문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

절대수렴과 조건수렴

절댓값 급수의 수렴 여부로 절대수렴·조건수렴을 구별한다

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

10문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞(−1)n9n+5\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\displaystyle\frac{(-1)^n}{9n+5} 이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지, 발산하는지 판단하고, 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series ∑n=1∞(−1)n9n+5\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\displaystyle\frac{(-1)^n}{9n+5} is absolutely convergent, conditionally convergent, or divergent; justify your answer.

정답·풀이 보기

급수 ∑n=1∞(−1)n9n+5\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{9n+5} 은 교대급수 판정법에 의해 수렴한다. 한편 급수 ∑n=1∞∣(−1)n9n+5∣=∑n=1∞19n+5\sum\limits_{n=1}^{\infty}\big|\frac{(-1)^n}{9n+5}\big| =\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{9n+5} 은 bn=1nb_n=\frac{1}{n} 과의 극한비교판정법에 의해 발산한다. 따라서 주어진 급수는 조건수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

The series ∑n=1∞(−1)n9n+5\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{9n+5} converges by the alternating series test. On the other hand the series ∑n=1∞∣(−1)n9n+5∣=∑n=1∞19n+5\sum\limits_{n=1}^{\infty}\big|\frac{(-1)^n}{9n+5}\big| =\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{9n+5} diverges by the limit comparison test with bn=1nb_n=\frac{1}{n}. So the given series is conditionally convergent.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 13번
# 절대수렴과 조건수렴증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞(−1)2n+11+n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{2n+1}}{1+n} 이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지, 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series ∑n=1∞(−1)2n+11+n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{2n+1}}{1+n} is absolutely convergent, conditionally convergent, or divergent.

정답·풀이 보기

(−1)2n+1=(−1)⋅(−1)2n=−1(-1)^{2n+1}=(-1)\cdot(-1)^{2n}=-1 임에 주목하자. 따라서 다음과 같이 간단히 할 수 있다.

∑n=1∞(−1)2n+11+n=−∑n=1∞11+n\begin{aligned} \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{2n+1}}{1+n}=-\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{1+n} \end{aligned}

11+n≥1n+n=12n\displaystyle \frac{1}{1+n} \geq \frac{1}{n+n} = \frac{1}{2n} 이므로,   ∑n=1∞11+n\ \ \displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{1}{1+n} 은 발산하는 조화급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 과의 비교판정법에 의해 발산한다. 원래 급수에 곱해진 전체 계수 −1-1 은 발산이라는 결론을 바꾸지 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

Note that (−1)2n+1=(−1)⋅(−1)2n=−1(-1)^{2n+1}=(-1)\cdot(-1)^{2n}=-1. So we can simplify

∑n=1∞(−1)2n+11+n=−∑n=1∞11+n\begin{aligned} \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{2n+1}}{1+n}=-\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{1+n} \end{aligned}

Since 11+n≥1n+n=12n\displaystyle \frac{1}{1+n} \geq \frac{1}{n+n} = \frac{1}{2n},   ∑n=1∞11+n\ \ \displaystyle \sum_{n=1}^\infty\frac{1}{1+n} diverges by the comparison test with the divergent harmonic series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n}. The extra overall factor of −1-1 in the original series does not change the conclusion of divergence.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 5번
# 절대수렴과 조건수렴계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞(−1)n−11+4n3+22n\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} 은 다음 중 하나이다: 절대수렴한다; 조건수렴한다; 발산한다; 또는 위의 어느 것도 아니다. 어느 것이 옳은지 판단하세요.

영어 원문 보기

The series ∑n=1∞(−1)n−11+4n3+22n\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} either: converges absolutely; converges conditionally; diverges; or none of the above. Determine which is correct.

정답·풀이 보기

lim⁡n→∞1+4n3+22n=lim⁡n→∞1+4n3+4n=1\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} =\lim_{n\to\infty} \frac{1+4^n}{3+4^n} = 1 \end{aligned}

이므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 실제로 lim⁡n→∞(−1)n−11+4n3+22n\displaystyle \lim_{n\to\infty} (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} 은 존재하지 않는다 (nn 이 매우 크면 (−1)n−11+4n3+22n (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} 은 +1+1 에 가까운 수와 −1-1 에 가까운 수를 번갈아 가진다) 따라서 발산 판정법에 의해 이 급수는 발산한다. (참고로 "위의 어느 것도 아니다"는 절대 정답이 될 수 없다 — 모든 급수는 절대수렴하거나, 조건수렴하거나, 발산한다.)

