문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

급수 심화 전체 문제

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53문제 · 3 / 3쪽

41.CLP-2 · 3.3절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요: ∑n=5∞1en\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}.

영어 원문 보기

Evaluate the following series, or show that it diverges: ∑n=5∞1en\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

∑n=5∞1en=∑n=5∞(1e)n=∑n=0∞(1e)n−∑n=04(1e)n=11−1e−1−(1e)51−1e=(1e)51−1e=1e5(1−1e)=1e5−e4\begin{aligned} \sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}&=\sum_{n=5}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n-\sum_{n=0}^4 \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\dfrac{1}{1-\frac{1}{e}}-\dfrac{1-\left(\frac{1}{e}\right)^{5}}{1-\frac{1}{e}}\\ &=\dfrac{\left(\frac{1}{e}\right)^5}{1-\frac{1}{e}} =\dfrac{1}{e^5\left(1-\frac{1}{e}\right)}\\ &=\dfrac{1}{e^5-e^4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

∑n=5∞1en=∑n=5∞(1e)n=∑n=0∞(1e)n−∑n=04(1e)n=11−1e−1−(1e)51−1e=(1e)51−1e=1e5(1−1e)=1e5−e4\begin{aligned} \sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}&=\sum_{n=5}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n-\sum_{n=0}^4 \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\dfrac{1}{1-\frac{1}{e}}-\dfrac{1-\left(\frac{1}{e}\right)^{5}}{1-\frac{1}{e}}\\ &=\dfrac{\left(\frac{1}{e}\right)^5}{1-\frac{1}{e}} =\dfrac{1}{e^5\left(1-\frac{1}{e}\right)}\\ &=\dfrac{1}{e^5-e^4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 34번
# 비교 판정법증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.CLP-2 · 3.3절 · 39번대학 수준우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 이유와 함께 판단하세요.

(a) 1+13+15+17+19+⋯1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots. (b) ∑n=1∞2n+122n+1{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{2^{2n+1}}}

영어 원문 보기

Determine, with explanation, whether each of the following series converge or diverge.

(a) 1+13+15+17+19+⋯1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots. (b) ∑n=1∞2n+122n+1{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{2^{2n+1}}}

정답·풀이 보기

(a)

  • 풀이 1: 주어진 급수는

1+13+15+17+19+⋯=∑n=1∞an 여기서 an=12n−1\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots =\sum_{n=1}^\infty a_n \text{ 여기서 $a_n=\frac{1}{2n-1}$} \end{aligned}

이다. 먼저 nn 이 매우 클 때 an≈12na_n\approx \frac{1}{2n} 임에 주목하여 직관을 얻자. 급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 은 p=1p=1 인 pp-판정법에 의해 발산함을 안다. 그러므로 bn=1nb_n=\frac{1}{n} 로 놓고 극한비교판정법을 적용하자.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n2n−1=lim⁡n→∞12−1n=12\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{2n-1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{2-\frac{1}{n}} =\frac{1}{2} \end{aligned}

이므로, 급수 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하기 위한 필요충분조건은 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 이 수렴하는 것이다. 따라서 주어진 급수는 발산한다.

  • 풀이 2: 급수

1+13+15+17+19+⋯≥12+14+16+18+110+⋯=12(1+12+13+14+15+⋯)\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots &\ge \frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}+\frac{1}{10}+\cdots \\ &=\frac{1}{2}\Big(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\cdots\Big) \end{aligned}

괄호 안의 급수는 조화급수이며, p=1p=1 인 pp-판정법에 의해 발산함을 안다. 따라서 오른쪽 변의 급수는 발산한다. 직접 비교판정법에 의해 왼쪽 변의 급수도 발산한다.

