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.

121문제 · 6 / 7쪽

101.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)
102.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)
103.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)
104.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)
105.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)
106.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)
107.CLP-2 · 3.1절 · 10번우리말 번역

다음 수열의 극한을 구하세요.

(a) an=3n2−2n+54n+3a_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3} (b) bn=3n2−2n+54n2+3b_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3} (c) cn=3n2−2n+54n3+3c_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}

영어 원문 보기

Determine the limits of the following sequences.

(a) an=3n2−2n+54n+3a_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3} (b) bn=3n2−2n+54n2+3b_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3} (c) cn=3n2−2n+54n3+3c_n = \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
정답·풀이 보기

유리함수의 끝 거동을 구할 때는 지난 학기에 배운 대로, 분자와 분모에서 nn 의 최고차항을 약분하거나, 이 단계를 건너뛰고 분자와 분모의 최고차항의 차수를 비교하면 된다.

(a) 분자의 차수가 분모의 차수보다 높으므로 이 수열은 양의 무한대 또는 음의 무한대로 발산한다. nn 이 클 때 항이 양수이므로 극한은 (양의) 무한대이다. (분자가 분모보다 훨씬 더 빠르게 커져서 항의 절댓값이 매우 커진다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

an=3n2−2n+54n+3(1n1n)=3n−2+5n4+3nlim⁡n→∞an=lim⁡n→∞3n−2+5n4+3n=lim⁡n→∞3n−2+04+0=∞\begin{aligned} a_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3}\left(\dfrac{\frac1n}{\frac1n}\right)=\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} \\\lim_{n \to \infty}a_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} = \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+0}{4+0} = \infty \end{aligned} (b) 분자의 차수가 분모의 차수와 같으므로, nn 이 무한대로 갈 때 이 수열은 최고차항의 계수의 비인 34\dfrac{3}{4} 로 수렴한다. (분자가 분모와 거의 같은 속도로 커지므로 항이 거의 일정한 비로 안정된다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

bn=3n2−2n+54n2+3(1n21n2)=3−2n+5n24+3n2lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞3−2n+5n24+3n2=3−0+04+0=34\begin{aligned} b_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right)=\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} \\\lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} = \frac{3-0+0}{4+0}=\frac{3}{4} \end{aligned} (c) 분자의 차수가 분모의 차수보다 낮으므로, nn 이 무한대로 갈 때 이 수열은 0 으로 수렴한다. (분모가 분자보다 훨씬 더 빠르게 커져서 항이 매우 작아진다고 생각할 수 있다.)

더 길게 계산하면 다음과 같다.

cn=3n2−2n+54n3+3(1n31n3)=3n−2n2+5n34+3n3lim⁡n→∞cn=lim⁡n→∞3n−2n2+5n34+3n3=0−0+04+0=0\begin{aligned} c_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^3}}{\frac{1}{n^3}}\right)=\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} \\\lim_{n \to \infty}c_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} = \dfrac{0-0+0}{4+0}=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

When determining the end behaviour of rational functions, recall from last semester that we can either cancel out the highest power of nn from the numerator and denominator, or skip this step and compare the highest powers of the numerator and denominator.

(a) Since the numerator has a higher degree than the denominator, this sequence will diverge to positive or negative infinity; since its terms are positive for large nn, its limit is (positive) infinity. (You can imagine that the numerator is growing much, much faster than the denominator, leading the terms to have a very, very large absolute value.)

Calculating the longer way:

an=3n2−2n+54n+3(1n1n)=3n−2+5n4+3nlim⁡n→∞an=lim⁡n→∞3n−2+5n4+3n=lim⁡n→∞3n−2+04+0=∞\begin{aligned} a_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n+3}\left(\dfrac{\frac1n}{\frac1n}\right)=\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} \\\lim_{n \to \infty}a_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+\frac5n}{4+\frac3n} = \lim_{n \to \infty}\dfrac{3n-2+0}{4+0} = \infty \end{aligned} (b) Since the numerator has the same degree as the denominator, as nn goes to infinity, this sequence will converge to the ratio of their leading coefficients: 34\dfrac{3}{4}. (You can imagine that the numerator is growing at roughly the same rate as the denominator, so the terms settle into an almost-constant ratio.)