원본 교재 풀이(영어)

Since

lim⁡n→∞1+4n3+22n=lim⁡n→∞1+4n3+4n=1\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} =\lim_{n\to\infty} \frac{1+4^n}{3+4^n} = 1 \end{aligned}

the alternating series test cannot be used. Indeed, lim⁡n→∞(−1)n−11+4n3+22n\displaystyle \lim_{n\to\infty} (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} does not exist (for very large nn, (−1)n−11+4n3+22n (-1)^{n-1} \frac{1+4^n}{3+2^{2n}} alternates between a number close to +1+1 and a number close to −1-1) so the divergence test says that the series diverges. (Note that “none of the above” cannot possibly be the correct answer — every series either converges absolutely, converges conditionally, or diverges.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 7번
# 절대수렴과 조건수렴계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

다음 급수 ∑n=1∞n2−sin⁡nn6+n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} 이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지(수렴하지만 절대수렴하지는 않는지), 발산하는지 (근거와 함께) 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine (with justification!) whether the series ∑n=1∞n2−sin⁡nn6+n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} converges absolutely, converges but not absolutely, or diverges.

정답·풀이 보기

먼저 ∑n=1∞∣n2−sin⁡nn6+n2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2}\right| 에 대해 직관을 얻어 보자. 급수가 절대 수렴하는지 알아보기 위해 각 항에 절댓값을 취한다. nn 이 매우 클 때 n2n^2 은 sin⁡n\sin n 을 압도하고 n6n^6 은 n2n^2 을 압도하므로

∣n2−sin⁡nn6+n2∣≈n2n6=1n4\begin{aligned} \left|\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2}\right| \approx \frac{n^2}{n^6} =\frac{1}{n^4} \end{aligned}

이다.

급수 ∑n=1∞1n4\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^4} 은 p=4>1p=4>1 이므로 pp-판정법에 의해 수렴한다. 따라서 주어진 급수도 수렴할 것으로 예상된다.

이 예상이 맞는지 확인하기 위해 극한비교판정법을 다음과 같이 적용한다.

an=n2−sin⁡nn6+n2그리고bn=1n4\begin{aligned} a_n= \frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} \quad\text{그리고}\quad b_n= \frac{1}{n^4} \end{aligned}

이는 다음이 성립하므로 적용할 수 있다.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞∣(n2−sin⁡n)n6+n2∣⋅n41=lim⁡n→∞∣n6−n4sin⁡n∣n6+n2=lim⁡n→∞1−n−2sin⁡n1+n−4=1\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\left|\frac{(n^2-\sin n)}{n^6+n^2}\right|\cdot\frac{n^4}{1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{|n^6-n^4\sin n|}{n^6+n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-n^{-2}\sin n}{1+n^{-4}} =1

이 극한은 존재하며 0이 아니다. 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 이 수렴하므로 급수 ∑n=1∞∣n2−sin⁡n∣n6+n2\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{|n^2-\sin n|}{n^6+n^2} 도 수렴한다. 따라서 급수 ∑n=1∞n2−sin⁡nn6+n2\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} 은 절대수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

We first develop some intuition about ∑n=1∞∣n2−sin⁡nn6+n2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2}\right|, where we take the absolute value of the summands to consider whether the series converges absolutely. For very large nn, n2n^2 dominates sin⁡n\sin n and n6n^6 dominates n2n^2 so that

∣n2−sin⁡nn6+n2∣≈n2n6=1n4\begin{aligned} \left|\frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2}\right| \approx \frac{n^2}{n^6} =\frac{1}{n^4} \end{aligned}

The series ∑n=1∞1n4\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^4} converges by the pp–test with p=4>1p=4>1. We expect the given series to converge too.