(b) an=(2n+1)22n+1a_n=\dfrac{(2n+1)}{2^{2n+1}} 로 놓고 비판정법을 사용하자.

an+1an=(2n+3)22n+322n+1(2n+1)=14(2n+3)(2n+1)=14(2+3/n)(2+1/n)→14<1 (n→∞일 때)\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+3)}{2^{2n+3}}\frac{2^{2n+1}}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2n+3)}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2+3/n)}{(2+1/n)} \rightarrow \frac{1}{4}<1\text{ (}n\rightarrow\infty\text{일 때)} \end{aligned}

이므로 급수는 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • Solution 1: The given series is

1+13+15+17+19+⋯=∑n=1∞an with an=12n−1\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots =\sum_{n=1}^\infty a_n \text{ with $a_n=\frac{1}{2n-1}$} \end{aligned}

First we'll develop some intuition by observing that, for very large nn, an≈12na_n\approx \frac{1}{2n}. We know that the series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} diverges by the pp–test with p=1p=1. So let's apply the limit comparison test with bn=1nb_n=\frac{1}{n}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n2n−1=lim⁡n→∞12−1n=12\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{2n-1} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{2-\frac{1}{n}} =\frac{1}{2} \end{aligned}

the series ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n converges if and only if the series ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n converges. So the given series diverges.

  • Solution 2: The series

1+13+15+17+19+⋯≥12+14+16+18+110+⋯=12(1+12+13+14+15+⋯)\begin{aligned} 1+\frac{1}{3}+\frac{1}{5}+\frac{1}{7}+\frac{1}{9}+\cdots &\ge \frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\frac{1}{6}+\frac{1}{8}+\frac{1}{10}+\cdots \\ &=\frac{1}{2}\Big(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\frac{1}{5}+\cdots\Big) \end{aligned}

The series in the brackets is the harmonic series which we know diverges, by the pp–test with p=1p=1. So the series on the right hand side diverges. By the direct comparison test, the series on the left hand side diverges too.

(b) We'll use the ratio test with an=(2n+1)22n+1a_n=\dfrac{(2n+1)}{2^{2n+1}}. Since

an+1an=(2n+3)22n+322n+1(2n+1)=14(2n+3)(2n+1)=14(2+3/n)(2+1/n)→14<1 as n→∞\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n} &=\frac{(2n+3)}{2^{2n+3}}\frac{2^{2n+1}}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2n+3)}{(2n+1)} =\frac{1}{4}\frac{(2+3/n)}{(2+1/n)} \rightarrow \frac{1}{4}<1\text{ as }n\rightarrow\infty \end{aligned}

the series converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 25번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.CLP-2 · 3.3절 · 40번대학 수준우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 이유와 함께 판단하세요.

(a) ∑k=2∞k3k2−k{\displaystyle \sum_{k=2}^\infty \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}}. (b) ∑k=1∞k1010k(k!)2(2k)!{\displaystyle \sum_{k=1}^\infty \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!}}. (c) ∑k=3∞1k(log⁡k)(log⁡log⁡k){\displaystyle \sum_{k=3}^\infty \frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}}.

영어 원문 보기

Determine, with explanation, whether each of the following series converges or diverges.

(a) ∑k=2∞k3k2−k{\displaystyle \sum_{k=2}^\infty \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}}. (b) ∑k=1∞k1010k(k!)2(2k)!{\displaystyle \sum_{k=1}^\infty \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!}}. (c) ∑k=3∞1k(log⁡k)(log⁡log⁡k){\displaystyle \sum_{k=3}^\infty \frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}}.

정답·풀이 보기

(a) 매우 큰 kk 에 대해 k≪k2k\ll k^2 이므로 an=k3k2−k≈k3k2=1k5/3a_n=\frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}\approx \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2} =\frac{1}{k^{5/3}} 이다. bk=1k5/3b_k=\frac{1}{k^{5/3}} 로 하여 극한비교판정법을 적용한다. 다음에서

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k3/(k2−k)1/k5/3=lim⁡k→∞k2k2−k=lim⁡k→∞11−1/k=1\begin{aligned} \lim_{k\rightarrow\infty}\frac{a_k}{b_k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{\sqrt[3]{k}/(k^2-k)}{1/k^{5/3}} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{k^2}{k^2-k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{1}{1-1/k} =1 \end{aligned}

극한이 존재하고 0이 아니며, ∑k=1∞1k5/3\sum\limits_{k=1}^\infty\frac{1}{k^{5/3}} 은 (pp–판정법에서 p=53>1p=\frac{5}{3}>1 이므로) 수렴하므로, 주어진 급수는 극한비교판정법에 의해 수렴한다.