Calculating the longer way:

bn=3n2−2n+54n2+3(1n21n2)=3−2n+5n24+3n2lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞3−2n+5n24+3n2=3−0+04+0=34\begin{aligned} b_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^2+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right)=\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} \\\lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{3-\frac2n+\frac{5}{n^2}}{4+\frac{3}{n^2}} = \frac{3-0+0}{4+0}=\frac{3}{4} \end{aligned} (c) Since the numerator has a lower degree than the denominator, this sequence will converge to 0 as nn goes to infinity. (You can imagine that the denominator is growing much, much faster than the numerator, leading the terms to be very, very small.)

Calculating the longer way:

cn=3n2−2n+54n3+3(1n31n3)=3n−2n2+5n34+3n3lim⁡n→∞cn=lim⁡n→∞3n−2n2+5n34+3n3=0−0+04+0=0\begin{aligned} c_n &= \dfrac{3n^2-2n+5}{4n^3+3}\left(\dfrac{\frac{1}{n^3}}{\frac{1}{n^3}}\right)=\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} \\\lim_{n \to \infty}c_n &= \lim_{n \to \infty}\dfrac{\frac{3}{n}-\frac{2}{n^2}+\frac{5}{n^3}}{4+\frac{3}{n^3}} = \dfrac{0-0+0}{4+0}=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 11번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
108.CLP-2 · 3.1절 · 11번우리말 번역

수열 an=4n3−21ne+1na_n = \dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence an=4n3−21ne+1na_n = \dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

얼핏 보면 nn 이 커질 때 분자와 분모가 모두 매우 커지므로, 극한을 구하려면 조금 더 생각해야 한다.

이 수열은 유리함수 꼴이 아니지만, 분자와 분모를 모두 nen^e 으로 나누면 상황을 더 분명히 볼 수 있다.

an=4n3−21ne+1n(1ne1ne)=4n3−e−21ne1+1ne+1e<3 이므로 3−e 는 양수이고, 따라서 lim⁡n→∞n3−e=∞ 이다.lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞4n3−e−21ne1+1ne+1=lim⁡n→∞4n3−e−01+0=∞\begin{aligned} a_n&=\dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}\left(\frac{\frac{1}{n^e}}{\frac{1}{n^e}}\right) = \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} \\ \text{$e<3$ 이므로 $3-e$ 는 양수이고, 따라서 $\lim\limits_{n \to \infty}n^{3-e}=\infty$ 이다.} \\ \lim_{n \to \infty}a_n&=\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} =\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-0}{1+0} = \infty \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

At first glance, we see both the numerator and denominator grow huge as nn increases, so we'll need to think a little further to find the limit.

We don't have a rational function, but we can still divide the top and bottom by nen^e to get a clearer picture.

an=4n3−21ne+1n(1ne1ne)=4n3−e−21ne1+1ne+1Since e<3, we see 3−e is positive, so lim⁡n→∞n3−e=∞.lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞4n3−e−21ne1+1ne+1=lim⁡n→∞4n3−e−01+0=∞\begin{aligned} a_n&=\dfrac{4n^3-21}{n^e+\frac{1}{n}}\left(\frac{\frac{1}{n^e}}{\frac{1}{n^e}}\right) = \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} \\ \text{Since $e<3$, we see $3-e$ is positive, so $\lim\limits_{n \to \infty}n^{3-e}=\infty$.} \\ \lim_{n \to \infty}a_n&=\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-\frac{21}{n^e}}{1+\frac{1}{n^{e+1}}} =\lim_{n \to \infty} \dfrac{4n^{3-e}-0}{1+0} = \infty \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 17번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
109.CLP-2 · 3.1절 · 12번우리말 번역