To verify that our intuition is correct, we apply the limit comparison test with

an=n2−sin⁡nn6+n2andbn=1n4\begin{aligned} a_n= \frac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} \quad\text{and}\quad b_n= \frac{1}{n^4} \end{aligned}

which is valid since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞∣(n2−sin⁡n)n6+n2∣⋅n41=lim⁡n→∞∣n6−n4sin⁡n∣n6+n2=lim⁡n→∞1−n−2sin⁡n1+n−4=1\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\left|\frac{(n^2-\sin n)}{n^6+n^2}\right|\cdot\frac{n^4}{1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{|n^6-n^4\sin n|}{n^6+n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-n^{-2}\sin n}{1+n^{-4}} =1

exists and is nonzero. Since the series ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n converges, the series ∑n=1∞∣n2−sin⁡n∣n6+n2\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{|n^2-\sin n|}{n^6+n^2} converges too. Therefore, the series ∑n=1∞n2−sin⁡nn6+n2\sum\limits_{n=1}^\infty\dfrac{n^2-\sin n}{n^6+n^2} converges absolutely.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 15번
# 절대수렴과 조건수렴계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 3.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=0∞(−1)n(2n)!(n2+1)(n!)2\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n(2n)!}{(n^2+1)(n!)^2} 이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지(수렴하지만 절대수렴하지는 않는지), 아니면 발산하는지 (근거와 함께!) 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine (with justification!) whether the series ∑n=0∞(−1)n(2n)!(n2+1)(n!)2\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n(2n)!}{(n^2+1)(n!)^2} converges absolutely, converges but not absolutely, or diverges.

정답·풀이 보기

이 급수가 교대급수 판정법에 의해 수렴한다고 생각할 수도 있다. 그러나 그것은 틀린 생각이다. 문제는 {an}\{a_n\} 이 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 0 으로 수렴하지 않는다는 점이며, 따라서 이 급수는 실제로는 발산판정법에 의해 발산한다. n→∞n\rightarrow\infty 일 때 nthn^{\text{th}} 번째 항이 0 으로 수렴하지 않음을 확인하기 위해 an=(2n)!(n2+1)(n!)2a_n= \frac{(2n)!}{(n^2+1)(n!)^2} (즉 ana_n 은 부호를 뺀 nthn^{\text{th}} 번째 항)이라 쓰고, an+1a_{n+1} 이 ana_n 보다 큰지 작은지 확인해 보자.

an+1an=(2n+2)!((n+1)2+1)((n+1)!)2(n2+1)(n!)2(2n)!=(2n+2)(2n+1)(n+1)2n2+1(n+1)2+1=2(2n+1)(n+1)1+1/n2(1+1/n)2+1/n2=41+1/2n1+1/n1+1/n2(1+1/n)2+1/n2\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+2)!}{((n+1)^2+1)((n+1)!)^2} \frac{(n^2+1)(n!)^2}{(2n)!} =\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}\frac{n^2+1}{(n+1)^2+1} \\ &=\frac{2(2n+1)}{(n+1)}\frac{1+1/n^2}{(1+1/n)^2+1/n^2} =4\frac{1+1/2n}{1+1/n}\frac{1+1/n^2}{(1+1/n)^2+1/n^2} \end{aligned}

따라서

lim⁡n→∞an+1an=4\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}=4

이고, 특히 충분히 큰 nn 에 대해 an+1>ana_{n+1}>a_n 이다. 그러므로 충분히 큰 nn 에 대해 ana_n 은 nn 에 따라 증가하므로 00 으로 수렴할 수 없다. 따라서 이 급수는 발산판정법에 의해 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

You might think that this series converges by the alternating series test. But you would be wrong. The problem is that {an}\{a_n\} does not converge to zero as n→∞n\rightarrow\infty, so that the series actually diverges by the divergence test. To verify that the nthn^{\text{th}} term does not converge to zero as n→∞n\rightarrow\infty let's write an=(2n)!(n2+1)(n!)2a_n= \frac{(2n)!}{(n^2+1)(n!)^2} (i.e. ana_n is the nthn^{\text{th}} term without the sign) and check to see whether an+1a_{n+1} is bigger than or smaller than ana_n.

an+1an=(2n+2)!((n+1)2+1)((n+1)!)2(n2+1)(n!)2(2n)!=(2n+2)(2n+1)(n+1)2n2+1(n+1)2+1=2(2n+1)(n+1)1+1/n2(1+1/n)2+1/n2=41+1/2n1+1/n1+1/n2(1+1/n)2+1/n2\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+2)!}{((n+1)^2+1)((n+1)!)^2} \frac{(n^2+1)(n!)^2}{(2n)!} =\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}\frac{n^2+1}{(n+1)^2+1} \\ &=\frac{2(2n+1)}{(n+1)}\frac{1+1/n^2}{(1+1/n)^2+1/n^2} =4\frac{1+1/2n}{1+1/n}\frac{1+1/n^2}{(1+1/n)^2+1/n^2} \end{aligned}

