Usually with factorials, we want to use the divergence test or the ratio test. Since the terms are indeed tending towards zero, we are left with the ratio test.
Does the following series converge or diverge?
n=1∑∞2n4+nn2+1.
정답·풀이 보기
n 이 커질 때 어림해 보자.
2n4+nn2+1≈2n4n2=2n21∑2n21 은 (p-판정법 또는 적분판정법에 의해) 수렴하는 급수이므로, 주어진 급수도 수렴할 것으로 짐작할 수 있다. 비교판정법을 쓰려면 2n4+nn2+1<2n21 임을 보여야 하는데 이는 번거로워 보이므로, 극한비교판정법을 쓰자.
극한이 양의 유한한 수이므로 극한비교판정법에 의해 ∑2n4+nn1+1 은 ∑2n21 과 같은 성질을 갖는다. 즉, 수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)
We want to make an estimation, when n gets big:
2n4+nn2+1≈2n4n2=2n21
Since ∑2n21 is a convergent series (by p-test, or integral test), we guess that our series is convergent as well. If we wanted to use comparison test, we should have to show 2n4+nn2+1<2n21, which seems unpleasant, so let's use limit comparison.
늘 하던 대로 “쉬운" 판정법이 통하는지 먼저 살펴보자. 더하는 항들은 0으로 수렴한다.
n→∞limne−n=n→∞limnen1=0
따라서 발산판정법으로는 판정할 수 없다. 주어진 급수는 등비급수가 아니고, 등비급수와 비교하는 방법도 분명하지 않다. 그러나 더하는 항들은 적분 가능한 함수를 이룰 것처럼 보인다.
f(x)=xe−x 라 하자. x≥1 에서
이 함수는 양수이고 감소한다 (양수이면서 감소하는 두 함수 e−x 와 x1 의 곱이기 때문이다).
이 함수에 적분판정법을 쓴다.
u=x 로 치환하면
du=2x1dx 이므로 다음을 얻는다.
As usual, let's see whether the “easy" tests work. The terms we're adding converge to zero:
n→∞limne−n=n→∞limnen1=0
so the divergence test is inconclusive. Our series isn't geometric, and it doesn't seem obvious how to compare it to a geometric series. However, the terms we're adding seem like they would make an integrable function.
Set f(x)=xe−x. For x≥1,
this function is positive and decreasing (since it is the product of
the two positive decreasing functions e−x and x1).
We use the integral test with this function.
Using the substitution u=x, so that
du=2x1dx, we see that
이 존재하므로 적용할 수 있다. 급수 k=1∑∞bk 는
수렴하는 p-급수(p=67>1)이므로
주어진 급수는 수렴한다.
참고: 우리가 고른 비교 급수로 직접 비교판정법을 적용하려면, 충분히 큰 모든 k 에 대해
k5+93k4+1≤k7/61
임을 보여야 한다. 그러나 이는 성립하지 않는다. k 가 클 때는 부등호 방향이 반대인 부등식이 성립한다.
원본 교재 풀이(영어)
We first develop some intuition. For very large k,
k4 dominates 1 so that the numerator 3k4+1≈3k4=k4/3,
and k5 dominates 9 so that the denominator k5+9≈k5=k5/2 and the summand
k5+93k4+1≈k5/2k4/3=k7/61
The series n=1∑∞k7/61
converges by the p–test with p=67>1, so we expect the given series to converge too.
To verify that our intuition is correct,
we apply the limit comparison test with
exists. Since the series k=1∑∞bk is
a convergent p–series (with ratio p=67>1),
the given series converges.
Note: to apply the direct comparison test with our chosen comparison series, we would need to show that
k5+93k4+1≤k7/61
for all k sufficiently large. However, this is not true: the opposite inequality holds when k is large.
Solution 1: Let's see whether the divergence test works here.
n→∞lim(2n+7)4n42n/3(n41n41)=n→∞lim(2+7/n)42n/3=n→∞lim(2+0)42n/3=∞
The summands of our series do not converge to zero. By the divergence
test, the series diverges.
Solution 2: Let's develop some intuition for a comparison. For very large n, 2n dominates
7 so that
(2n+7)4n42n/3≈(2n)4n42n/3=1612n/3
The series n=1∑∞2n/3
is a geometric series with ratio r=21/3>1 and so diverges. (It also fails the divergence test.)
We expect the given series to diverge too.
To verify that our intuition is correct,
we apply the limit comparison test with
and since n=1∑∞n1 diverges, the given
series diverges.
(b) Since cos(nπ)=(−1)n, the given series
converges by the alternating series test.