수열 bn=n4+19n+3b_n = \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence bn=n4+19n+3b_n = \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 수열은 유리식 꼴이 아니지만, 분자와 분모에서 n\sqrt{n} 을 묶어 내면 상황이 분명해진다.

bn=n4+19n+3(1n1n)=1n4+1n9+3nlim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞1n4+1n9+3n=0+09+0=0\begin{aligned} b_n &= \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}\left(\dfrac{\frac{1}{\sqrt n}}{\frac{1}{\sqrt n}}\right)= \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}}\\ \lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty} \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}} = \dfrac{0+0}{\sqrt{9+0}}=0 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This isn't a rational sequence, but factoring out n\sqrt{n} from the top and bottom will still clear things up.

bn=n4+19n+3(1n1n)=1n4+1n9+3nlim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞1n4+1n9+3n=0+09+0=0\begin{aligned} b_n &= \dfrac{\sqrt[4]{n}+1}{\sqrt{9n+3}}\left(\dfrac{\frac{1}{\sqrt n}}{\frac{1}{\sqrt n}}\right)= \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}}\\ \lim_{n \to \infty}b_n &= \lim_{n \to \infty} \dfrac{\frac{1}{\sqrt[4]{n}}+\frac{1}{\sqrt{n}}}{\sqrt{9+\frac{3}{n}}} = \dfrac{0+0}{\sqrt{9+0}}=0 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 10번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
110.CLP-2 · 3.1절 · 14번우리말 번역

수열 an=nsin⁡nn2a_n = \dfrac{n^{\sin n}}{n^2} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence an=nsin⁡nn2a_n = \dfrac{n^{\sin n}}{n^2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 수열의 분모는 한없이 커진다. 분자는 예측하기 어렵다. nn 이 크다고 하자. sin⁡n\sin n 이 −1-1 에 가까우면 nsin⁡nn^{\sin n} 은 nn 의 거듭제곱이 “분모에 있는” 꼴이 되므로 nsin⁡nn^{\sin n} 이 0 에 매우 가까워질 수 있다. sin⁡n\sin n 이 1 에 가까우면 nsin⁡nn^{\sin n} 은 nn 에 가까우므로 크다.

이러한 변동을 다루기 위해 조임 정리를 사용한다.

  • 모든 nn 에 대해 −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 이므로, bn=n−1n2=1n3b_n = \frac{n^{-1}}{n^2} = \frac{1}{n^3} 과 cn=nn2=1nc_n = \frac{n}{n^2}=\frac{1}{n} 이라 하자. 그러면 bn≤an≤cnb_n \leq a_n \leq c_n 이다.
  • lim⁡n→∞bn=0\lim\limits_{n \to \infty}b_n=0 이고 lim⁡n→∞cn=0\lim\limits_{n \to \infty}c_n=0 이다.

따라서 조임 정리에 의해 lim⁡n→∞nsin⁡nn2=0\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^{\sin n}}{n^2}=0 이다.

참고: 모든 nn 에 대해 an≥0a_n \geq 0 이므로 아래쪽 경계로 bn=0b_n=0 을 사용할 수도 있었다.

원본 교재 풀이(영어)

The denominator of this sequence grows without bound. The numerator is unpredictable: imagine that nn is large. When sin⁡n\sin n is close to −1-1, nsin⁡nn^{\sin n} puts a power of nn “in the denominator," so we can have nsin⁡nn^{\sin n} very close to 0. When sin⁡n\sin n is close to 1, nsin⁡nn^{\sin n} is close to nn, which is large.

To control for these variations, we'll use the squeeze theorem.

  • Since −1≤sin⁡n≤1-1 \leq \sin n \leq 1 for all nn, let bn=n−1n2=1n3b_n = \frac{n^{-1}}{n^2} = \frac{1}{n^3} and cn=nn2=1nc_n = \frac{n}{n^2}=\frac{1}{n}. Then bn≤an≤cnb_n \leq a_n \leq c_n.
  • Both lim⁡n→∞bn=0\lim\limits_{n \to \infty}b_n=0 and lim⁡n→∞cn=0\lim\limits_{n \to \infty}c_n=0.