So

lim⁡n→∞an+1an=4\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}=4

and, in particular, for large nn, an+1>ana_{n+1}>a_n. Thus, for large nn, ana_n increases with nn and so cannot converge to 00. So the series diverges by the divergence test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 4번
# 절대수렴과 조건수렴계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.CLP-2 · 3.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞sin⁡nn2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{\sin n}{n^2} 이 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that the series ∑n=1∞sin⁡nn2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{\sin n}{n^2} converges.

정답·풀이 보기

이 수열에는 양의 항도 있고 음의 항도 있어서 쓸 수 있는 판정법이 제한된다. 그러나 급수 ∑n=1∞∣sin⁡nn2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right| 을 생각하면 직접 비교판정법을 쓸 수 있다.

모든 nn 에 대해 ∣sin⁡n∣<1| \sin n| <1 이므로 0≤∣sin⁡nn2∣<1n20\le \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right|<\dfrac{1}{n^2} 이다. ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2} 이 수렴하므로 직접 비교판정법에 의해 ∑n=1∞∣sin⁡nn2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right| 도 수렴한다. 그러면 ∑n=1∞sin⁡nn2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{\sin n}{n^2} 은 절대수렴하며, 특히 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

The sequence has some positive terms and some negative terms, which limits the tests we can use. However, if we consider the series ∑n=1∞∣sin⁡nn2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right|, we can use the direct comparison test.

For every nn, ∣sin⁡n∣<1| \sin n| <1, so 0≤∣sin⁡nn2∣<1n20\le \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right|<\dfrac{1}{n^2}. Since ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2} converges, then by the direct comparison test, ∑n=1∞∣sin⁡nn2∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right| converges as well. Then ∑n=1∞sin⁡nn2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{\sin n}{n^2} converges absolutely– in particular, it converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 8번
# 절대수렴과 조건수렴증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.CLP-2 · 3.4절 · 12번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} 이 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that the series ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} converges.

정답·풀이 보기

이 급수의 항은 음수일 때도 있고 양수일 때도 있다. 그러나 부호가 엄밀하게 번갈아 나타나지는 않으므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 대신 직접 비교판정법을 이용하여 이 급수가 절대수렴함을 보인다.

∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣≤1+1+122n=52n+1\begin{aligned} \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| \le\frac{1 + 1 +\tfrac12}{2^n} =\frac{5}{2^{n+1}} \end{aligned}

급수 ∑n=1∞52n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{5}{2^{n+1}} 은 공비가 r=12r=\frac{1}{2} 인 등비급수이므로 수렴한다. 직접 비교판정법에 의해 ∑n=1∞∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| 도 수렴한다. 따라서 ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} 은 절대수렴하므로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

The terms of this series are sometimes negative and sometimes positive. But, they are not strictly alternating, so we can't use the alternating series test. Instead, we use a direct comparison test to show the series converges absolutely.

∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣≤1+1+122n=52n+1\begin{aligned} \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| \le\frac{1 + 1 +\tfrac12}{2^n} =\frac{5}{2^{n+1}} \end{aligned}

The series ∑n=1∞52n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{5}{2^{n+1}} converges, because it's a geometric series with r=12r=\frac{1}{2}. By the direct comparison test, ∑n=1∞∣sin⁡2n−cos⁡2n+122n∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left|\frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n}\right| converges as well. Then ∑n=1∞sin⁡2n−cos⁡2n+122n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{\sin^2 n - \cos^2 n+\tfrac12}{2^n} converges absolutely, so it converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 10번
# 절대수렴과 조건수렴증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 3.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

이 문제의 두 부분은 모두 급수 S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 에 관한 것입니다.

(a) 급수 SS 가 절대수렴함을 보이세요. (b) 급수 SS 를 제5 부분합 S5S_5 로 근사한다고 하자. 이 근사로 생기는 오차의 상한을 구하세요.

영어 원문 보기

Both parts of this question concern the series S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3}.