To check that an=2nn decreases to 0 as n tends
to infinity, note that
anan+1=n2−n(n+1)2−(n+1)=(1+n1)21
is smaller than 1 (so that an+1≤an) for all n≥1,
and is smaller than 43 (so an+1≤43an)
for all n≥2.
이고 k=1∑∞k1 이 (p=1 인 p-판정법에 의해) 발산하므로, 주어진 급수는 발산한다.
원본 교재 풀이(영어)
For large k, k4≫2k3−2 and k5≫k2+k
so k5+k2+kk4−2k3+2≈k5k4=k1.
This suggests that we apply the limit
comparison test with ak=k5+k2+kk4−2k3+2 and
bk=k1.
Since
Determine whether each of the following series converge or diverge.
(a) n=2∑∞n5−nn2+n+1
(b) m=1∑∞m23m+sinm
정답·풀이 보기
(a) n 이 충분히 크면 n2≫n+1 이므로 분자 n2+n+1≈n2 이다.
n 이 충분히 크면 n5≫n 이므로 분모 n5−n≈n5 이다.
따라서 n 이 충분히 크면 n5−nn2+n+1≈n5n2=n31 이다.
이는 an=n5−nn2+n+1, bn=n31 으로 극한비교판정법을 적용해 볼 수 있음을 시사한다.
다음에서
극한이 존재하고 0이 아니며, m=1∑∞m1 은 (p=1 인 p-급수 판정법에 의해) 발산하므로 주어진 급수는 발산한다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) For large n, n2≫n+1 and so the numerator n2+n+1≈n2.
For large n, n5≫n and so the denominator n5−n≈n5.
So, for large n, n5−nn2+n+1≈n5n2=n31.
This suggests that we apply the limit
comparison test with an=n5−nn2+n+1 and bn=n31.
Since
exists and is nonzero, and since n=1∑∞n31 converges (by the p–test with p=3>1), the given series converges.
(b) For large m, 3m≫∣sinm∣ and
so m23m+sinm≈m23m=m3.
This suggests that we apply the limit
comparison test with am=m23m+sinm and
bm=m1. (We could also use bm=m3.)
Since
First we'll develop some intuition by observing that, for very large n,
an≈2n1. We know that the series n=1∑∞n1
diverges by the p–test with p=1. So let's apply the limit comparison
test with bn=n1. Since
n→∞limbnan=n→∞lim2n−1n=n→∞lim2−n11=21
the series n=1∑∞an converges if and only if the
series n=1∑∞bn converges. So the given series
diverges.
The series in the brackets is the harmonic series which
we know diverges, by the p–test with p=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=22n+1(2n+1).
Since
anan+1=22n+3(2n+3)(2n+1)22n+1=41(2n+1)(2n+3)=41(2+1/n)(2+3/n)→41<1 as n→∞
exists and is nonzero, and k=1∑∞k5/31 converges (by the p–test
with p=35>1), the given series converges by the limit comparison test.
(b)
The kth term in this series is
ak=(2k)!k1010k(k!)2. Factorials often work well with the ratio test, because they simplify so nicely in quotients.
As k tends to ∞, this converges to
10×1×2×21>1. So the series diverges by the
ratio test.
(c)
We'll use the integal test. The kth term in the series
is ak=k(logk)(loglogk)1=f(k) with
f(x)=x(logx)(loglogx)1, which is continuous, positive and
decreasing for x≥3.
이고 이 극한이 존재하며 0이 아니므로, 주어진 급수 n=1∑∞an 이 수렴하는 것과 급수 n=1∑∞bn 이 수렴하는 것은 서로 필요충분조건이다.
급수 n=1∑∞bn=n=1∑∞n21 은 수렴하는 p-급수(p=2)이므로 두 급수 모두 수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)
For large n, the numerator n3−4≈n3 and the denominator
2n5−6n≈2n5, so the nth term is approximately
2n5n3=2n21. So we apply the limit comparison
test with an=2n5−6nn3−4 and bn=n21. Since
exists and is nonzero, the given series n=1∑∞an converges if and only
if the series n=1∑∞bn converges.
Since the series n=1∑∞bn=n=1∑∞n21
is a convergent p-series (with p=2), both series converge.
급수 n=0∑∞(1−an) 이 수렴한다고 하자.
단, n=0,1,2,3,⋯ 에 대해 an>0 이다.
급수 n=0∑∞2nan 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.
영어 원문 보기
Suppose that the series n=0∑∞(1−an) converges,
where an>0 for n=0,1,2,3,⋯. Determine whether the series
n=0∑∞2nan converges or diverges.