(b) 이 급수의 kthk^{\rm th} 항은 ak=k1010k(k!)2(2k)!a_k= \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!} 이다. 팩토리얼은 비의 꼴에서 깔끔하게 정리되므로 비판정법과 잘 어울리는 경우가 많다.

ak+1ak=(k+1)1010k+1((k+1)!)2(2k+2)!⋅(2k)!k1010k(k!)2=10(k+1k)10(k+1)2(2k+2)(2k+1)=10(1+1k)10(1+1/k)2(2+2/k)(2+1/k)\begin{aligned} \frac{a_{k+1}}{a_k} &=\frac{(k+1)^{10}10^{k+1}((k+1)!)^2}{(2k+2)!}\cdot\frac{(2k)!}{k^{10}10^k(k!)^2} =10\Big(\frac{k+1}{k}\Big)^{10}\frac{(k+1)^2}{(2k+2)(2k+1)}\\ &=10\Big(1+\frac{1}{k}\Big)^{10}\frac{(1+1/k)^2}{(2+2/k)(2+1/k)} \end{aligned}

kk 가 ∞\infty 로 갈 때 이 값은 10×1×12×2>110\times 1\times\frac{1}{2\times 2}>1 에 수렴한다. 따라서 이 급수는 비판정법에 의해 발산한다.

(c) 적분판정법을 사용한다. 이 급수의 kthk^{\rm th} 항은 ak=1k(log⁡k)(log⁡log⁡k)=f(k)a_k=\frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}=f(k) 이고 f(x)=1x(log⁡x)(log⁡log⁡x)f(x)=\frac{1}{x(\log x) (\log\log x)} 은 x≥3x\ge 3 에서 연속이고 양수이며 감소한다.

∫3∞f(x) dx=∫3∞dxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫3Rdxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫log⁡3log⁡Rdyylog⁡y여기서 y=log⁡x, dy=dxx=lim⁡R→∞∫log⁡log⁡3log⁡log⁡Rdtt여기서 t=log⁡y, dt=dyy=lim⁡R→∞[log⁡t]log⁡log⁡3log⁡log⁡R=∞\begin{aligned} \int_3^\infty f(x)\ \mathrm{d}x &= \int_3^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} =\lim_{R\rightarrow\infty} \int_3^R \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} \\[0.1in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_{\log 3}^{\log R} \frac{\mathrm{d}y}{y\log y} &\qquad\text{여기서 }y=\log x,\ \mathrm{d}y=\frac{\mathrm{d}x}{x} \\[0.1in] &= \lim_{R\rightarrow\infty}\int_{\log \log 3}^{\log \log R} \frac{\mathrm{d}t}{t} & \qquad\text{여기서 }t=\log y,\ \mathrm{d}t=\frac{\mathrm{d}y}{y} \\[0.1in] &=\lim_{R \to \infty}\Big[\log t\Big]_{\log \log 3}^{\log\log R}=\infty \end{aligned}

적분이 발산하므로 적분판정법에 의해 이 급수도 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For very large kk, k≪k2k\ll k^2 so that an=k3k2−k≈k3k2=1k5/3.a_n=\frac{\sqrt[3]{k}}{k^2-k}\approx \frac{\sqrt[3]{k}}{k^2} =\frac{1}{k^{5/3}}. We apply the limit comparison test with bk=1k5/3b_k=\frac{1}{k^{5/3}}. Since

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k3/(k2−k)1/k5/3=lim⁡k→∞k2k2−k=lim⁡k→∞11−1/k=1\begin{aligned} \lim_{k\rightarrow\infty}\frac{a_k}{b_k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{\sqrt[3]{k}/(k^2-k)}{1/k^{5/3}} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{k^2}{k^2-k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{1}{1-1/k} =1 \end{aligned}

exists and is nonzero, and ∑k=1∞1k5/3\sum\limits_{k=1}^\infty\frac{1}{k^{5/3}} converges (by the pp–test with p=53>1p=\frac{5}{3}>1), the given series converges by the limit comparison test.