So, by the squeeze theorem, lim⁡n→∞nsin⁡nn2=0\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{n^{\sin n}}{n^2}=0 as well.

Remark: we also could have used bn=0b_n=0 for our lower bound, since an≥0a_n \geq 0 for all nn.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 15번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
111.CLP-2 · 3.1절 · 15번우리말 번역

수열 dn=e−1/nd_n = e^{-1/n} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence dn=e−1/nd_n = e^{-1/n}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

dn=e−1/n=1e1/nlim⁡n→∞dn=lim⁡n→∞1e1/n=1e0=11=1\begin{aligned} d_n&=e^{-1/n}=\frac{1}{e^{1/n}}\\ \lim_{n \to \infty }d_n&=\lim_{n \to \infty }\frac{1}{e^{1/n}} = \frac{1}{e^0}=\frac11=1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

dn=e−1/n=1e1/nlim⁡n→∞dn=lim⁡n→∞1e1/n=1e0=11=1\begin{aligned} d_n&=e^{-1/n}=\frac{1}{e^{1/n}}\\ \lim_{n \to \infty }d_n&=\lim_{n \to \infty }\frac{1}{e^{1/n}} = \frac{1}{e^0}=\frac11=1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 18번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
112.CLP-2 · 3.1절 · 17번우리말 번역

수열 bn=en2n+n2b_n=\dfrac{e^n}{2^n+n^2} 의 극한을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the limit of the sequence bn=en2n+n2b_n=\dfrac{e^n}{2^n+n^2}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저, 분자와 분모가 모두 한없이 커짐에 주목한다. 따라서 한쪽이 다른 쪽보다 훨씬 빠르게 커지는지, 아니면 일정한 비에 가까워지는지 판단해야 한다.

  • 풀이 1: 분자와 분모를 2n2^n (분모에서 가장 우세한 항이다. 이는 유리식에서 최고차항으로 묶어 내는 것과 같은 생각이다)으로 나누어 보자. bn=en2n+n2(12n12n)=(e2)n1+n22nb_n = \frac{e^n}{2^n+n^2}\left(\frac{\frac{1}{2^n}}{\frac{1}{2^n}}\right) = \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} e>2e>2 이므로 e2>1\dfrac{e}{2}>1 이고, 따라서 lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty 이다. 지수함수는 다항함수보다 훨씬 빠르게 증가하므로 lim⁡n→∞n22n=0\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n^2}{2^n}=0 임도 알 수 있다. 따라서 lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞(e2)n1+n22n=lim⁡n→∞(e2)n1+0=∞\lim\limits_{n \to \infty}b_n = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+0} = \infty
  • 풀이 2: 분자와 분모가 모두 한없이 증가하므로 로피탈의 정리를 적용한다. ddx{2x}=2xlog⁡2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\} = 2^x\log 2 임을 상기하자.

lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞en2n+n2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2nlog⁡2+2n⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)2+2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)3=1(log⁡2)3lim⁡n→∞(e2)n=∞\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}b_n&=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\dfrac{e^n}{2^n+n^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\frac{e^n}{2^n\log 2 + 2n}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{e^n}{2^n(\log 2)^2 + 2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\frac{e^n}{2^n(\log 2)^3}\\ &=\frac{1}{(\log 2)^3}\lim_{n \to \infty}{\left(\frac{e}{2}\right)^n}\\ &=\infty \end{aligned}

e>2e>2 이므로 e2>1\dfrac{e}{2}>1 이고, 따라서 lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we note that both numerator and denominator grow without bound. So, we have to decide whether one outstrips the other, or whether they reach a stable ratio.

