급수 n=1∑∞an 이 수렴하고 모든 n 에 대해 1>an≥0 이라 하자. 이때 급수 n=1∑∞1−anan 도 수렴함을 증명하세요.
영어 원문 보기
Suppose that the series n=1∑∞an
converges and that 1>an≥0 for all n. Prove that the series
n=1∑∞1−anan also converges.
정답·풀이 보기
증명의 방향을 잡기 위해 먼저 직관을 얻어 보자. n=1∑∞an 이 수렴하므로 n→∞ 일 때 an 은 0 으로 수렴한다. 따라서 n 이 충분히 크면 1−anan≈1−0an=1an 이고, ∑an 이 수렴함을 알고 있다. 그러므로 "큰" 번호의 항들을 유한 개의 작은 번호의 항들과 분리하려고 한다.
n→∞liman=0 이므로, 모든 n>N 에 대해 21>an≥0 이 되게 하는 (1보다 작은 양수라면 21 뿐 아니라 어떤 수를 택해도 된다.) 정수 N 이 반드시 존재한다. 그러면 n>N 일 때,
Let's get some intuition to guide us through a proof. Since n=1∑∞an, converges an must converge
to zero as n→∞. So, when n is quite large, 1−anan≈1−0an=1an, and we know ∑an converges. So, we want to separate the “large" indices from a finite number of smaller ones.
Since n→∞liman=0, there must be (We could have chosen any positive number strictly less than 1, not only 21.) some integer
N such that 21>an≥0 for all n>N. Then, for n>N,
1−ananFrom the information in the problem statement, we known=N+1∑∞2anSo, by the direct comparison test,n=N+1∑∞1−ananSince the convergence of a series is not affected by its first N terms, as long as N is finite, we concluden=1∑∞1−anan≤1−1/2an=2an=2n=N+1∑∞anconverges. converges as well. converges.
We are told that ∑n=1∞an converges. Thus
we must have that n→∞liman=0. In particular,
there is an index N such that 0≤an≤1 for all n≥N. Then:
0≤an2By the direct comparison test,n=N+1∑∞an2Since convergence doesn’t depend on the first N terms of a series for any finite N,n=1∑∞an2≤anfor n>Nconverges.converges as well.
이 문제의 두 부분은 모두 급수 S=n=1∑∞(−1)n−124n2e−n3 에 관한 것입니다.
(a) 급수 S 가 절대수렴함을 보이세요.
(b) 급수 S 를 제5 부분합 S5 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.
(a) Show that the series S converges absolutely.
(b) Suppose that you approximate the series S by its fifth partial sum S5. 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
일반항에서 n 을 x 로 바꾸면 f(x)=24x2e−x3 이고,
이는 적분할 수 있다. (u=x3 으로 치환하면 된다.)
따라서 적분판정법을 써 보자.
먼저 f(x) 가 양이고 감소함을 확인해야 한다.
양인 것은 분명하다. 감소하는지 판단하기 위해 계산하면
dxdf=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3
이고, 이는 x≥1 에서 음수이다. 따라서 f(x) 는 x≥1 에서 감소하므로
적분판정법을 적용할 수 있다. 치환 u=x3,
du=3x2dx 를 쓰면
풀이 3: 또 다른 방법으로, 극한비교판정법을 쓸 수 있다.
먼저 직관을 조금 쌓아 보자. 우리는
n=1∑∞24n2e−n3 이 수렴함을 보여야 한다는 것을 떠올리자. 이 급수의 n 번째
항은
an=24n2e−n3=en324n2
이다. 이것은 분자와 분모가 모두 n 에 따라 커지는 비이다.
지수함수는 거듭제곱보다 훨씬 빠르게 커진다는 것이 좋은 경험 법칙이다.
예를 들어 n=10 이면 분자는 2400=2.4×103 이고
분모는 약 2×10434 이다.
그래서 n→∞ 일 때 an 이 0 으로 간다고 짐작할 수 있다.