정답·풀이 보기
발산 판정법에 의해, n=0∑∞(1−an) 이 수렴한다는 사실로부터 n→∞lim(1−an)=0 이 보장되고, 이는 n→∞liman=1 과 같다. 따라서 발산 판정법을 한 번 더 적용하면,
n→∞lim2nan=+∞
이므로 n=0∑∞2nan 도 발산한다.
원본 교재 풀이(영어)
By the divergence test, the fact that n=0∑∞(1−an)
converges guarantees that n→∞lim(1−an)=0,
or equivalently, that n→∞liman=1. So,
by the divergence test, a second time, the fact that
급수
n=1∑∞1+n(−1)2n+1
이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지, 발산하는지 판단하세요.
영어 원문 보기
Determine whether the series
n=1∑∞1+n(−1)2n+1
is absolutely convergent, conditionally convergent, or divergent.
정답·풀이 보기
(−1)2n+1=(−1)⋅(−1)2n=−1 임에 주목하자. 따라서 다음과 같이 간단히 할 수 있다.
n=1∑∞1+n(−1)2n+1=−n=1∑∞1+n1
1+n1≥n+n1=2n1 이므로,
n=1∑∞1+n1 은
발산하는 조화급수 n=1∑∞n1 과의 비교판정법에 의해 발산한다. 원래 급수에 곱해진 전체 계수 −1 은 발산이라는 결론을 바꾸지 않는다.
원본 교재 풀이(영어)
Note that (−1)2n+1=(−1)⋅(−1)2n=−1. So we can simplify
n=1∑∞1+n(−1)2n+1=−n=1∑∞1+n1
Since 1+n1≥n+n1=2n1,
n=1∑∞1+n1
diverges by the comparison test with the divergent harmonic series n=1∑∞n1. The extra overall factor of −1 in the original series
does not change the conclusion of divergence.
급수
n=1∑∞(−1)n−13+22n1+4n 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−13+22n1+4n either:
converges absolutely;
converges conditionally;
diverges; or
none of the above.
Determine which is correct.
정답·풀이 보기
n→∞lim3+22n1+4n=n→∞lim3+4n1+4n=1
이므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 실제로
n→∞lim(−1)n−13+22n1+4n 은 존재하지 않는다
(n 이 매우 크면 (−1)n−13+22n1+4n 은 +1 에 가까운 수와 −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
n→∞lim3+22n1+4n=n→∞lim3+4n1+4n=1
the alternating series test cannot be used. Indeed,
n→∞lim(−1)n−13+22n1+4n does not exist
(for very large n, (−1)n−13+22n1+4n alternates between a number
close to +1 and a number close to −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.)
이 극한은 존재하며 0이 아니다. 급수 n=1∑∞bn 이 수렴하므로 급수 n=1∑∞n6+n2∣n2−sinn∣ 도 수렴한다. 따라서 급수 n=1∑∞n6+n2n2−sinn 은 절대수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)
We first develop some intuition about n=1∑∞n6+n2n2−sinn, where we take the absolute value of the summands to consider whether the series converges absolutely. For very large n, n2 dominates
sinn and n6 dominates n2 so that
n6+n2n2−sinn≈n6n2=n41
The series n=1∑∞n41
converges by the p–test with p=4>1.
We expect the given series to converge too.
To verify that our intuition is correct,
we apply the limit comparison test with
exists and is nonzero. Since the series n=1∑∞bn
converges, the series n=1∑∞n6+n2∣n2−sinn∣ converges too. Therefore, the series n=1∑∞n6+n2n2−sinn converges absolutely.
급수
n=0∑∞(n2+1)(n!)2(−1)n(2n)!
이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지(수렴하지만 절대수렴하지는 않는지), 아니면 발산하는지 (근거와 함께!) 판단하세요.
영어 원문 보기
Determine (with justification!) whether the series
n=0∑∞(n2+1)(n!)2(−1)n(2n)!
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} 이 n→∞ 일 때 0 으로 수렴하지 않는다는 점이며, 따라서 이 급수는 실제로는
발산판정법에 의해 발산한다. n→∞ 일 때 nth 번째 항이 0 으로 수렴하지 않음을 확인하기 위해
an=(n2+1)(n!)2(2n)! (즉 an 은 부호를 뺀 nth 번째
항)이라 쓰고, an+1 이 an 보다 큰지 작은지 확인해 보자.
