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 · 39번우리말 풀이

다음과 같이 정의된 수열이 극한을 갖는지 판단하고, 갖는다면 그 극한을 구하세요.

a1=3a_1=3, an=2an−1a_n=\sqrt{2a_{n-1}} (n=2,3,…n=2,3,\ldots)

영어 원문 보기

Determine whether the sequence defined as follows has a limit. If it does, find the limit.

a1=3,{a}_{1}=3, an=2an−1,{a}_{n}=\sqrt{2{a}_{n-1}}, n=2,3,….n=2,3,\ldots .

풀이 보기

감소하면서 아래로 유계인 수열은 수렴하고, 극한 aa 는 a=2aa=\sqrt{2a} 를 만족해요.

  1. 1

    몇 항을 계산해 봐요. a1=3a_1=3, a2=6≈2.449a_2=\sqrt6\approx2.449, a3=2⋅2.449≈2.213a_3=\sqrt{2\cdot2.449}\approx2.213 로 줄어들면서 22 에 가까워지는 것 같아요.

  2. 2

    an>2a_n>2 임을 보여요. a1=3>2a_1=3>2 이고, an−1>2a_{n-1}>2 이면 2an−1>42a_{n-1}>4 이므로 an=2an−1>2a_n=\sqrt{2a_{n-1}}>2 예요. 따라서 모든 항이 22 보다 커요(아래로 유계).

  3. 3

    감소함을 보여요. an<an−1a_n<a_{n-1} 은 2an−1<an−1\sqrt{2a_{n-1}}<a_{n-1} 과 같고, 양변을 제곱하면 2an−1<an−122a_{n-1}<a_{n-1}^2, 즉 an−1>2a_{n-1}>2 예요. 앞 단계에서 이것이 참이므로 수열은 감소해요.

  4. 4

    수렴하므로 극한을 구해요. 감소하면서 아래로 유계인 수열은 수렴해요. 극한을 aa 라 하면 an→aa_n\to a, an−1→aa_{n-1}\to a 이므로 a=2a  ⇒  a2=2a  ⇒  a(a−2)=0a=\sqrt{2a}\;\Rightarrow\;a^2=2a\;\Rightarrow\;a(a-2)=0 모든 항이 22 보다 크니 극한은 00 일 수 없고 a=2a=2 예요.

답

수렴하고 lim⁡n→∞an=2\displaystyle\lim_{n\to\infty}a_n=2

자주 하는 실수

a2=2aa^2=2a 에서 a=0a=0 도 답이라고 쓰는 실수가 있어요. 수열이 항상 22 보다 크다는 사실로 00 을 버려야 해요.

원본 교재 풀이(영어)

an{a}_{n} is decreasing and bounded below by 2.2. The limit aa must satisfy a=2aa=\sqrt{2a} so a=2,a=2, independent of the initial value.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.1절 · 31번
# 수열의 수렴과 발산개념 확인도전
2.CLP-2 · 3.1절 · 21번우리말 번역

수열 {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the limit of the sequence {log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)} \displaystyle\left\{\log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)\right\} .

정답·풀이 보기

먼저 상황을 정리해 보자. n→∞n \to \infty 일 때 sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 이므로 log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty 이다. 그런데 log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty 이다. 따라서 두 부분이 수열의 항을 서로 다른 방향으로 끌어당기는 상황이 되어 판단하기 어렵다. ("−∞+∞=0-\infty+\infty=0" 과 같은 결론을 내릴 수 없음을 떠올리자.)

로그의 성질을 이용하여 더 명확하게 살펴보자.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

그래도 여전히 부정형이다. 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) 은 한없이 커지는 2n2n 과 0에 가까워지는 sin⁡(1/n)\sin(1/n) 의 곱이기 때문이다. 앞에서 우리는 (약간의 식 변형 후) 로피탈의 정리로 부정형 0⋅∞0\cdot\infty 를 다룰 수 있음을 배웠지만, 더 간단한 방법이 있다. n→∞n \to \infty 일 때 1/n→01/n \to 0 임에 주목하자. 1n=x\frac{1}{n}=x 로 놓으면, 이 극한의 한 부분이 익숙한 꼴이 된다.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)n→∞ 이면 x=1n→0 이다.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xx이 극한은 익숙하다:=2(1)=2그러면:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{$n \to \infty$ 이면 $x = \frac{1}{n}\to 0$ 이다.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{이 극한은 익숙하다:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{그러면:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

참고: lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1 임을 잊었다면, 이 극한도 로피탈의 정리를 이용하여 구할 수 있다.

