문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅱ · 수열의 극한

수열의 수렴과 발산

수열이 한 값에 수렴하는지, 발산(∞·진동)하는지 판단한다

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

8문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.1절 · 7번우리말 풀이

첫째항이 a1=−3a_1=-3 이고 n≥1n\ge1 에서 an+1−an=4a_{n+1}-a_n=4 를 만족하는 등차수열의 nn 번째 항 ana_n 의 식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find a formula an{a}_{n} for the nthn\text{th} term of the arithmetic sequence whose first term is a1=−3{a}_{1}=-3 such that an+1−an=4{a}_{n+1}-{a}_{n}=4 for n≥1.n\ge 1.

풀이 보기

이웃한 항의 차가 일정하면 등차수열이고, 일반항은 an=a1+(n−1)da_n=a_1+(n-1)d 예요.

  1. 1

    수열의 종류를 알아봐요. an+1−an=4a_{n+1}-a_n=4 로 차가 일정하니 공차 d=4d=4 인 등차수열이에요.

  2. 2

    일반항 공식에 넣어요. an=a1+(n−1)d=−3+4(n−1)=4n−7a_n=a_1+(n-1)d=-3+4(n-1)=4n-7

  3. 3

    확인해요. a1=4−7=−3a_1=4-7=-3, a2=1a_2=1, a3=5a_3=5 로 차가 44 씩이에요.

답

an=4n−7a_n=4n-7

자주 하는 실수

(n−1)(n-1) 대신 nn 을 곱해 an=4n−3a_n=4n-3 으로 쓰는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

an=4n−7{a}_{n}=4n-7

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 63번
# 수열의 수렴과 발산계산기본
2.OpenStax 2권 · 5.1절 · 15번우리말 풀이

다음과 같이 점화식으로 정의된 수열에 대하여, nn 번째 항 ana_n 을 an=f(n)a_n=f(n) 으로 나타내는 함수 f(n)f(n) 을 구하세요.

a1=2a_1=2 이고 n≥1n\ge1 에서 an+1=2ana_{n+1}=2a_n

영어 원문 보기

Find a function f(n)f(n) that identifies the nthn\text{th} term an{a}_{n} of the following recursively defined sequences, as an=f(n).{a}_{n}=f(n).

a1=2{a}_{1}=2 and an+1=2an{a}_{n+1}=2{a}_{n} for n≥1n\ge 1

답 쓰고 채점
풀이 보기

an+1=2ana_{n+1}=2a_n 은 "앞 항에 2를 곱한다"는 뜻이니 공비가 2인 등비수열이에요.

  1. 1

    몇 개 항을 직접 써 봐요. a1=2a_1=2, a2=2⋅2=4a_2=2\cdot2=4, a3=2⋅4=8a_3=2\cdot4=8, a4=16a_4=16 이에요. 모두 2의 거듭제곱이에요.

  2. 2

    등비수열의 일반항 공식을 써요. 첫째항 a1=2a_1=2, 공비 r=2r=2 이므로 an=a1 r n−1=2⋅2 n−1=2 na_n=a_1\,r^{\,n-1}=2\cdot2^{\,n-1}=2^{\,n}

  3. 3

    확인해요. an+1=2n+1=2⋅2n=2ana_{n+1}=2^{n+1}=2\cdot2^n=2a_n 이고 a1=21=2a_1=2^1=2 이므로 조건을 모두 만족해요.

답

f(n)=2nf(n)=2^{n}

자주 하는 실수

공비를 곱하는 횟수가 n−1n-1 번인데 nn 번으로 세어 2n+12^{n+1} 이라고 쓰는 실수가 있어요.

원본 교재 풀이(영어)

f(n)=2nf(n)={2}^{n}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 39번
# 수열의 수렴과 발산계산기본
3.CLP-2 · 3.1절 · 1번우리말 번역

수열이 그림에 나타난 대로 계속된다고 가정하고, 각 수열의 그래프로부터 수열의 극한을 어림하세요.