이고, 특히 충분히 큰 n 에 대해 an+1>an 이다. 그러므로 충분히 큰 n 에 대해
an 은 n 에 따라 증가하므로 0 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} does not converge to zero as n→∞, so that the series actually
diverges by the divergence test. To verify that the nth term does not converge to zero as n→∞ let's write
an=(n2+1)(n!)2(2n)! (i.e. an is the nth term
without the sign) and check to see whether an+1 is bigger than or smaller than an.
and, in particular, for large n, an+1>an. Thus, for large n,
an increases with n and so cannot converge to 0. So the series
diverges by the divergence test.
다음 사실은 증명 없이 사용해도 됩니다.
n=0∑∞(2n)!(−1)n=cos(1)
이 사실을 이용하여 cos1 을 오차가 10001 이내인 유리수로 어림하세요.
계산기로 구한 cos(1) 의 근삿값과 비교하여 답을 확인하세요. 실제 오차는 얼마였나요?
영어 원문 보기
You may assume without proof the following:
n=0∑∞(2n)!(−1)n=cos(1)
Using this fact, approximate cos1 as a rational number, accurate to within 10001.
Check your answer against a calculator's approximation of cos(1): what was your actual error?
정답·풀이 보기
N 번째 항까지 사용한 근삿값의 오차는 최대 (2(N+1))!1 이다. (2(N+1))!1<10001 이어야 한다. N 의 작은 값들을 확인해 보면 8!=40320>1000 이므로, N=3 이면 2(N+1)!1=403201<10001 이다. 따라서 근삿값을 구하려면 급수의 처음 네 항만 고려하면 충분하다.
따라서 오차는 우리가 구한 한계 403201 에 상당히 가깝고, 10001 보다는 훨씬 작다.
원본 교재 풀이(영어)
The error in our approximation using through term N is at most (2(N+1))!1. We want (2(N+1))!1<10001. By checking small values of N, we see that 8!=40320>1000, so if N=3, then 2(N+1)!1=403201<10001. So, for our approximation, it suffices to consider the first four terms of our series.
어떤 양의 상수 a, c 와 어떤 상수 수열 {An} 에 대하여 f(x)=n=a∑∞An(x−c)n 이라 하자. x 가 어떤 값일 때 f(x) 가 반드시 수렴하는지 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=n=a∑∞An(x−c)n for some positive constants a and c, and some sequence of constants {An}. For which values of x does f(x) definitely converge?
이다. 따라서 x=c 일 때 f(x) 는 (상수 0 으로) 수렴한다. (a=0 을 허용했다면 00=1 로 약속하므로 f(x) 가 0 이 아닌 수 A0 으로 수렴할 수도 있다.)
수열 {An} 에 따라서는 x=c 인 모든 x 에 대해 f(x) 가 발산할 수도 있다. 예를 들어 An=n! 이라 하면 f(x)=n=0∑∞n!(x−c)n 이다. x=c 이면 극한 n→∞limn!(x−c)n(n+1)!(x−c)n+1=n→∞lim(n+1)∣x−c∣ 는 x−c=0 이므로 무한대이다. 따라서 이 급수는 발산한다.
지금까지 이 급수가 x=c 에서는 반드시 수렴하지만, 다른 점에서는 수렴하지 않을 수 있음을 보였다.
So, f(x) converges (to the constant 0) when x=c. (Had we allowed a=0, it would be possible for f(x) to converge to a nonzero number A0, because we use the convention 00=1.)
Depending on the sequence {An}, it's possible that f(x) diverges for all x=c. For example, suppose An=n!, so f(x)=n=0∑∞n!(x−c)n. If x=c, then the limit n→∞limn!(x−c)n(n+1)!(x−c)n+1=n→∞lim(n+1)∣x−c∣ is infinity, since x−c=0. So, the series diverges.
We've now shown that the series definitely converges at x=c, but at any other point, it may fail to converge.
f′(x)=n=0∑∞n+2(x−1)n 이고,
∫5xf(t)dt=3x+n=1∑∞n(n+1)2(x−1)n+1 이라고 하자.
f(x) 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose f′(x)=n=0∑∞n+2(x−1)n, and
∫5xf(t)dt=3x+n=1∑∞n(n+1)2(x−1)n+1.
Give a power series representation of f(x).
정답·풀이 보기
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) 에 대해 주어진 식은 무시할 수 있으며, 그러면 문제가 훨씬 간단해진다. 이것이 풀이 1에서 사용한 방법이다.
We can find 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), which makes the problem much simpler. This is the method used in Solution 1.
Solution 1 Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:
Notice f(1)=0+C. So, to find C, we must find f(1). We can't get that information from f′(x), so our only option is to consider the given formula for ∫5xf(t)dt. Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1: