converges, find its limit.

an=(n!)2(2n)!{a}_{n}=\frac{{(n!)}^{2}}{(2n)!}

정답·풀이 보기

an+1an=n!/(n+1)(n+2)⋯ (2n)\frac{{a}_{n+1}}{{a}_{n}}=n!/(n+1)(n+2)\cdots \,(2n) =1⋅2⋅3⋯n(n+1)(n+2)⋯ (2n)<1/2n=\frac{1\cdot 2\cdot 3\cdots n}{(n+1)(n+2)\cdots \,(2n)}<1/{2}^{n}. 특히 an+1/an≤1/2{a}_{n+1}/{a}_{n}\le 1/2 이므로 n→∞n\to \infty 일 때 an→0{a}_{n}\to 0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

an+1an=n!/(n+1)(n+2)⋯ (2n)\frac{{a}_{n+1}}{{a}_{n}}=n!/(n+1)(n+2)\cdots \,(2n) =1⋅2⋅3⋯n(n+1)(n+2)⋯ (2n)<1/2n.=\frac{1\cdot 2\cdot 3\cdots n}{(n+1)(n+2)\cdots \,(2n)}<1/{2}^{n}. In particular, an+1/an≤1/2,{a}_{n+1}/{a}_{n}\le 1/2, so an→0{a}_{n}\to 0 as n→∞.n\to \infty .

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 25번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.OpenStax 2권 · 5.2절 · 49번우리말 번역

[계산기 사용] 수열 tk=∑n=1k−1(1/n)−ln⁡k{t}_{k}=\sum_{n=1}^{k-1}(1/n)-\ln k 을 정의합니다. 1/x1/x 의 그래프를 이용하여 tk{t}_{k} 가 증가함을 확인하세요. k=1…100k=1\ldots 100 에 대해 tk{t}_{k} 를 그래프로 그리고, 이 수열이 수렴하는 것처럼 보이는지 말하세요.

영어 원문 보기

[T] Define a sequence tk=∑n=1k−1(1/n)−ln⁡k.{t}_{k}=\sum_{n=1}^{k-1}(1/n)-\ln k. Use the graph of 1/x1/x to verify that tk{t}_{k} is increasing. Plot tk{t}_{k} for k=1…100k=1\ldots 100 and state whether it appears that the sequence converges.

정답·풀이 보기

tk{t}_{k} 는 0.57721…tk0.57721\ldots {t}_{k} 로 수렴한다. 이 수열은 구간 [k,k+1][k,k+1] 에서 높이가 1/k1/k 인 직사각형들의 합이며, 이 직사각형들은 1/x1/x 의 그래프 위쪽에 놓인다.

제1사분면에 그려진 수열의 그래프이다. 수열은 0 가까이에서 시작하여 0.57721 에 수렴하는 것처럼 보인다.

원본 교재 풀이(영어)

tk{t}_{k} converges to 0.57721…tk0.57721\ldots {t}_{k} is a sum of rectangles of height 1/k1/k over the interval [k,k+1][k,k+1] which lie above the graph of 1/x.1/x.

This is a graph of a sequence in quadrant one that begins close to 0 and appears to converge to 0.57721.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.2절 · 71번
# 급수의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
9.APEX · 8.1절 · 41번우리말 번역

연습문제 39–42는 수열의 이론을 더 깊이 탐구한다.

수열에 대한 조임 정리를 증명하세요: {an}\{a_n\} 과 {bn}\{b_n\} 이 lim⁡n→∞an=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} a_n = L 이고 lim⁡n→∞bn=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} b_n = L 인 수열이라 하고, {cn}\{c_n\} 은 모든 nn 에 대해 an≤cn≤bna_n\leq c_n\leq b_n 인 수열이라 하자. 그러면 lim⁡n→∞cn=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} c_n = L 이다.

영어 원문 보기

Exercises 39–42 explore further the theory of sequences.