그림

그림

그림

영어 원문 보기

Assuming the sequences continue as shown, estimate the limit of each sequence from its graph.

figure

figure

figure

정답·풀이 보기

(a) 수열의 값이 -2에 점점 더 가까워지는 것으로 보이므로, 이 수열의 극한을 -2로 추측한다.

(b) 전체적으로 수열의 값이 0에 매우 가까워지는 것으로 보이므로, 이 수열의 극한을 0으로 어림한다. 수열의 부호가 바뀌거나, 값이 0에서 때로는 더 멀어지고 때로는 더 가까워지는 것은 상관없다.

(c) 이 극한은 존재하지 않는다. 수열이 어떤 때는 0이고 어떤 때는 -2이며, 어느 한 값에 일관되게 매우 가까이 머물지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The values of the sequence seem to be getting closer and closer to -2, so we guess the limit of this sequence is -2.

(b) Overall, the values of the sequence seem to be getting extremely close to 0, so we approximate the limit of this sequence as 0. It doesn't matter that the sequence changes signs, or that the numbers are sometimes farther from 0, sometimes closer.

(c) This limit does not exist. The sequence is sometimes 0, sometimes -2, and not consistently staying extremely near to either one.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 2번
# 수열의 수렴과 발산그래프·표 해석기본자동 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 · 2번우리말 번역

ana_n 과 bnb_n 이 수열이고, 모든 n≥100n \geq 100 에 대해 an=bna_n=b_n 이지만 n<100n < 100 에서는 an≠bna_n \neq b_n 이라고 하자.

lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞bn\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} b_n 은 참인지 거짓인지 답하세요.

영어 원문 보기

Suppose ana_n and bnb_n are sequences, and an=bna_n=b_n for all n≥100n \geq 100, but an≠bna_n \neq b_n for n<100n < 100.

True or false: lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞bn\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} b_n.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

참이다. 수열의 끝부분의 거동을 생각하면 되는데, 이는 처음 유한 개의 항에 의존하지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

True. We consider the end behaviour of the sequences, which does not depend on any finite number of terms at their beginning.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 9번
# 수열의 수렴과 발산개념 확인기본자동 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 · 4번우리말 번역

다음 성질을 만족하는 수열 {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^{\infty} 의 예를 하나 드세요.

  • n≤1000n \leq 1000 인 모든 nn 에 대해 an>1000a_n>1000,
  • 모든 nn 에 대해 an+1<ana_{n+1}<a_n, 그리고
  • lim⁡n→∞an=−2\lim\limits_{n \to \infty} a_n = -2
영어 원문 보기

Give an example of a sequence {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^{\infty} with the following properties:

  • an>1000a_n>1000 for all n≤1000n \leq 1000,
  • an+1<ana_{n+1}<a_n for all nn, and
  • lim⁡n→∞an=−2\lim\limits_{n \to \infty} a_n = -2
정답·풀이 보기

가능한 답은 많다. 그중 하나는 다음과 같다. an={3000−n 만일 n≤1000−2+1n 만일 n>1000a_n = \begin{cases} 3000-n & \text{ 만일 }n \leq 1000\\ -2+\frac{1}{n} & \text{ 만일 }n > 1000 \end{cases} 여기서는 1000번째 항을 기준으로 앞뒤의 모양이 다른 급수를 잡았다. 모든 항이 바로 앞의 항보다 작음에 주목한다.

원하는 성질을 갖는 또 다른 수열은 다음과 같다. an=1,002,001n−2a_n=\frac{1,002,001}{n}-2 n≤1000n \leq 1000 일 때, an≥1,002,0011000−2>1,002,0001,000−2=1000a_n \geq \frac{1,002,001}{1000}-2>\frac{1,002,000}{1,000}-2=1000 이다. 즉, n≤1000n \le 1000 일 때 an>1000a_n>1000 이다. nn 이 커질수록 ana_n 은 작아지므로 모든 nn 에 대해 an+1<ana_{n+1}<a_n 이다. 마지막으로 lim⁡n→∞an=0−2=−2\lim\limits_{n \to \infty} a_n = 0-2=-2 이다.