(a) Show that the series SS converges absolutely. (b) Suppose that you approximate the series SS by its fifth partial sum S5S_5. Give an upper bound for the error resulting from this approximation.

정답·풀이 보기

(a)

  • 풀이 1: 다음 급수가 수렴함을 보이면 된다. ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 일반항에서 nn 을 xx 로 바꾸면 f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3} 이고, 이는 적분할 수 있다. (u=x3u=x^3 으로 치환하면 된다.) 따라서 적분판정법을 써 보자. 먼저 f(x)f(x) 가 양이고 감소함을 확인해야 한다. 양인 것은 분명하다. 감소하는지 판단하기 위해 계산하면

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

이고, 이는 x≥1x\ge1 에서 음수이다. 따라서 f(x)f(x) 는 x≥1x\ge1 에서 감소하므로 적분판정법을 적용할 수 있다. 치환 u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x 를 쓰면

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C \end{aligned}

을 얻는다. 그러므로

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

이다. 적분이 수렴하므로 급수 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 은 수렴하고, 따라서 급수 ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 은 절대수렴한다.

  • 풀이 2: 다른 방법으로, an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3} 으로 놓고 비판정법을 쓸 수 있다. 계산하면

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1 \end{aligned}

이므로 급수는 절대수렴한다.

  • 풀이 3: 또 다른 방법으로, 극한비교판정법을 쓸 수 있다. 먼저 직관을 조금 쌓아 보자. 우리는 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 이 수렴함을 보여야 한다는 것을 떠올리자. 이 급수의 nn 번째 항은

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

이다. 이것은 분자와 분모가 모두 nn 에 따라 커지는 비이다. 지수함수는 거듭제곱보다 훨씬 빠르게 커진다는 것이 좋은 경험 법칙이다. 예를 들어 n=10n=10 이면 분자는 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 이고 분모는 약 2×104342\times 10^{434} 이다. 그래서 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 ana_n 이 0 으로 간다고 짐작할 수 있다. 문제는 “ana_n 이 nn 에 따라 우리 급수가 수렴할 만큼 충분히 빠르게 0 으로 가는가?”이다. 예를 들어 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} 은 (p=2p=2 인 pp 판정법에 의해) 수렴한다는 것을 알고 있다. 그러므로 ana_n 이 1n2\frac{1}{n^2} 보다 더 빠르게 0 으로 가면 우리 급수는 수렴한다. 그러면 an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} 과 bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2} 으로 극한비교판정법을 써 보자.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

로피탈의 정리를 두 번 쓰면,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3로피탈의 정리에 의해=lim⁡x→∞32xex3식을 정리함=lim⁡x→∞323x2ex3로피탈의 정리를 다시 적용=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리에 의해} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{식을 정리함} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리를 다시 적용} \\ &=0 \end{aligned}

이다. 이제 극한비교판정법에 의해 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n 은 수렴한다.

(b) (a)에서 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} 이 양이고 감소함을 보았다. 이 수열의 극한은 00 이다. ((a)의 풀이 3의 끝에서 했던 것처럼 로피탈의 정리로 보일 수 있다.) 따라서 교대급수판정법을 쓸 수 있고, 무한합 S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} 을 처음 NN 개 항의 합 SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n 으로 근사할 때 생기는 오차는 00 과 처음으로 생략된 항 aN+1a_{N+1} 사이에 있다. 55 개의 항을 쓰면 오차는 다음을 만족한다.

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • Solution 1: We need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. If we replace nn by xx in the summand, we get f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3}, which we can integate. (Just substitute u=x3u=x^3.) So let's try the integral test. First, we have to check that f(x)f(x) is positive and decreasing. It is certainly positive. To determine if it is decreasing, we compute

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

which is negative for x≥1x\ge1. Therefore f(x)f(x) is decreasing for x≥1x\ge1, and the integral test applies. The substitution u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x, yields

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C.\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C. \end{aligned}

Therefore

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

Since the integral is convergent, the series ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges and the series ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} converges absolutely.

  • Solution 2: Alternatively, we can use the ratio test with an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3}. We calculate

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1,\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1, \end{aligned}

and therefore the series converges absolutely.

  • Solution 3: Alternatively, alternatively, we can use the limiting comparison test. First a little intuition building. Recall that we need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. The nthn^{\rm th} term in this series is

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

It is a ratio with both the numerator and denominator growing with nn. A good rule of thumb is that exponentials grow a lot faster than powers. For example, if n=10n=10 the numerator is 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 and the denominator is about 2×104342\times 10^{434}. So we would guess that ana_n tends to zero as n→∞n\rightarrow\infty. The question is “does ana_n tend to zero fast enough with nn that our series converges?”. For example, we know that ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} converges (by the pp–test with p=2p=2). So if ana_n tends to zero faster than 1n2\frac{1}{n^2} does, our series will converge. So let's try the limiting convergence test with an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} and bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2}.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

By l'Hopital's rule, twice,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3by l’Hoˆpital=lim⁡x→∞32xex3just cleaning up=lim⁡x→∞323x2ex3by l’Hoˆpital, again=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{just cleaning up} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital, again} \\ &=0 \end{aligned}

That's it. The limit comparison test now tells us that ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n converges.

(b) In part (a) we saw that 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} is positive and decreasing. The limit of this sequence equals 00 (as can be shown with l'Hopital's Rule, just as we did at the end of the third solution of part (a)). Therefore, we can use the alternating series test, so that the error made in approximating the infinite sum S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} by the sum of its first NN terms, SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n, lies between 00 and the first omitted term, aN+1a_{N+1}. If we use 55 terms, the error satisfies

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

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9.CLP-2 · 3.4절 · 14번대학 수준우리말 번역

다음 사실은 증명 없이 사용해도 됩니다. ∑n=0∞(−1)n(2n)!=cos⁡(1)\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} = \cos(1) 이 사실을 이용하여 cos⁡1\cos 1 을 오차가 11000\frac1{1000} 이내인 유리수로 어림하세요.

계산기로 구한 cos⁡(1)\cos(1) 의 근삿값과 비교하여 답을 확인하세요. 실제 오차는 얼마였나요?

영어 원문 보기

You may assume without proof the following: ∑n=0∞(−1)n(2n)!=cos⁡(1)\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} = \cos(1) Using this fact, approximate cos⁡1\cos 1 as a rational number, accurate to within 11000\frac1{1000}.

Check your answer against a calculator's approximation of cos⁡(1)\cos(1): what was your actual error?

정답·풀이 보기

NN 번째 항까지 사용한 근삿값의 오차는 최대 1(2(N+1))!\frac{1}{(2(N+1))!} 이다. 1(2(N+1))!<11000\frac{1}{(2(N+1))!}<\frac{1}{1000} 이어야 한다. NN 의 작은 값들을 확인해 보면 8!=40320>10008!=40320>1000 이므로, N=3N=3 이면 12(N+1)!=140320<11000\frac{1}{2(N+1)!}=\frac{1}{40320}<\frac{1}{1000} 이다. 따라서 근삿값을 구하려면 급수의 처음 네 항만 고려하면 충분하다.

cos⁡(1)≈∑N=03(−1)n(2n)!=10!−12!+14!−16!=1−12+124−1720=720−360+30−1720=389720\begin{aligned} \cos(1)&\approx \sum_{N=0}^3 \frac{(-1)^n}{(2n)!} = \frac{1}{0!}-\frac{1}{2!}+\frac{1}{4!}-\frac{1}{6!}\\ &=1-\frac12+\frac{1}{24}-\frac{1}{720}\\ &=\frac{720-360+30-1}{720}=\frac{389}{720} \end{aligned}

계산기를 사용하면 다음을 얻는다.

389720=0.540277‾cos⁡(1)≈0.540302cos⁡(1)−389720≈0.000024528≈140770\begin{aligned} \frac{389}{720}&=0.5402\overline{77} \\ \cos(1)&\approx 0.540302\\ \cos(1) - \frac{389}{720}&\approx 0.000024528\approx \frac{1}{40770} \end{aligned}

따라서 오차는 우리가 구한 한계 140320\frac{1}{40320} 에 상당히 가깝고, 11000\frac{1}{1000} 보다는 훨씬 작다.

