이 문제의 두 부분은 모두 급수 에 관한 것입니다.
(a) 급수 가 절대수렴함을 보이세요. (b) 급수 를 제5 부분합 로 근사한다고 하자. 이 근사로 생기는 오차의 상한을 구하세요.
영어 원문 보기
Both parts of this question concern the series .
(a) Show that the series converges absolutely. (b) Suppose that you approximate the series by its fifth partial sum . Give an upper bound for the error resulting from this approximation.
정답·풀이 보기
(a)
- 풀이 1: 다음 급수가 수렴함을 보이면 된다. 일반항에서 을 로 바꾸면 이고, 이는 적분할 수 있다. ( 으로 치환하면 된다.) 따라서 적분판정법을 써 보자. 먼저 가 양이고 감소함을 확인해야 한다. 양인 것은 분명하다. 감소하는지 판단하기 위해 계산하면
이고, 이는 에서 음수이다. 따라서 는 에서 감소하므로 적분판정법을 적용할 수 있다. 치환 , 를 쓰면
을 얻는다. 그러므로
이다. 적분이 수렴하므로 급수 은 수렴하고, 따라서 급수 은 절대수렴한다.
- 풀이 2: 다른 방법으로, 으로 놓고 비판정법을 쓸 수 있다. 계산하면
이므로 급수는 절대수렴한다.
- 풀이 3: 또 다른 방법으로, 극한비교판정법을 쓸 수 있다. 먼저 직관을 조금 쌓아 보자. 우리는 이 수렴함을 보여야 한다는 것을 떠올리자. 이 급수의 번째 항은
이다. 이것은 분자와 분모가 모두 에 따라 커지는 비이다. 지수함수는 거듭제곱보다 훨씬 빠르게 커진다는 것이 좋은 경험 법칙이다. 예를 들어 이면 분자는 이고 분모는 약 이다. 그래서 일 때 이 0 으로 간다고 짐작할 수 있다. 문제는 “ 이 에 따라 우리 급수가 수렴할 만큼 충분히 빠르게 0 으로 가는가?”이다. 예를 들어 은 ( 인 판정법에 의해) 수렴한다는 것을 알고 있다. 그러므로 이 보다 더 빠르게 0 으로 가면 우리 급수는 수렴한다. 그러면 과 으로 극한비교판정법을 써 보자.
로피탈의 정리를 두 번 쓰면,
이다. 이제 극한비교판정법에 의해 은 수렴한다.
(b) (a)에서 이 양이고 감소함을 보았다. 이 수열의 극한은 이다. ((a)의 풀이 3의 끝에서 했던 것처럼 로피탈의 정리로 보일 수 있다.) 따라서 교대급수판정법을 쓸 수 있고, 무한합 을 처음 개 항의 합 으로 근사할 때 생기는 오차는 과 처음으로 생략된 항 사이에 있다. 개의 항을 쓰면 오차는 다음을 만족한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
- Solution 1: We need to show that converges. If we replace by in the summand, we get , which we can integate. (Just substitute .) So let's try the integral test. First, we have to check that is positive and decreasing. It is certainly positive. To determine if it is decreasing, we compute
which is negative for . Therefore is decreasing for , and the integral test applies. The substitution , , yields
Therefore
Since the integral is convergent, the series converges and the series converges absolutely.
- Solution 2: Alternatively, we can use the ratio test with . We calculate
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 converges. The term in this series is
It is a ratio with both the numerator and denominator growing with . A good rule of thumb is that exponentials grow a lot faster than powers. For example, if the numerator is and the denominator is about . So we would guess that tends to zero as . The question is “does tend to zero fast enough with that our series converges?”. For example, we know that converges (by the –test with ). So if tends to zero faster than does, our series will converge. So let's try the limiting convergence test with and .
By l'Hopital's rule, twice,
That's it. The limit comparison test now tells us that converges.
(b) In part (a) we saw that is positive and decreasing. The limit of this sequence equals (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 by the sum of its first terms, , lies between and the first omitted term, . If we use terms, the error satisfies