Prove the Squeeze Theorem for sequences: Let {an}\{a_n\} and {bn}\{b_n\} be such that lim⁡n→∞an=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} a_n = L and lim⁡n→∞bn=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} b_n = L, and let {cn}\{c_n\} be such that an≤cn≤bna_n\leq c_n\leq b_n for all nn. Then lim⁡n→∞cn=L\displaystyle \lim_{n\to\infty} c_n = L

정답·풀이 보기

증명 방법 하나의 개요:

임의의 ϵ>0\epsilon>0 이 주어졌다고 하자. {an}\{a_n\} 과 {bn}\{b_n\} 이 수렴하므로, 모든 n≥Nn\geq N 에 대해 ana_n 과 bnb_n 이 모두 LL 로부터 ϵ/2\epsilon/2 이내에 있게 하는 N>0N>0 이 존재한다. 따라서 두 값은 서로 많아야 ϵ\epsilon 만큼 떨어져 있다고 결론지을 수 있다. an≤cn≤bna_n\leq c_n \leq b_n 이므로 cnc_n 이 LL 로부터 ϵ\epsilon 이내에 있음을 보일 수 있고, 이로써 {cn}\{c_n\} 도 LL 로 수렴함을 알 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

A sketch of one proof method:

Let any ϵ>0\epsilon>0 be given. Since {an}\{a_n\} and {bn}\{b_n\} converge, there exists an N>0N>0 such that for all n≥Nn\geq N, both ana_n and bnb_n are within ϵ/2\epsilon/2 of LL; we can conclude that they are at most ϵ\epsilon apart from each other. Since an≤cn≤bna_n\leq c_n \leq b_n, one can show that cnc_n is within ϵ\epsilon of LL, showing that {cn}\{c_n\} also converges to LL.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 4번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
10.APEX · 8.2절 · 47번우리말 번역

조화급수를 홀수번째 항과 짝수번째 항의 합으로 나누세요. ∑n=1∞1n=∑n=1∞12n−1+∑n=1∞12n.\sum_{n=1}^\infty \frac1n = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}+\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n}. 목표는 오른쪽의 두 급수가 각각 발산함을 보이는 것입니다.

(a) 왜 ∑n=1∞12n−1>∑n=1∞12n\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}>\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n} 인지 보이세요.

(각 nthn^\text{th} 부분합을 비교하세요.) (b) 왜 ∑n=1∞12n−1<1+∑n=1∞12n\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}<1+\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n} 인지 보이세요. (c) (a)와 (b)가 홀수번째 항의 급수가 수렴하는 것과 짝수번째 항의 급수도 수렴하는 것이 서로 필요충분조건임을 어떻게 보여 주는지 설명하세요. (즉, 둘 다 수렴하거나 둘 다 발산함을 보이세요.) (d) 조화급수가 발산한다는 사실로부터 짝수번째 항의 급수와 홀수번째 항의 급수도 발산하게 되는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Break the Harmonic Series into the sum of the odd and even terms: ∑n=1∞1n=∑n=1∞12n−1+∑n=1∞12n.\sum_{n=1}^\infty \frac1n = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}+\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n}. The goal is to show that each of the series on the right diverge.

(a) Show why ∑n=1∞12n−1>∑n=1∞12n\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}>\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n}.

(Compare each nthn^\text{th} partial sum.) (b) Show why ∑n=1∞12n−1<1+∑n=1∞12n\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n-1}<1+\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{2n} (c) Explain why (a) and (b) demonstrate that the series of odd terms is convergent, if, and only if, the series of even terms is also convergent. (That is, show both converge or both diverge.) (d) Explain why knowing the Harmonic Series is divergent determines that the even and odd series are also divergent.

정답·풀이 보기

(a) 홀수번째 항의 급수의 nthn^\text{th} 부분합은 1+13+15+⋯+12n−11+\frac13+\frac15+\cdots+\frac{1}{2n-1} 이다. 짝수번째 항의 급수의 nthn^\text{th} 부분합은 12+14+16+⋯+12n\frac12+\frac14 + \frac16 + \cdots +\frac1{2n} 이다. 짝수번째 항의 급수의 각 항은 홀수번째 항의 급수에서 대응하는 항보다 작으므로 결과를 얻는다. (b) 홀수번째 항의 급수의 nthn^\text{th} 부분합은 1+13+15+⋯+12n−11+\frac13+\frac15+\cdots+\frac1{2n-1} 이다. 1에 짝수번째 항의 급수를 더한 급수의 nthn^\text{th} 부분합은 1+12+14+⋯+12(n−1)1+\frac12+\frac14+\cdots + \frac{1}{2(n-1)} 이다. 이제 짝수번째 항의 급수의 각 항은 홀수번째 항의 급수에서 대응하는 항보다 크거나 같고, 첫째 항에서만 같다. 따라서 결과를 얻는다. (c) 홀수번째 항의 급수가 수렴하면 (a)의 풀이에 의해 짝수번째 항의 급수도 수렴한다. (짝수번째 항의 급수의 nthn^\text{th} 부분합으로 이루어진 수열은 유계이고 단조증가한다.) 마찬가지로 (b)에 의해 짝수번째 항의 급수가 수렴하면 홀수번째 항의 급수도 수렴한다. 따라서 어느 한 급수가 수렴하면 다른 급수도 수렴한다.