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's take stock: sin⁡(1/n)→sin⁡(0)=0\sin(1/n) \to \sin (0)=0 as n→∞n \to \infty, so log⁡(sin⁡(1/n))→−∞\log\left(\sin(1/n)\right) \to -\infty. However, log⁡(2n)→∞\log(2n) \to \infty. 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-\infty+\infty=0.")

We try using logarithm rules to get a clearer picture.

log⁡(sin⁡1n)+log⁡(2n)=log⁡(2nsin⁡(1n))\begin{aligned} \log\left(\sin\frac{1}{n}\right)+\log(2n)&=\log\left(2n\sin\left(\frac1n\right)\right) \end{aligned}

Still, we have indeterminate behaviour: 2nsin⁡(1/n)2n\sin(1/n) is the product of 2n2n, which grows without bound, and sin⁡(1/n)\sin(1/n), which approaches zero. In the past, we learned that we can handle the indeterminate form 0⋅∞0\cdot\infty with l'Hopital's rule (after a little algebra), but there's a slicker way. Note 1/n→01/n \to 0 as n→∞n \to \infty. If we write 1n=x\frac{1}{n}=x, then this piece of our limit resembles something familiar.

2nsin⁡(1n)=2(sin⁡xx)If n→∞, then x=1n→0.lim⁡n→∞2nsin⁡(1n)=2lim⁡x→0sin⁡xxThat limit is familiar:=2(1)=2Then:lim⁡n→∞log⁡(2nsin⁡(1n))=log⁡2\begin{aligned} 2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\left(\frac{\sin x}{x}\right) \\ \text{If $n \to \infty$, then $x = \frac{1}{n}\to 0$.} \\ \lim_{n \to \infty}2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)&=2\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x} \\ \text{That limit is familiar:} \\ &=2(1)=2 \\ \text{Then:} \\ \lim_{n \to \infty}\log\left(2n\sin\left(\frac{1}{n}\right)\right)&=\log 2 \end{aligned}

Note: if you have forgotten that lim⁡x→0sin⁡xx=1\displaystyle\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}=1, you can also evaluate this limit using l'Hopital's rule:

lim⁡x→0sin⁡xx⏟num→0den→0=lim⁡x→0cos⁡x1=cos⁡0=1\begin{aligned} \underbrace{\lim_{x \to 0}\frac{\sin x}{x}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to 0}{\mathrm{den}\to0}} &=\lim_{x \to 0}\frac{\cos x}{1}=\cos 0 =1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.1절 · 1번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 3.1절 · 22번우리말 번역

lim⁡n→∞[n2+5n−n2−5n]\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left[\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\right] 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡n→∞[n2+5n−n2−5n]\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left[\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\right].

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, 이 수열은 nn 이 작은 일부 값에서는 정의되지 않지만 n≥5n \geq 5 이면 정의되므로, n→∞n \to \infty 일 때의 극한을 취하는 데에는 문제가 없다. 둘째, 이 극한은 ∞−∞\infty-\infty 꼴의 부정형이다. 이 꼴은 부정형이므로, 극한이 존재한다면 그 값을 구하기 위해 더 계산해야 한다.

지난 학기에 이런 꼴의 함수에서 보았던 대표적인 방법은 식의 켤레식 n2+5n+n2−5n\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n} 을 곱하고 나누는 것이다. 그러면 분모는 비슷한 두 항의 차가 아니라 합이 된다. 이것이 왜 도움이 되는지는 아래 계산을 보면 알 수 있다.

n2+5n−n2−5n=(n2+5n−n2−5n)(n2+5n+n2−5nn2+5n+n2−5n)=(n2+5n)−(n2−5n)n2+5n+n2−5n=10nn2+5n+n2−5n이제 분자와 분모에서 n 을 약분한다. n=n2 임에 주의한다.=10nn2+5n+n2−5n(1n1n)=10nn2+5n+n2−5n(1n1n2)=101+5n+1−5n이제 극한이 분명하다.lim⁡n→∞101+5n+1−5n=101+0+1+0=101+1=5\begin{aligned} \sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}&=\big(\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\big)\left(\frac{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\right)\\ &=\frac{(n^2+5n)-(n^2-5n)}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}} \\ \text{이제 분자와 분모에서 $n$ 을 약분한다. $n=\sqrt{n^2}$ 임에 주의한다.} \\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac1n}\right)\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac{1}{\sqrt{n^2}}}\right)\\ &=\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}} \\ \text{이제 극한이 분명하다.} \\ \lim_{n \to \infty}\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}}&=\frac{10}{\sqrt{1+0}+\sqrt{1+0}}=\frac{10}{1+1}=5 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