문제는 “an 이 n 에 따라 우리 급수가 수렴할 만큼 충분히 빠르게 0 으로 가는가?”이다. 예를 들어 ∑n=1∞n21 은
(p=2 인 p 판정법에 의해) 수렴한다는 것을 알고 있다. 그러므로 an 이 n21 보다
더 빠르게 0 으로 가면 우리 급수는 수렴한다. 그러면 an=24n2e−n3=en324n2
과 bn=n21 으로 극한비교판정법을 써 보자.
(b)
(a)에서 24n2e−n3 이 양이고 감소함을 보았다.
이 수열의 극한은 0 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−n3 을 처음 N 개 항의 합
SN=n=1∑Nan 으로 근사할 때 생기는 오차는 0 과
처음으로 생략된 항 aN+1 사이에 있다.
5 개의 항을 쓰면 오차는 다음을 만족한다.
∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91
원본 교재 풀이(영어)
(a)
Solution 1: We need to show that
n=1∑∞24n2e−n3 converges.
If we replace n by x in the summand, we get f(x)=24x2e−x3,
which we can integate. (Just substitute u=x3.)
So let's try the integral test.
First, we have to check that f(x) is positive and decreasing.
It is certainly positive. To determine if it is decreasing, we compute
dxdf=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3
which is negative for x≥1. Therefore f(x) is decreasing for x≥1,
and the integral test applies. The substitution u=x3,
du=3x2dx, yields
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 converges. The nth
term in this series is
an=24n2e−n3=en324n2
It is a ratio with both the numerator and denominator growing with n.
A good rule of thumb is that exponentials grow a lot faster than powers.
For example, if n=10 the numerator is 2400=2.4×103
and the denominator is about 2×10434.
So we would guess that an tends to zero as n→∞.
The question is “does an tend to zero fast enough with n that our series converges?”. For example, we know that ∑n=1∞n21
converges (by the p–test with p=2). So if an tends to zero faster
than n21 does, our series will converge. So let's try the limiting convergence test with an=24n2e−n3=en324n2
and bn=n21.
That's it. The limit comparison test now tells us that
∑n=1∞an converges.
(b)
In part (a) we saw that 24n2e−n3 is positive and decreasing.
The limit of this sequence equals 0 (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−n3 by the sum of its first N terms,
SN=n=1∑Nan, lies between 0
and the first omitted term, aN+1.
If we use 5 terms, the error satisfies
an 을 다음과 같이 정의하세요.
an={−en/2n2n이소수이면n이소수가아니면
급수
n=1∑∞enan 이 수렴함을 보이세요.
영어 원문 보기
Let an be defined as
an={−en/2n2 if n is prime if n is not prime
Show that the series
n=1∑∞enan 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.
n 이 소수이면
enan=−enen/2=en/21=(e1)n
n 이 소수가 아니면
enan=−enn2=enn2n 이 충분히 크면 n2<en/2 이므로, n 이 충분히 클 때
enn2≤(e1)n
이다.
e>1 이므로 e>1 이고, 따라서 등비급수 ∑(e1)n 은 ∣r∣=r=e1<1 이므로 수렴한다. 직접 비교판정법에 의해 n=1∑∞enan 도 수렴한다. 그러면
n=1∑∞enan 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 n is prime, then
enan=−enen/2=en/21=(e1)n
If n is not prime, then
enan=−enn2=enn2
For n sufficiently large, n2<en/2, so for n sufficiently large,
enn2≤(e1)n.
Since e>1, then e>1, so the geometric series ∑(e1)n has ∣r∣=r=e1<1, so it converges. By the direct comparison test, n=1∑∞enan converges as well. Then
n=1∑∞enan converges absolutely, so it converges.
We know that differentiation preserves the radius
of convergence of power series. So this series has radius of
convergence 1 (the radius of convergence of the original
geometric series). At x=±1 the series diverges by the divergence
test. So the series converges for −1<x<1.