비슷하게 (a)와 (b)를 이용하면, 어느 한 급수가 발산하면 다른 급수도 발산함을 보일 수 있다. (d) 짝수번째 항의 급수와 홀수번째 항의 급수가 모두 수렴한다면 두 급수의 합은 수렴하는 급수가 된다. 이는 두 급수의 합인 조화급수가 수렴한다는 뜻이 된다. 그러나 조화급수는 수렴하지 않는다. 그러므로 각 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The nthn^\text{th} partial sum of the odd series is 1+13+15+⋯+12n−11+\frac13+\frac15+\cdots+\frac{1}{2n-1}. The nthn^\text{th} partial sum of the even series is 12+14+16+⋯+12n\frac12+\frac14 + \frac16 + \cdots +\frac1{2n}. Each term of the even series is less than the corresponding term of the odd series, giving us our result. (b) The nthn^\text{th} partial sum of the odd series is 1+13+15+⋯+12n−11+\frac13+\frac15+\cdots+\frac1{2n-1}. The nthn^\text{th} partial sum of 1 plus the even series is 1+12+14+⋯+12(n−1)1+\frac12+\frac14+\cdots + \frac{1}{2(n-1)}. Each term of the even series is now greater than or equal to the corresponding term of the odd series, with equality only on the first term. This gives us the result. (c) If the odd series converges, the work done in (a) shows the even series converges also. (The sequence of the nthn^\text{th} partial sum of the even series is bounded and monotonically increasing.) Likewise, (b) shows that if the even series converges, the odd series will, too. Thus if either series converges, the other does.

Similarly, (a) and (b) can be used to show that if either series diverges, the other does, too. (d) If both the even and odd series converge, then their sum would be a convergent series. This would imply that the Harmonic Series, their sum, is convergent. It is not. Hence each series diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.2절 · 3번
# 급수의 수렴과 발산증명·논술자동 분류
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-2 · 3.1절 · 9번우리말 번역

{an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^\infty 을 an=cos⁡na_n = \cos n 으로 정의된 수열이라 하자.

(a) π\pi 의 홀수 배와의 차가 0.1 이내인 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하고, 그에 대응하는 ana_n 의 값을 구하세요. (b) ana_n 이 00 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요. (c) ana_n 이 11 에 가까운 서로 다른 0 이상의 정수 nn 세 개를 제시하세요. 답의 근거를 밝히세요.

참고: 이 문제는 엄밀하지는 않지만 직관적으로 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않는 이유를 보여 준다. 수열에서 −1-1 에 가까운 항이 계속해서 나타나고, 00 에 가까운 항도 계속해서 나타난다. 이를 {cos⁡(2πn)}\big\{\cos(2\pi n)\big\} 과 같은 수열과 비교해 보자. 이 수열의 항은 언제나 1 이므로 극한도 1 이다. 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않음을 보일 수 있다. 풀이를 참고하세요.

영어 원문 보기

Let {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^\infty be a sequence defined by an=cos⁡na_n = \cos n.

(a) Give three different whole numbers nn that are within 0.1 of an odd integer multiple of π\pi, and find the corresponding values of ana_n. (b) Give three different whole numbers nn such that ana_n is close to 00. Justify your answers. (c) Give three different whole numbers nn such that ana_n is close to 11. Justify your answers.

Remark: this demonstrates intuitively, though not rigorously, why lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined. We consistently find terms in the sequence that are close to −1-1, and also consistently find terms in the sequence that are close to 0. Contrast this to a sequence like {cos⁡(2πn)}\big\{\cos(2\pi n)\big\}, whose terms are always 1, and whose limit therefore is 1. It is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined. See the solution.