  • Solution 1: Let's try dividing the numerator and denominator by 2n2^n (the dominant term in the denominator; this is the same idea behind factoring out the leading term in rational expressions). bn=en2n+n2(12n12n)=(e2)n1+n22nb_n = \frac{e^n}{2^n+n^2}\left(\frac{\frac{1}{2^n}}{\frac{1}{2^n}}\right) = \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} Since e>2e>2, we see e2>1\dfrac{e}{2}>1, and so lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty. Since exponential functions grow much, much faster than polynomial functions, we also see lim⁡n→∞n22n=0\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n^2}{2^n}=0. So, lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞(e2)n1+n22n=lim⁡n→∞(e2)n1+0=∞\lim\limits_{n \to \infty}b_n = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+\frac{n^2}{2^n}} = \lim\limits_{n \to \infty} \frac{\left(\frac{e}{2}\right)^n}{1+0} = \infty
  • Solution 2: Since the numerator and denominator both increase without bound, we apply l'Hopital's rule. Recall ddx{2x}=2xlog⁡2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\{2^x\} = 2^x\log 2.

lim⁡n→∞bn=lim⁡n→∞en2n+n2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2nlog⁡2+2n⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)2+2⏟num→∞den→∞=lim⁡n→∞en2n(log⁡2)3=1(log⁡2)3lim⁡n→∞(e2)n=∞\begin{aligned} \lim_{n \to \infty}b_n&=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\dfrac{e^n}{2^n+n^2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\underbrace{\frac{e^n}{2^n\log 2 + 2n}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to \infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty} \underbrace{\frac{e^n}{2^n(\log 2)^2 + 2}}_{\genfrac{}{}{0in}{}{\mathrm{num}\to\infty}{\mathrm{den}\to\infty}}\\ &=\lim_{n \to \infty}\frac{e^n}{2^n(\log 2)^3}\\ &=\frac{1}{(\log 2)^3}\lim_{n \to \infty}{\left(\frac{e}{2}\right)^n}\\ &=\infty \end{aligned}

Since e>2e>2, we see e2>1\dfrac{e}{2}>1, and so lim⁡n→∞(e2)n=∞\lim\limits_{n \to \infty}\left(\dfrac{e}{2}\right)^n=\infty.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 14번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
113.CLP-2 · 3.1절 · 18번우리말 번역

다음 수열 {ak}\big\{a_k\big\} 의 극한이 존재하면 구하세요. 단,

ak=k!sin⁡3k(k+1)!a_k=\frac{k!\sin^3 k}{(k+1)!}

영어 원문 보기

Find the limit, if it exists, of the sequence {ak}\big\{a_k\big\}, where

ak=k!sin⁡3k(k+1)!a_k=\frac{k!\sin^3 k}{(k+1)!}

정답·풀이 보기

먼저 식을 간단히 한다. 0 이상의 정수 nn 에 대해 n!=n(n−1)(n−2)⋯(2)(1)n! = n(n-1)(n-2)\cdots(2)(1) 이므로 (k+1)!=(k+1)k!(k+1)!=(k+1)k! 이다.

ak=k!sin⁡3k(k+1)!=k!sin⁡3k(k+1)k!=sin⁡3kk+1\begin{aligned} a_k&=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)!}=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)k!} = \frac{\sin^3 k}{k+1} \end{aligned}

이제 조임 정리를 사용할 수 있다.

  • 모든 kk 에 대해 −1≤sin⁡k≤1-1 \leq \sin k \leq 1 이므로 −1≤sin⁡3k≤1-1 \leq \sin^3k \leq 1 이다. bk=−1k+1b_k = \frac{-1}{k+1}, ck=1k+1c_k = \frac{1}{k+1} 이라 하면 bk≤ak≤ckb_k \leq a_k \leq c_k 이다.
  • lim⁡k→∞bk=0\lim\limits_{k \to \infty}b_k=0 이고 lim⁡k→∞ck=0\lim\limits_{k \to \infty}c_k=0 이다.

따라서 조임 정리에 의해 lim⁡k→∞ak=0\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_k=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we simplify. Remember n!=n(n−1)(n−2)⋯(2)(1)n! = n(n-1)(n-2)\cdots(2)(1) for any whole number nn, so (k+1)!=(k+1)k!(k+1)!=(k+1)k! .

ak=k!sin⁡3k(k+1)!=k!sin⁡3k(k+1)k!=sin⁡3kk+1\begin{aligned} a_k&=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)!}=\frac{k!\sin^3k}{(k+1)k!} = \frac{\sin^3 k}{k+1} \end{aligned}

Now, we can use the squeeze theorem.

