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.

5문제 · 1 / 1쪽

1.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)
2.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)
3.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)
4.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)
5.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}.

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