정답·풀이 보기

(a) π\pi 의 홀수 배 중에서 정수에 가까운 것을 찾고자 한다.

  • 풀이 1: 한 가지 방법은 π\pi 가 227\dfrac{22}{7} 에 꽤 가깝다는 사실을 떠올리는 것이다. 그러면 π\pi 에 7의 배수를 곱하면 정수에 가까운 값이 나온다. 특히 7π7\pi, 21π21\pi, 35π35\pi 는 각각 7(227)=227\left(\dfrac{22}{7}\right)=22, 21(227)=6621\left(\dfrac{22}{7}\right)=66, 35(227)=11035\left(\dfrac{22}{7}\right)=110 에 상당히 가까울 것이다. 충분히 가까운지 확인해 보자.

7π≈21.9921π≈65.9735π≈109.96\begin{aligned} 7\pi&\approx 21.99 &\qquad 21\pi &\approx 65.97 & \qquad 35\pi &\approx 109.96 \end{aligned}

따라서 실제로 2222, 6666, 110110 은 모두 π\pi 의 어떤 홀수 배에서 0.1 이내에 있다.

π\pi 의 홀수 배에서 코사인의 값은 −1-1 이므로, 수열의 값이 모두 −1-1 에 가까울 것으로 예상된다. 계산기를 사용하면 다음과 같다.

a22=cos⁡(22)≈−0.99996,a66=cos⁡(66)≈−0.99965,a110=cos⁡(110)≈−0.99902\begin{aligned}a_{22} &= \cos(22) \approx -0.99996,\\ a_{66} &= \cos(66) \approx -0.99965, \\ a_{110} &= \cos(110) \approx -0.99902 \end{aligned}

  • 풀이 2: 다른 방법으로, 정수에 가까운 것이 세 개 나올 때까지 π\pi 의 홀수 배를 차례로 나열해도 된다. 2k+1(2k+1)π13.1439.42515.71721.99928.271134.561340.841547.121753.411959.692165.972372.262578.542784.822991.113197.3933103.6735109.96\begin{array}{c|c} \hline \mathbf{2k+1}&\mathbf{(2k+1)}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&3.14\\ 3&9.42\\ 5&15.71\\ 7&21.99\\ 9&28.27\\ 11&34.56\\ 13&40.84\\ 15&47.12\\ 17&53.41\\ 19&59.69\\ 21&65.97\\ 23&72.26\\ 25&78.54\\ 27&84.82\\ 29&91.11\\ 31&97.39\\ 33&103.67\\ 35&109.96 \end{array} 앞쪽의 π\pi 의 홀수 배 중 일부(15π15\pi 와 29π29\pi 등)는 정수에 꽤 가깝지만 0.1 이내는 아니다.

(b) 어떤 정수 kk 에 대하여 x=2k+112πx = \dfrac{2k+1}{\vphantom{_1}2}\pi (즉, xx 가 π/2\pi/2 의 홀수 배)이면 cos⁡x=0\cos x =0 이다. 따라서 ana_n 의 처음 몇 개 항을 나열하여 00 에 아주 가까운 것 세 개를 찾거나, 근삿값 π≈2217\pi\approx \dfrac{22\vphantom{^1}}{7} 을 이용하여 2k+12π\dfrac{2k+1}{2}\pi 에 가까운 nn 의 값을 고르면 된다.

  • 풀이 1: 2k+12π≈(2k+1)×222×7=11×2k+17\begin{aligned} \dfrac{2k+1}{2}\pi&\approx \frac{(2k+1)\times 22}{2\times 7}=11\times\frac{2k+1}{7} \end{aligned}

따라서 2k+12k+1 이 7의 배수일 때 그 값이 정수에 가까울 것으로 예상된다. 예를 들어 2k+1=72k+1=7, 2k+1=212k+1=21, 2k+1=352k+1=35 이다.