  • −1≤sin⁡k≤1-1 \leq \sin k \leq 1 for all kk, so −1≤sin⁡3k≤1-1 \leq \sin^3k \leq 1. Let bk=−1k+1b_k = \frac{-1}{k+1} and ck=1k+1c_k = \frac{1}{k+1}. Then bk≤ak≤ckb_k \leq a_k \leq c_k.
  • Both lim⁡k→∞bk=0\lim\limits_{k \to \infty}b_k=0 and lim⁡k→∞ck=0\lim\limits_{k \to \infty}c_k=0.

So, by the squeeze theorem, also lim⁡k→∞ak=0\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_k=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 19번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
114.CLP-2 · 3.1절 · 19번우리말 번역

수열 {(−1)nsin⁡(1n)}\Big\{(-1)^n\sin\big(\frac{1}{n}\big)\Big\} 을 생각하세요. 이 수열이 수렴하는지 발산하는지 말하고, 수렴하면 그 극한을 쓰세요.

영어 원문 보기

Consider the sequence {(−1)nsin⁡(1n)}\Big\{(-1)^n\sin\big(\frac{1}{n}\big)\Big\}. State whether this sequence converges or diverges, and if it converges give its limit.

정답·풀이 보기

lim⁡n→∞(−1)n\lim\limits_{n\to \infty} (-1)^n 은 존재하지 않지만, 모든 nn 에 대해 −1≤(−1)n≤1-1 \leq (-1)^n\leq 1 임에 주목한다. 조임 정리를 사용하자.

  • an=−sin⁡(1n)a_n=-\sin\left(\frac{1}{n}\right), bn=sin⁡(1n)b_n=\sin\left(\frac{1}{n}\right) 이라 하면 an≤(−1)nsin⁡(1n)≤bna_n\leq (-1)^n\sin\left(\frac{1}{n}\right) \leq b_n 이다.
  • lim⁡n→∞1n=0\lim\limits_{n \to \infty} \frac{1}{n}=0 이고 sin⁡0=0\sin 0=0 이므로, lim⁡n→∞−sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} -\sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 이고 lim⁡n→∞sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} \sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 이다.

조임 정리에 의해 수열 {(−1)nsin⁡1n}\left\{(-1)^n\sin\frac{1}{n}\right\} 은 00 으로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

Note lim⁡n→∞(−1)n\lim\limits_{n\to \infty} (-1)^n doesn't exist, but −1≤(−1)n≤1-1 \leq (-1)^n\leq 1 for all nn. Let's use the squeeze theorem.

  • Let an=−sin⁡(1n)a_n=-\sin\left(\frac{1}{n}\right) and bn=sin⁡(1n)b_n=\sin\left(\frac{1}{n}\right). Then an≤(−1)nsin⁡(1n)≤bna_n\leq (-1)^n\sin\left(\frac{1}{n}\right) \leq b_n.
  • Both lim⁡n→∞−sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} -\sin\left(\frac{1}{n}\right)=0 and lim⁡n→∞sin⁡(1n)=0\lim\limits_{n \to \infty} \sin\left(\frac{1}{n}\right)=0, since lim⁡n→∞1n=0\lim\limits_{n \to \infty} \frac{1}{n}=0 and sin⁡0=0.\sin 0=0.

By the squeeze theorem, the sequence {(−1)nsin⁡1n}\left\{(-1)^n\sin\frac{1}{n}\right\} converges to 00.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 29번
# 수열의 수렴과 발산계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
115.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)
116.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)
117.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)
118.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)
119.CLP-2 · 3.1절 · 27번우리말 번역

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

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

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

영어 원문 보기

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

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

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

정답·풀이 보기

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

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

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

그림

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

figure

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.1절 · 26번
# 수열의 수렴과 발산그래프·표 해석도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
120.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)