(b) The kthk^{\rm th} term in this series is ak=k1010k(k!)2(2k)!a_k= \frac{k^{10}10^k(k!)^2}{(2k)!}. Factorials often work well with the ratio test, because they simplify so nicely in quotients.

ak+1ak=(k+1)1010k+1((k+1)!)2(2k+2)!⋅(2k)!k1010k(k!)2=10(k+1k)10(k+1)2(2k+2)(2k+1)=10(1+1k)10(1+1/k)2(2+2/k)(2+1/k)\begin{aligned} \frac{a_{k+1}}{a_k} &=\frac{(k+1)^{10}10^{k+1}((k+1)!)^2}{(2k+2)!}\cdot\frac{(2k)!}{k^{10}10^k(k!)^2} =10\Big(\frac{k+1}{k}\Big)^{10}\frac{(k+1)^2}{(2k+2)(2k+1)}\\ &=10\Big(1+\frac{1}{k}\Big)^{10}\frac{(1+1/k)^2}{(2+2/k)(2+1/k)} \end{aligned}

As kk tends to ∞\infty, this converges to 10×1×12×2>110\times 1\times\frac{1}{2\times 2}>1. So the series diverges by the ratio test.

(c) We'll use the integal test. The kthk^{\rm th} term in the series is ak=1k(log⁡k)(log⁡log⁡k)=f(k)a_k=\frac{1}{k(\log k) (\log\log k)}=f(k) with f(x)=1x(log⁡x)(log⁡log⁡x)f(x)=\frac{1}{x(\log x) (\log\log x)}, which is continuous, positive and decreasing for x≥3x\ge 3.

∫3∞f(x) dx=∫3∞dxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫3Rdxx(log⁡x)(log⁡log⁡x)=lim⁡R→∞∫log⁡3log⁡Rdyylog⁡ywith y=log⁡x, dy=dxx=lim⁡R→∞∫log⁡log⁡3log⁡log⁡Rdttwith t=log⁡y, dt=dyy=lim⁡R→∞[log⁡t]log⁡log⁡3log⁡log⁡R=∞\begin{aligned} \int_3^\infty f(x)\ \mathrm{d}x &= \int_3^\infty \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} =\lim_{R\rightarrow\infty} \int_3^R \frac{\mathrm{d}x}{x(\log x) (\log\log x)} \\[0.1in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \int_{\log 3}^{\log R} \frac{\mathrm{d}y}{y\log y} &\qquad\text{with }y=\log x,\ \mathrm{d}y=\frac{\mathrm{d}x}{x} \\[0.1in] &= \lim_{R\rightarrow\infty}\int_{\log \log 3}^{\log \log R} \frac{\mathrm{d}t}{t} & \qquad\text{with }t=\log y,\ \mathrm{d}t=\frac{\mathrm{d}y}{y} \\[0.1in] &=\lim_{R \to \infty}\Big[\log t\Big]_{\log \log 3}^{\log\log R}=\infty \end{aligned}

Since the integral is divergent, the series is divergent as well by the integral test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 56번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
44.CLP-2 · 3.3절 · 41번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞n3−42n5−6n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^3-4}{2n^5-6n} 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series ∑n=1∞n3−42n5−6n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^3-4}{2n^5-6n} is convergent or divergent.