확인해 보자. xnan 7×πA2≈10.9955711a11≈0.004421×π2≈32.9867233a33≈−0.013335×π2≈54.9778755a55≈0.0221\begin{array}{l| l| l} \qquad\mathbf{x}&\mathbf{n} & \mathbf{a_n}\\ \hline ~7\times \dfrac{\pi\vphantom{^A}}{2}\approx 10.99557 & 11&a_{11}\approx0.0044\\[10pt] 21\times \dfrac{\pi}{2} \approx 32.98672&33&a_{33}\approx-0.0133\\[10pt] 35\times \dfrac{\pi}{2} \approx 54.97787&55& a_{55}\approx 0.0221\\ \end{array} 이 ana_n 의 값들은 모두 00 에 꽤 가까워 보인다.

  • 풀이 2: ana_n 의 처음 몇 개 값을 나열하여 00 에 가까운 것을 찾을 수도 있었다.

nan10.542−0.423−0.994−0.6550.2860.9670.758−0.159−0.9110−0.84\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 1&0.54\\ 2&-0.42\\ 3&-0.99\\ 4&-0.65\\ 5&0.28\\ 6&0.96\\ 7&0.75\\ 8&-0.15\\ 9&-0.91\\ 10&-0.84 \end{array} 이런, 아직 아주 가까운 것이 없다. 더 나은 방법은 2k+12π\frac{2k+1}{2}\pi 의 값을 나열하여 정수에 가까운 것을 찾는 것이다.

2k+12k+12π11.5734.7157.85710.996914.141117.281320.421523.561726.701929.852132.992336.132539.272742.412945.553148.693351.843554.98\begin{array}{c|c} \mathbf{2k+1}&\mathbf{\frac{2k+1}{2}}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&1.57\\ 3&4.71\\ 5&7.85\\ 7&10.996\\ 9&14.14\\ 11&17.28\\ 13&20.42\\ 15&23.56\\ 17&26.70\\ 19&29.85\\ 21&32.99\\ 23&36.13\\ 25&39.27\\ 27&42.41\\ 29&45.55\\ 31&48.69\\ 33&51.84\\ 35&54.98 \end{array} 어느 정도를 “가깝다”고 받아들이느냐에 따라 다르지만, 풀이 1에서 얻은 것과 대체로 같은 후보를 찾을 수 있다.

(c) (a)와 (b)에서 쓴 방법을 그대로 사용할 수 있다. 그러나 cos⁡(n)\cos(n) 이 −1-1 에 가까운 nn 을 이미 알고 있으므로, 다음 삼각함수 항등식을 이용하는 것이 더 쉽다.

cos⁡(2m)=2cos⁡2(m)−1\begin{aligned} \cos(2m) = 2\cos^2(m) -1 \end{aligned}

이 항등식은 cos⁡(m)\cos(m) 이 −1-1 에 가까우면 cos⁡(2m)\cos(2m) 이 +1+1 에 가까움을 보여 준다. 그러므로 n=2m=2×22=44n=2m = 2\times 22=44, 2×66=1322\times 66=132, 2×110=2202\times 110=220 을 시도해 보자. nan440.99981320.99862200.9961\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 44&0.9998\\ 132&0.9986\\ 220&0.9961 \end{array} 조건에 맞는다.

참고: 이 문제의 아이디어를 엄밀한 증명으로 바꾸어 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 이 존재하지 않음을 보일 수 있다.

  • 각각의 정수 k≥1k\ge 1 에 대하여 nkn_k 를 2kπ2k\pi 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 2kπ−12≤nk≤2kπ+122k\pi-\frac{1}{2}\le n_k \le 2k\pi+\frac{1}{2} 이므로 cos⁡(nk)≥cos⁡12≥0.8\cos(n_k)\ge\cos\frac{1}{2}\ge 0.8 이다. 따라서 lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c 가 존재한다면 c≥0.8c\ge 0.8 이어야 한다.
  • 각각의 정수 k≥1k\ge 1 에 대하여 nk′n'_k 를 (2k+1)π(2k+1)\pi 에 가장 가까운 정수라 하자. 그러면 (2k+1)π−12≤nk′≤(2k+1)π+12(2k+1)\pi-\frac{1}{2}\le n'_k \le (2k+1)\pi+\frac{1}{2} 이므로 cos⁡(nk′)≤−cos⁡12≤−0.8\cos(n'_k)\le-\cos\frac{1}{2}\le -0.8 이다. 따라서 lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c 가 존재한다면 c≤−0.8c\le -0.8 이어야 한다.
  • c≥0.8c\ge 0.8 과 c≤−0.8c\le -0.8 이 동시에 성립할 수는 없으므로 lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n 은 존재하지 않는다.