원본 교재 풀이(영어)

The error in our approximation using through term NN is at most 1(2(N+1))!\frac{1}{(2(N+1))!}. We want 1(2(N+1))!<11000\frac{1}{(2(N+1))!}<\frac{1}{1000}. By checking small values of NN, we see that 8!=40320>10008!=40320>1000, so if N=3N=3, then 12(N+1)!=140320<11000\frac{1}{2(N+1)!}=\frac{1}{40320}<\frac{1}{1000}. So, for our approximation, it suffices to consider the first four terms of our series.

cos⁡(1)≈∑N=03(−1)n(2n)!=10!−12!+14!−16!=1−12+124−1720=720−360+30−1720=389720\begin{aligned} \cos(1)&\approx \sum_{N=0}^3 \frac{(-1)^n}{(2n)!} = \frac{1}{0!}-\frac{1}{2!}+\frac{1}{4!}-\frac{1}{6!}\\ &=1-\frac12+\frac{1}{24}-\frac{1}{720}\\ &=\frac{720-360+30-1}{720}=\frac{389}{720} \end{aligned}

When we use a calculator, we see

389720=0.540277‾cos⁡(1)≈0.540302cos⁡(1)−389720≈0.000024528≈140770\begin{aligned} \frac{389}{720}&=0.5402\overline{77} \\ \cos(1)&\approx 0.540302\\ \cos(1) - \frac{389}{720}&\approx 0.000024528\approx \frac{1}{40770} \end{aligned}

So, our error is reasonably close to our bound of 140320\frac{1}{40320}, and far smaller than 11000\frac{1}{1000}.

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ana_n 을 다음과 같이 정의하세요. an={−en/2 n이 소수이면n2 n이 소수가 아니면a_n=\begin{cases} -e^{n/2} & \text{ $n$이 소수이면}\\ n^2 & \text{ $n$이 소수가 \textbf{아니면}} \end{cases} 급수 ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} 이 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let ana_n be defined as an={−en/2 if n is primen2 if n is not primea_n=\begin{cases} -e^{n/2} & \text{ if $n$ is prime}\\ n^2 & \text{ if $n$ is \textbf{not} prime} \end{cases} Show that the series ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} converges.

정답·풀이 보기

이 급수의 항은 음수일 때도 있고 양수일 때도 있다. 그러나 엄밀하게 교대로 나타나는 것은 아니므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 대신 직접 비교판정법을 사용하여 이 급수가 절대수렴함을 보인다.

nn 이 소수이면 ∣anen∣=∣−en/2en∣=1en/2=(1e)n\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{e^{n/2}}{e^n}\right|=\frac{1}{e^{n/2}}=\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)^n

nn 이 소수가 아니면 ∣anen∣=∣−n2en∣=n2en\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{n^2}{e^n}\right|=\frac{n^2}{e^n} nn 이 충분히 크면 n2<en/2n^2<e^{n/2} 이므로, nn 이 충분히 클 때 n2en≤(1e)n\frac{n^2}{e^n}\le \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n 이다.

e>1e>1 이므로 e>1\sqrt{e}>1 이고, 따라서 등비급수 ∑(1e)n\displaystyle\sum \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n 은 ∣r∣=r=1e<1|r|=r=\frac{1}{\sqrt{e}}<1 이므로 수렴한다. 직접 비교판정법에 의해 ∑n=1∞∣anen∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\dfrac{a_n}{e^n}\right| 도 수렴한다. 그러면 ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} 은 절대수렴하므로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

The terms of this series are sometimes negative and sometimes positive. But, they are not strictly alternating, so we can't use the alternating series test. Instead, we use a direct comparison test to show the series converges absolutely.

If nn is prime, then ∣anen∣=∣−en/2en∣=1en/2=(1e)n\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{e^{n/2}}{e^n}\right|=\frac{1}{e^{n/2}}=\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)^n

If nn is not prime, then ∣anen∣=∣−n2en∣=n2en\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{n^2}{e^n}\right|=\frac{n^2}{e^n} For nn sufficiently large, n2<en/2n^2<e^{n/2}, so for nn sufficiently large, n2en≤(1e)n.\frac{n^2}{e^n}\le \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n.

Since e>1e>1, then e>1\sqrt{e}>1, so the geometric series ∑(1e)n\displaystyle\sum \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n has ∣r∣=r=1e<1|r|=r=\frac{1}{\sqrt{e}}<1, so it converges. By the direct comparison test, ∑n=1∞∣anen∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\dfrac{a_n}{e^n}\right| converges as well. Then ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} converges absolutely, so it converges.

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