{an} 은 어떤 실수 C>0 에 대해 n→∞ 일 때 nan 이 C 로 감소하는 수열이라고 하자.
(a) n=1∑∞anxn 의 수렴 반지름을 구하세요. 답의 근거를 꼼꼼히 설명하세요.
(b) 위 거듭제곱급수의 수렴 구간, 즉 (a)의 거듭제곱급수가 수렴하는 모든 x 를 구하세요. 답의 근거를 꼼꼼히 설명하세요.
영어 원문 보기
Assume {an} is a sequence such that nan decreases to C as
n→∞ for some real number C>0
(a) Find the radius of convergence of n=1∑∞anxn . Justify your answer carefully.
(b) Find the interval of convergence of the above power series, that is,
find all x for which the power series in (a) converges. Justify your answer carefully.
(b) Just knowing that the radius of convergence is 1, we know that the
series converges for ∣x∣<1 and diverges for ∣x∣>1. That leaves x±1.
When x=+1, the series reduces to n=1∑∞an. We are told that
nandecreases to C>0. So an≥nC. By the comparison test
with the harmonic series n=1∑∞n1, which diverges by the p–test
with p=1, our series diverges when x=1.
When x=−1, the series reduces to n=1∑∞(−1)nan.
We are told that nandecreases to C>0. So an>0 and an converges to
0 as n→∞. Consequently n=1∑∞(−1)nan
converges by the alternating series test.
f(x)=n=0∑∞An(x−c)n 이라 하자. 여기서 c 는 어떤 상수이고 {An} 은 상수로 이루어진 수열이다. 또한 f(x) 는 양의 수렴 반지름을 갖는다고 하자.
A1=0 이면 y=f(x) 가 x=c 에서 임계점을 가짐을 보이세요. 그 점에서 그래프의 모양과 A2 의 값 사이에는 어떤 관계가 있는지 설명하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=n=0∑∞An(x−c)n, for some constant c and a sequence of constants {An}. Further, let f(x) have a positive radius of convergence.
If A1=0, show that y=f(x) has a critical point at x=c. What is the relationship between the behaviour of the graph at that point and the value of A2?
Following the second derivative test, x=c is the location of a local maximum if A2<0, and it is the location of a local minimum if A2>0. (If A2=0, the critical point may or may not be a local extremum.)
(a) f(x) 의 매클로린 급수가
n=1∑∞n⋅n!(−1)n−1xn 임을 보이세요.
(b) 비판정법을 사용하여 매클로린 급수
n=1∑∞n⋅n!(−1)n−1xn 이 수렴하는 x 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Define
f(x)=∫0xt1−e−tdt.
(a) Show that the Maclaurin series for f(x) is
n=1∑∞n⋅n!(−1)n−1xn.
(b) Use the ratio test to determine the values of x for which
the Maclaurin series
n=1∑∞n⋅n!(−1)n−1xn converges.
정답·풀이 보기
(a)
알려진 거듭제곱급수
ex=1+x+2!x2+3!x3+4!x4+⋯ 에
x=−t 를 대입하면 다음을 얻는다.
(a) x0=0 에서 cosh(x) 의 거듭제곱급수 전개를 구하고, 그 수렴 구간을 구하세요.
(b) 332≤cosh(2)≤332+0.1 임을 보이세요.
(c) 모든 t 에 대해 cosh(t)≤e21t2 임을 보이세요.
영어 원문 보기
Let cosh(x)=2ex+e−x.
(a) Find the power series expansion of cosh(x) about x0=0 and
determine its interval of convergence.
(b) Show that 332≤cosh(2)≤332+0.1.
(c) Show that cosh(t)≤e21t2 for all t.
정답·풀이 보기
(a) 모든 x 에 대해
ex=n=0∑∞n!xn 임을 알고 있다.
x 를 −x 로 바꾸면, 모든 x 에 대해
e−x=n=0∑∞n!(−x)n 이고,
따라서