참고: 이 문제는 nn 이 정수 전체를 움직일 때 모든 수 cos⁡(n)\cos(n) 의 집합이 갖는 성질도 암시한다. 수학자들은 이 집합이 “구간 [−1,1][-1,1] 에서 조밀하다”고 말한다. 이는 −1≤r≤1-1\le r\le 1 인 어떤 수 rr 을 고르더라도, cos⁡(n)\cos(n) 이 반드시 rr 과 정확히 같지는 않더라도 rr 에 원하는 만큼 가까워지는 정수 nn 이 있다는 뜻이다. 자주 쓰는 검색 엔진에 “cos⁡(n)\cos(n) dense”를 입력하면 더 많은 것을 알아볼 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We want to find odd multiples of π\pi that are close to integers.

  • Solution 1: One way to do that is to remember that π\pi is somewhat close to 227\dfrac{22}{7}. Then when we multiply π\pi by a multiple of 7, we should get something close to an integer. In particular, 7π7\pi, 21π21\pi, and 35π35\pi should be reasonably close to 7(227)=227\left(\dfrac{22}{7}\right)=22, 21(227)=6621\left(\dfrac{22}{7}\right)=66, and 35(227)=11035\left(\dfrac{22}{7}\right)=110, respectively. We check whether they are close enough:

7π≈21.9921π≈65.9735π≈109.96\begin{aligned} 7\pi&\approx 21.99 &\qquad 21\pi &\approx 65.97 & \qquad 35\pi &\approx 109.96 \end{aligned}

So indeed, 2222, 6666, and 110110 are all within 0.1 of some odd multiple of π\pi.

Since the cosine of an odd multiple of π\pi is −1-1, we expect all of the sequence values to be close to −1-1. Using a calculator:

a22=cos⁡(22)≈−0.99996,a66=cos⁡(66)≈−0.99965,a110=cos⁡(110)≈−0.99902\begin{aligned}a_{22} &= \cos(22) \approx -0.99996,\\ a_{66} &= \cos(66) \approx -0.99965, \\ a_{110} &= \cos(110) \approx -0.99902 \end{aligned}

  • Solution 2: Alternately, we could have just listed odd multiple of π\pi until we found three that are close to integers. 2k+1(2k+1)π13.1439.42515.71721.99928.271134.561340.841547.121753.411959.692165.972372.262578.542784.822991.113197.3933103.6735109.96\begin{array}{c|c} \hline \mathbf{2k+1}&\mathbf{(2k+1)}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&3.14\\ 3&9.42\\ 5&15.71\\ 7&21.99\\ 9&28.27\\ 11&34.56\\ 13&40.84\\ 15&47.12\\ 17&53.41\\ 19&59.69\\ 21&65.97\\ 23&72.26\\ 25&78.54\\ 27&84.82\\ 29&91.11\\ 31&97.39\\ 33&103.67\\ 35&109.96 \end{array} Some earlier odd multiples of π\pi (like 15π15\pi and 29π29\pi) get fairly close to integers, but not within 0.1.

(b) If x=2k+112πx = \dfrac{2k+1}{\vphantom{_1}2}\pi for some integer kk (that is, xx is an odd multiple of π/2\pi/2), then cos⁡x=0\cos x =0. So, we can either list out the first few terms of ana_n until we find three that are very close to 00, or we can use our approximation π≈2217\pi\approx \dfrac{22\vphantom{^1}}{7} to choose values of nn that are close to 2k+12π\dfrac{2k+1}{2}\pi.

  • Solution 1: 2k+12π≈(2k+1)×222×7=11×2k+17\begin{aligned} \dfrac{2k+1}{2}\pi&\approx \frac{(2k+1)\times 22}{2\times 7}=11\times\frac{2k+1}{7} \end{aligned}

So, we expect our values to be close to integers when 2k+12k+1 is a multiple of 7. For example, 2k+1=72k+1=7, 2k+1=212k+1=21, and 2k+1=352k+1=35.