정답·풀이 보기

nn 이 클 때 분자 n3−4≈n3n^3-4\approx n^3 이고 분모 2n5−6n≈2n52n^5-6n\approx 2n^5 이므로, 제nn항은 대략 n32n5=12n2\frac{n^3}{2n^5}=\frac{1}{2n^2} 이다. 따라서 an=n3−42n5−6na_n=\frac{n^3-4}{2n^5-6n} 과 bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2} 에 극한비교판정법을 적용한다.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n3−4)/(2n5−6n)1/n2=lim⁡n→∞1−4n32−6n4=12\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(n^3-4)/(2n^5-6n)}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-\frac{4}{n^3}}{2-\frac{6}{n^4}} =\frac12

이고 이 극한이 존재하며 0이 아니므로, 주어진 급수 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하는 것과 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 이 수렴하는 것은 서로 필요충분조건이다. 급수 ∑n=1∞bn=∑n=1∞1n2\sum\limits_{n=1}^\infty b_n =\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2} 은 수렴하는 pp-급수(p=2p=2)이므로 두 급수 모두 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

For large nn, the numerator n3−4≈n3n^3-4\approx n^3 and the denominator 2n5−6n≈2n52n^5-6n\approx 2n^5, so the nnth term is approximately n32n5=12n2\frac{n^3}{2n^5}=\frac{1}{2n^2}. So we apply the limit comparison test with an=n3−42n5−6na_n=\frac{n^3-4}{2n^5-6n} and bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n3−4)/(2n5−6n)1/n2=lim⁡n→∞1−4n32−6n4=12\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{(n^3-4)/(2n^5-6n)}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1-\frac{4}{n^3}}{2-\frac{6}{n^4}} =\frac12

exists and is nonzero, the given series ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n converges if and only if the series ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n converges. Since the series ∑n=1∞bn=∑n=1∞1n2\sum\limits_{n=1}^\infty b_n =\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2} is a convergent pp-series (with p=2p=2), both series converge.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 40번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
45.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)
46.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)
47.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)
48.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)
49.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)
50.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)
51.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)
52.CLP-2 · 3.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

x31−x\dfrac{x^3}{1-x} 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.

영어 원문 보기

Find a power series representation for x31−x\dfrac{x^3}{1-x}.

정답·풀이 보기

등비급수 ∑n=0∞xn=11−x\sum\limits_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x} 을 이용하면

x31−x=x3∑n=0∞xn=∑n=0∞xn+3=∑n=3∞xn\begin{aligned} \frac{x^3}{1-x} =x^3 \sum_{n=0}^\infty x^n =\sum_{n=0}^\infty x^{n+3} =\sum_{n=3}^\infty x^{n} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the geometric series ∑n=0∞xn=11−x\sum\limits_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x},

x31−x=x3∑n=0∞xn=∑n=0∞xn+3=∑n=3∞xn\begin{aligned} \frac{x^3}{1-x} =x^3 \sum_{n=0}^\infty x^n =\sum_{n=0}^\infty x^{n+3} =\sum_{n=3}^\infty x^{n} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 17번
# 멱급수와 수렴 반경계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
53.CLP-2 · 3.5절 · 17번대학 수준우리말 번역

f′(x)=∑n=0∞(x−1)nn+2f'(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} 이고, ∫5xf(t)dt=3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2\displaystyle \int_5^x f(t)\mathrm{d}t=3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} 이라고 하자.

f(x)f(x) 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f′(x)=∑n=0∞(x−1)nn+2f'(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2}, and ∫5xf(t)dt=3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2\displaystyle \int_5^x f(t)\mathrm{d}t=3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2}.

Give a power series representation of f(x)f(x).

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 적분한 함수를 미분하거나, 도함수를 부정적분하여 구할 수 있다. 후자의 경우에는 임의의 적분상수를 구해야 하지만, 전자의 경우에는 그럴 필요가 없다. (서로 다른 많은 함수가 같은 도함수를 가질 수 있지만, 하나의 함수는 도함수를 하나만 가진다는 점을 기억하자.) 임의의 상수를 구해야 하는 번거로움을 피하기 위해, f′(x)f'(x) 에 대해 주어진 식은 무시할 수 있으며, 그러면 문제가 훨씬 간단해진다. 이것이 풀이 1에서 사용한 방법이다.