First, although this sequence is not defined for some small values of nn, it is defined as long as n≥5n \geq 5, so it's not a problem to take the limit as n→∞n \to \infty. Second, we notice that our limit has the indeterminate form ∞−∞\infty-\infty. 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\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}. 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−n2−5n=(n2+5n−n2−5n)(n2+5n+n2−5nn2+5n+n2−5n)=(n2+5n)−(n2−5n)n2+5n+n2−5n=10nn2+5n+n2−5nNow, we’ll cancel out n from the top and the bottom. Note n=n2.=10nn2+5n+n2−5n(1n1n)=10nn2+5n+n2−5n(1n1n2)=101+5n+1−5nNow, the limit is clear.lim⁡n→∞101+5n+1−5n=101+0+1+0=101+1=5\begin{aligned} \sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}&=\big(\sqrt{n^2+5n}-\sqrt{n^2-5n}\big)\left(\frac{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\right)\\ &=\frac{(n^2+5n)-(n^2-5n)}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}} \\ \text{Now, we'll cancel out $n$ from the top and the bottom. Note $n=\sqrt{n^2}$.} \\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac1n}\right)\\ &=\frac{10n}{\sqrt{n^2+5n}+\sqrt{n^2-5n}}\left(\frac{\frac1n}{\frac{1}{\sqrt{n^2}}}\right)\\ &=\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}} \\ \text{Now, the limit is clear.} \\ \lim_{n \to \infty}\frac{10}{\sqrt{1+\frac5n}+\sqrt{1-\frac5n}}&=\frac{10}{\sqrt{1+0}+\sqrt{1+0}}=\frac{10}{1+1}=5 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 21번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 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 · 24번우리말 번역

수열 {n[(2+1n)100−2100]}n=1∞\left\{n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]\right\}_{n=1}^{\infty} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate the limit of the sequence {n[(2+1n)100−2100]}n=1∞\left\{n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]\right\}_{n=1}^{\infty}.

정답·풀이 보기

먼저, 이 극한이 부정형임에 주목한다. nn 이 커지면 2+1n→22+\frac1n \to 2 이므로 n[(2+1n)100−2100]n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right] 은 ∞⋅0\infty \cdot 0 꼴이다. 이 어려움을 해결하기 위해 약간의 대수적 계산과 로피탈 정리를 쓸 수도 있지만, 더 깔끔한 방법이 있다. h=1nh = \frac{1}{n} 로 놓으면 n→∞n\to\infty 일 때 h→0h \to 0 이고, 구하는 극한은 다음과 같다.

lim⁡n→∞n[(2+1n)100−2100]=lim⁡h→0(2+h)100−2100h이것은 미분계수의 정의를 떠올리게 한다.ddx{x100}=lim⁡h→0(x+h)100−x100h\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]&= \lim_{h \to 0}\frac{\left(2+h\right)^{100}-2^{100}}{h} \\ \text{이것은 미분계수의 정의를 떠올리게 한다.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{x^{100}\right\}&=\lim_{h \to 0}\frac{(x+h)^{100}-x^{100}}{h} \end{aligned}

따라서 f(x)=x100f(x)=x^{100} 으로 놓으면 구하는 극한은 곧 f′(2)f'(2) 이다. 즉 [100x99]x=2=100⋅299\left[100x^{99}\right]_{x=2}= 100\cdot 2^{99} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that we have in indeterminate form: as nn grows, 2+1n→22+\frac1n \to 2, so n[(2+1n)100−2100]n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right] has the form ∞⋅0\infty \cdot 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=1nh = \frac{1}{n}, then h→0h \to 0 as n→∞n\to\infty, and our limit looks like:

lim⁡n→∞n[(2+1n)100−2100]=lim⁡h→0(2+h)100−2100hThis reminds us of the definition of a derivative.ddx{x100}=lim⁡h→0(x+h)100−x100h\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}n\left[\left(2+\frac1n\right)^{100}-2^{100}\right]&= \lim_{h \to 0}\frac{\left(2+h\right)^{100}-2^{100}}{h} \\ \text{This reminds us of the definition of a derivative.} \\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{x^{100}\right\}&=\lim_{h \to 0}\frac{(x+h)^{100}-x^{100}}{h} \end{aligned}

So, if we set f(x)=x100f(x)=x^{100}, our limit is simply f′(2)f'(2). That is, [100x99]x=2=100⋅299\left[100x^{99}\right]_{x=2}= 100\cdot 2^{99}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 22번
# 수열의 수렴과 발산계산도전자동 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 · 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)
6.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.

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# 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)
7.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
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8.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)