We check: xnan 7×πA2≈10.9955711a11≈0.004421×π2≈32.9867233a33≈−0.013335×π2≈54.9778755a55≈0.0221\begin{array}{l| l| l} \qquad\mathbf{x}&\mathbf{n} & \mathbf{a_n}\\ \hline ~7\times \dfrac{\pi\vphantom{^A}}{2}\approx 10.99557 & 11&a_{11}\approx0.0044\\[10pt] 21\times \dfrac{\pi}{2} \approx 32.98672&33&a_{33}\approx-0.0133\\[10pt] 35\times \dfrac{\pi}{2} \approx 54.97787&55& a_{55}\approx 0.0221\\ \end{array} These seem like values of ana_n that are all pretty close to 0.

  • Solution 2: We could have listed the first several values of ana_n, and looked for some that are close to 0.

nan10.542−0.423−0.994−0.6550.2860.9670.758−0.159−0.9110−0.84\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 1&0.54\\ 2&-0.42\\ 3&-0.99\\ 4&-0.65\\ 5&0.28\\ 6&0.96\\ 7&0.75\\ 8&-0.15\\ 9&-0.91\\ 10&-0.84 \end{array} Oof. Nothing very close yet. Maybe a better way is to list values of 2k+12π\frac{2k+1}{2}\pi, and see which ones are close to integers.

2k+12k+12π11.5734.7157.85710.996914.141117.281320.421523.561726.701929.852132.992336.132539.272742.412945.553148.693351.843554.98\begin{array}{c|c} \mathbf{2k+1}&\mathbf{\frac{2k+1}{2}}\boldsymbol{\pi}\\ \hline 1&1.57\\ 3&4.71\\ 5&7.85\\ 7&10.996\\ 9&14.14\\ 11&17.28\\ 13&20.42\\ 15&23.56\\ 17&26.70\\ 19&29.85\\ 21&32.99\\ 23&36.13\\ 25&39.27\\ 27&42.41\\ 29&45.55\\ 31&48.69\\ 33&51.84\\ 35&54.98 \end{array} We find roughly the same candidates we did in Solution 1, depending on what we're ready to accept as “close".

(c) One can use the same strategies as we did for parts (a) and (b). But since we already know some nn's with cos⁡(n)\cos(n) close to −1-1, it's easier to use the trig identity

cos⁡(2m)=2cos⁡2(m)−1\begin{aligned} \cos(2m) = 2\cos^2(m) -1 \end{aligned}

This identity shows that if cos⁡(m)\cos(m) is close to −1-1, then cos⁡(2m)\cos(2m) is close to +1+1. So let's try n=2m=2×22=44n=2m = 2\times 22=44, 2×66=1322\times 66=132 and 2×110=2202\times 110=220. nan440.99981320.99862200.9961\begin{array}{c|c} \mathbf{n}&\mathbf{a_n}\\ \hline 44&0.9998\\ 132&0.9986\\ 220&0.9961 \end{array} They do the trick.

Remark: it is possible to turn the ideas of this question into a rigorous proof that lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n is undefined.

  • Let, for each integer k≥1k\ge 1, nkn_k be the integer that is closest to 2kπ2k\pi. Then 2kπ−12≤nk≤2kπ+122k\pi-\frac{1}{2}\le n_k \le 2k\pi+\frac{1}{2} so that cos⁡(nk)≥cos⁡12≥0.8\cos(n_k)\ge\cos\frac{1}{2}\ge 0.8. Consequently, if lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c exists, we must have c≥0.8c\ge 0.8.
  • Let, for each integer k≥1k\ge 1, nk′n'_k be the integer that is closest to (2k+1)π(2k+1)\pi. Then (2k+1)π−12≤nk′≤(2k+1)π+12(2k+1)\pi-\frac{1}{2}\le n'_k \le (2k+1)\pi+\frac{1}{2} so that cos⁡(nk′)≤−cos⁡12≤−0.8\cos(n'_k)\le-\cos\frac{1}{2}\le -0.8. Consequently, if lim⁡n→∞cos⁡n=c\lim\limits_{n \to \infty}\cos n=c exists, we must have c≤−0.8c\le -0.8.
  • It is impossible to have both c≥0.8c\ge 0.8 and c≤−0.8c\le -0.8, so lim⁡n→∞cos⁡n\lim\limits_{n \to \infty}\cos n does not exist.