  • 풀이 1 미적분학의 기본정리 제1부분을 이용하면:

ddx{∫5xf(t)dt}=f(x)따라서,f(x)=ddx{3x+∑n=0∞(x−1)n+1n(n+1)2}=3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}&=f(x)\\ \text{따라서,}\qquad f(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{3x+\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \end{aligned}

  • 풀이 2 대신 f′(x)f'(x) 를 사용했다고 하자. 부정적분하여 구하면 다음과 같다:

f(x)=∫(∑n=0∞(x−1)nn+2)dx=(∑n=0∞(x−1)n+1(n+1)(n+2))+C=(∑n=1∞(x−1)nn(n+1))+C\begin{aligned} f(x)&=\int \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} \right)\mathrm{d}x\\ &=\left(\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{(n+1)(n+2)}\right)+C\\ &=\left(\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}\right)+C \end{aligned}

f(1)=0+Cf(1)=0+C 임에 주목하자. 따라서 CC 를 구하려면 f(1)f(1) 을 구해야 한다. 이 정보는 f′(x)f'(x) 로부터 얻을 수 없으므로, ∫5xf(t)dt\int_5^x f(t)\mathrm{d}t 에 대해 주어진 식을 이용하는 수밖에 없다. 미적분학의 기본정리 제1부분을 이용하면:

f(1)=ddx{∫5xf(t)dt}∣x=1=ddx{3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2}∣x=1=[3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2]x=1=[3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)]x=1=3+∑n=1∞0nn(n+1)=3\begin{aligned} f(1)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ 3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2} \right]_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \right]_{x=1}\\ &= 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{0^{n}}{n(n+1)}\\ &=3 \end{aligned}

따라서 f(x)=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)f(x)=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} 이다.

풀이 2에서는 풀이 1과 같은 계산을 하고, 그 이상의 계산까지 했음에 주목하자.

원본 교재 풀이(영어)

We can find f(x)f(x) by differentiating its integral, or antidifferentiating its derivative. In the latter case, we'll have to solve for the arbitrary constant of integration; in the former case, we do not. (Remember that many different functions have the same derivative, but a single function has only one derivative.) To avoid the necessity of finding the arbitrary constant, we can ignore the given equation for f′(x)f'(x), which makes the problem much simpler. This is the method used in Solution 1.

  • Solution 1 Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:

ddx{∫5xf(t)dt}=f(x)So,f(x)=ddx{3x+∑n=0∞(x−1)n+1n(n+1)2}=3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}&=f(x)\\ \text{So,}\qquad f(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{3x+\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \end{aligned}

  • Solution 2 Suppose we had used f′(x)f'(x) instead. We would antidifferentiate to find:

f(x)=∫(∑n=0∞(x−1)nn+2)dx=(∑n=0∞(x−1)n+1(n+1)(n+2))+C=(∑n=1∞(x−1)nn(n+1))+C\begin{aligned} f(x)&=\int \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} \right)\mathrm{d}x\\ &=\left(\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{(n+1)(n+2)}\right)+C\\ &=\left(\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}\right)+C \end{aligned}

Notice f(1)=0+Cf(1)=0+C. So, to find CC, we must find f(1)f(1). We can't get that information from f′(x)f'(x), so our only option is to consider the given formula for ∫5xf(t)dt\int_5^x f(t)\mathrm{d}t. Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:

f(1)=ddx{∫5xf(t)dt}∣x=1=ddx{3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2}∣x=1=[3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2]x=1=[3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)]x=1=3+∑n=1∞0nn(n+1)=3\begin{aligned} f(1)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ 3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2} \right]_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \right]_{x=1}\\ &= 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{0^{n}}{n(n+1)}\\ &=3 \end{aligned}

So, f(x)=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)f(x)=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}.

Note that in Solution 2, we did the same calculation as Solution 1, and more.

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