원본 교재 풀이(영어)

There are many possible answers. One is: an={3000−n if n≤1000−2+1n if n>1000a_n = \begin{cases} 3000-n & \text{ if }n \leq 1000\\ -2+\frac{1}{n} & \text{ if }n > 1000 \end{cases} where we have a series that looks different before and after its thousandth term. Note every term is smaller than the term preceding it.

Another sequence with the desired properties is: an=1,002,001n−2a_n=\frac{1,002,001}{n}-2 When n≤1000n \leq 1000, an≥1,002,0011000−2>1,002,0001,000−2=1000a_n \geq \frac{1,002,001}{1000}-2>\frac{1,002,000}{1,000}-2=1000. That is, an>1000a_n>1000 when n≤1000n \le 1000. As nn gets larger, ana_n gets smaller, so an+1<ana_{n+1}<a_n for all nn. Finally, lim⁡n→∞an=0−2=−2\lim\limits_{n \to \infty} a_n = 0-2=-2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 7번
# 수열의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 3.1절 · 5번우리말 번역

다음 성질을 만족하는 수열 {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^{\infty} 의 예를 하나 드세요.

  • 모든 짝수 nn 에 대해 an>0a_n>0,
  • 모든 홀수 nn 에 대해 an<0a_n<0,
  • lim⁡n→∞an\lim\limits_{n \to \infty} a_n 은 존재하지 않는다.
영어 원문 보기

Give an example of a sequence {an}n=1∞\{a_n\}_{n=1}^{\infty} with the following properties:

  • an>0a_n>0 for all even nn,
  • an<0a_n<0 for all odd nn,
  • lim⁡n→∞an\lim\limits_{n \to \infty} a_n does not exist.
정답·풀이 보기

가능한 답 중 하나는 an=(−1)n={−1,1,−1,1,−1,1,−1,…}a_n=(-1)^{n} = \{-1, 1,-1,1,-1,1,-1,\ldots\} 이다. 또 다른 예는 an=n(−1)n={−1,2,−3,4,−5,6,−7,…}a_n=n(-1)^{n} = \{-1, 2,-3,4,-5,6,-7,\ldots\} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

One possible answer is an=(−1)n={−1,1,−1,1,−1,1,−1,…}a_n=(-1)^{n} = \{-1, 1,-1,1,-1,1,-1,\ldots\}. Another is an=n(−1)n={−1,2,−3,4,−5,6,−7,…}a_n=n(-1)^{n} = \{-1, 2,-3,4,-5,6,-7,\ldots\}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 4번
# 수열의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 3.1절 · 7번우리말 번역

아래 수열들의 극한은 조임 정리를 이용하여 구할 수 있다. 각 수열에 대해, 조임 정리에 쓸 수 있는 위에서 누르는(위쪽 경계) 수열과 아래에서 받치는(아래쪽 경계) 수열을 선택하세요.

(a) an=sin⁡nna_n = \dfrac{\sin n}{n} (b) bn=n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)b_n = \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} (c) cn=(−n)−nc_n = (-n)^{-n}

영어 원문 보기

The limits of the sequences below can be evaluated using the squeeze theorem. For each sequence, choose an upper bounding sequence and lower bounding sequence that will work with the squeeze theorem.

(a) an=sin⁡nna_n = \dfrac{\sin n}{n} (b) bn=n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)b_n = \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} (c) cn=(−n)−nc_n = (-n)^{-n}

정답·풀이 보기

(a) 모든 nn 에 대해 −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 이므로, 가능한 위쪽 경계와 아래쪽 경계의 한 가지는 −1n≤sin⁡nn≤1n\dfrac{-1}{n}\le \dfrac{\sin n}{n}\le \dfrac{1}{n} 이다. lim⁡n→∞−1n=lim⁡n→∞1n\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{-1}{n} = \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{1}{n} 이므로, 이 수열들은 조임 정리에 쓸 수 있는 올바른 비교 수열이다. (b) 모든 nn 에 대해 −1≤sin⁡n≤1 -1\leq \sin n \leq 1 이고 −5≤−5cos⁡n≤5 -5 \leq -5\cos n \leq 5 이므로