Remark: This question also hints at a property of the set of all numbers cos⁡(n)\cos(n), with nn running over the integers. Mathematicians say that this set is “dense in the interval [−1,1][-1,1]”. This means that if you pick any number −1≤r≤1-1\le r\le 1, there is an integer nn such that cos⁡(n)\cos(n), while not necessarily being exactly rr, is as close to rr as you like. If you feed “cos⁡(n)\cos(n) dense” into your favourite search engine, you can find out more.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 59번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-2 · 3.1절 · 29번우리말 번역

실수로 이루어진 수열 {an}n=1∞\big\{a_n\big\}_{n=1}^\infty 이 n≥1n\ge 1 에 대해 점화 관계 an+1=an+83a_{n+1} = \dfrac{a_n+8}{3} 을 만족시킨다.

(a) a1=4a_1=4 라 하자. lim⁡n→∞an\lim\limits_{n \to \infty}a_n 을 구하세요. (b) x=x+83x=\dfrac{x+8}{3} 일 때 xx 를 구하세요. (c) a1=1a_1=1 이라 하자. lim⁡n→∞an=L\lim\limits_{n\rightarrow\infty} a_n = L 임을 보이세요. 여기서 LL 은 위 방정식의 해이다.

영어 원문 보기

A sequence {an}n=1∞\big\{a_n\big\}_{n=1}^\infty of real numbers satisfies the recursion relation an+1=an+83a_{n+1} = \dfrac{a_n+8}{3} for n≥1n\ge 1.

(a) Suppose a1=4a_1=4. What is lim⁡n→∞an\lim\limits_{n \to \infty}a_n? (b) Find xx if x=x+83x=\dfrac{x+8}{3}. (c) Suppose a1=1a_1=1. Show that lim⁡n→∞an=L\lim\limits_{n\rightarrow\infty} a_n = L, where LL is the solution to equation above.

정답·풀이 보기

(a) a1=4a_1=4 일 때 a2=4+83=4a_2=\dfrac{4+8}{3}=4 이고, 이와 같이 계속된다. 즉, 모든 nn 에 대해 an=4a_n=4 이다. 따라서 lim⁡n→∞an=4\lim\limits_{n \to \infty} a_n=4 이다. (b) 양변에 3을 곱하면 3x=x+83x=x+8 이므로 x=4x=4 이다. (c) 수열이 4에 수렴하려면 항들이 한없이 4에 가까워져야 한다. 그래서 an+1−4 a_{n+1}-4 와 an−4 a_n-4 사이의 관계를 구한다.

an+1=an+83an+1−4=an+83−4=an−43\begin{aligned} a_{n+1}&= \frac{a_n+8}{3} \\ a_{n+1}-4&= \frac{a_n+8}{3} -4=\frac{ a_n-4}{3}\\ \end{aligned}

따라서 수열의 항과 수 4 사이의 거리는 항이 하나 늘어날 때마다 3분의 1로 감소한다. 이는 nn 이 커질수록 항들이 한없이 4에 가까워진다는 뜻이다. 즉, lim⁡n→∞an=4\lim\limits_{n \to \infty}a_n=4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) When a1=4a_1=4, we see a2=4+83=4a_2=\dfrac{4+8}{3}=4, and so on. That is, an=4a_n=4 for every nn. So, lim⁡n→∞an=4\lim\limits_{n \to \infty} a_n=4. (b) Cross-multiplying, we see 3x=x+83x=x+8, hence x=4x=4. (c) In order for our sequence to converge to 4, the terms should be getting infinitely close to 4. So, we find the relationship between an+1−4 a_{n+1}-4 and an−4 a_n-4.

an+1=an+83an+1−4=an+83−4=an−43\begin{aligned} a_{n+1}&= \frac{a_n+8}{3} \\ a_{n+1}-4&= \frac{a_n+8}{3} -4=\frac{ a_n-4}{3}\\ \end{aligned}

So, the distance between our sequence terms and the number 4 is decreasing by a factor of 3 each term. This implies that the terms get infinitely close to 4 as nn grows. That is, lim⁡n→∞an=4\lim\limits_{n \to \infty}a_n=4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 28번
# 수열의 수렴과 발산증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)