7−1−5≤7+sin⁡n−5cos⁡n≤7+red1+blue51≤7+sin⁡n−5cos⁡n≤13\begin{aligned} 7 -1 -5&\leq 7+ \sin n - 5 \cos n \leq 7+{red}1+{blue}5\\ 1&\leq 7+ \sin n - 5 \cos n \leq13 \end{aligned}

이를 통해 다음 경계를 시도해 볼 수 있다. n213en≤n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)≤n2en\dfrac{n^2}{13e^n} \le \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} \le \dfrac{n^2}{e^n} lim⁡n→∞n213en=lim⁡n→∞n2en\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^2}{13e^n} = \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^2}{e^n} 임을 확인한다(둘 다 0이며, 로피탈 법칙을 이용하여 확인할 수 있다). 따라서 이 경계들은 조임 정리에 쓰기에 적절하다. 또한 0≤n213en0\le \frac{n^2}{13e^n} 이므로 다음을 쓸 수도 있다. 0≤n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)≤n2en0 \le \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} \le \dfrac{n^2}{e^n} (c) (−n)−n=1(−n)n=(−1)nnn(-n)^{-n} = \dfrac{1}{(-n)^n} = \dfrac{(-1)^n}{n^n} 이므로 −1nn≤(−n)−n≤1nn\dfrac{-1}{n^n} \le (-n)^{-n} \le \dfrac{1}{n^n} 이다. lim⁡n→∞−1nn\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{-1}{n^n} 과 lim⁡n→∞1nn\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{1}{n^n} 이 모두 0이므로, 이 경계들은 조임 정리에 쓰기에 적절하다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 for all nn, one potential set of upper and lower bound is −1n≤sin⁡nn≤1n\dfrac{-1}{n}\le \dfrac{\sin n}{n}\le \dfrac{1}{n} Note lim⁡n→∞−1n=lim⁡n→∞1n\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{-1}{n} = \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{1}{n}, so these are valid comparison sequences for the squeeze theorem. (b) Since −1≤sin⁡n≤1 -1\leq \sin n \leq 1 and −5≤−5cos⁡n≤5 -5 \leq -5\cos n \leq 5 for all nn, we see

7−1−5≤7+sin⁡n−5cos⁡n≤7+red1+blue51≤7+sin⁡n−5cos⁡n≤13\begin{aligned} 7 -1 -5&\leq 7+ \sin n - 5 \cos n \leq 7+{red}1+{blue}5\\ 1&\leq 7+ \sin n - 5 \cos n \leq13 \end{aligned}

This gives us the idea to try the bounds n213en≤n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)≤n2en\dfrac{n^2}{13e^n} \le \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} \le \dfrac{n^2}{e^n} We check that lim⁡n→∞n213en=lim⁡n→∞n2en\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^2}{13e^n} = \lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^2}{e^n} (they're both 0–you can verify using l'Hopital's rule), so these are indeed reasonable bounds to choose to use with the squeeze theorem. Alternatively, since 0≤n213en0\le \frac{n^2}{13e^n}, we can also use 0≤n2en(7+sin⁡n−5cos⁡n)≤n2en0 \le \dfrac{n^2}{e^n(7+\sin n - 5\cos n)} \le \dfrac{n^2}{e^n} (c) Since (−n)−n=1(−n)n=(−1)nnn(-n)^{-n} = \dfrac{1}{(-n)^n} = \dfrac{(-1)^n}{n^n}, we see −1nn≤(−n)−n≤1nn\dfrac{-1}{n^n} \le (-n)^{-n} \le \dfrac{1}{n^n} Since both lim⁡n→∞−1nn\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{-1}{n^n} and lim⁡n→∞1nn\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{1}{n^n} are 0, these are reasonable bounds to use with the squeeze theorem.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 1번
# 수열의 수렴과 발산계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.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.

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