문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

급수 심화 전체 문제

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731문제 · 36 / 37쪽

701.CLP-2 · 3.3절 · 26번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑n=1∞n!n!(2n)!\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n!n!}{(2n)!}.

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑n=1∞n!n!(2n)!\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n!n!}{(2n)!}.

정답·풀이 보기

팩토리얼이 있을 때는 보통 발산판정법이나 비판정법을 쓴다. 항들이 실제로 0 으로 가까워지므로, 남은 방법은 비판정법이다.

an+1an=(n+1)!(n+1)!(2n+2)!n!n!(2n)!=(n+1)!(n+1)!n!n!⋅(2n)!(2n+2)!=(n+1)(n)(n−1)⋯(1)n(n−1)⋯(1)⋅(n+1)(n)(n−1)⋯(1)n(n−1)⋯(1)⋅(2n)(2n−1)(2n−2)⋯(1)(2n+2)(2n+1)(2n)(2n−1)(2n−2)⋯(1)=(n+1)(n+1)⋅1(2n+2)(2n+1)이므로lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞(n+1)(n+1)(2n+2)(2n+1)=lim⁡n→∞(n+1)(n+1)2(n+1)(2n+1)=lim⁡n→∞n+14n+2=14\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n}&=\frac{\frac{(n+1)!(n+1)!}{(2n+2)!}}{\frac{n!n!}{(2n)!}}=\frac{(n+1)!(n+1)!}{n!n!}\cdot\frac{(2n)!}{(2n+2)!}\\ &=\tfrac{ (n+1){(n)}{(n-1)}\cdots{(1)}}{{n}{(n-1)}\cdots{(1)}} \cdot\tfrac{ (n+1){(n)}{(n-1)}\cdots{(1)}}{{n}{(n-1)}\cdots{(1)}} \cdot \tfrac{{(2n)}{(2n-1)}{(2n-2)}\cdots{(1)}}{ (2n+2)(2n+1){(2n)}{(2n-1)}{(2n-2)}\cdots{(1)}} \\ &=(n+1)(n+1) \cdot \frac{1}{(2n+2)(2n+1)}\text{이므로}\\ \lim_{n \rightarrow \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}&=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n+1)(n+1)}{(2n+2)(2n+1)} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n+1)(n+1)}{2(n+1)(2n+1)} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{n+1}{4n+2}=\frac{1}{4} \end{aligned}

극한이 1 보다 작은 수이므로, 비판정법에 의해 이 급수는 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

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.

an+1an=(n+1)!(n+1)!(2n+2)!n!n!(2n)!=(n+1)!(n+1)!n!n!⋅(2n)!(2n+2)!=(n+1)(n)(n−1)⋯(1)n(n−1)⋯(1)⋅(n+1)(n)(n−1)⋯(1)n(n−1)⋯(1)⋅(2n)(2n−1)(2n−2)⋯(1)(2n+2)(2n+1)(2n)(2n−1)(2n−2)⋯(1)=(n+1)(n+1)⋅1(2n+2)(2n+1), solim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞(n+1)(n+1)(2n+2)(2n+1)=lim⁡n→∞(n+1)(n+1)2(n+1)(2n+1)=lim⁡n→∞n+14n+2=14\begin{aligned} \frac{a_{n+1}}{a_n}&=\frac{\frac{(n+1)!(n+1)!}{(2n+2)!}}{\frac{n!n!}{(2n)!}}=\frac{(n+1)!(n+1)!}{n!n!}\cdot\frac{(2n)!}{(2n+2)!}\\ &=\tfrac{ (n+1){(n)}{(n-1)}\cdots{(1)}}{{n}{(n-1)}\cdots{(1)}} \cdot\tfrac{ (n+1){(n)}{(n-1)}\cdots{(1)}}{{n}{(n-1)}\cdots{(1)}} \cdot \tfrac{{(2n)}{(2n-1)}{(2n-2)}\cdots{(1)}}{ (2n+2)(2n+1){(2n)}{(2n-1)}{(2n-2)}\cdots{(1)}} \\ &=(n+1)(n+1) \cdot \frac{1}{(2n+2)(2n+1)}\text{, so}\\ \lim_{n \rightarrow \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}&=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n+1)(n+1)}{(2n+2)(2n+1)} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n+1)(n+1)}{2(n+1)(2n+1)} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{n+1}{4n+2}=\frac{1}{4} \end{aligned}

Since the limit is a number less than 1, the series converges by the ratio test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 48번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
702.CLP-2 · 3.3절 · 27번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑n=1∞n2+12n4+n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2+1}{2n^4+n}.

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑n=1∞n2+12n4+n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2+1}{2n^4+n}.

정답·풀이 보기

nn 이 커질 때 어림해 보자. n2+12n4+n≈n22n4=12n2\frac{n^2+1}{2n^4+n} \approx \frac{n^2}{2n^4}=\frac{1}{2n^2} ∑12n2\sum \frac{1}{2n^2} 은 (pp-판정법 또는 적분판정법에 의해) 수렴하는 급수이므로, 주어진 급수도 수렴할 것으로 짐작할 수 있다. 비교판정법을 쓰려면 n2+12n4+n<12n2\frac{n^2+1}{2n^4+n}<\frac{1}{2n^2} 임을 보여야 하는데 이는 번거로워 보이므로, 극한비교판정법을 쓰자.

lim⁡n→∞n2+12n4+n12n2=lim⁡n→∞(n2+1)2n22n4+n=lim⁡n→∞2n4+2n22n4+n(1/n41/n4)=lim⁡n→∞2+2n22+1n3=1\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{\frac{n^2+1}{2n^4+n}}{\frac{1}{2n^2}}=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n^2+1)2n^2}{2n^4+n} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{2n^4+2n^2}{2n^4+n}\left(\frac{1/n^4}{1/n^4}\right)=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{2+\frac{2}{n^2}}{2+\frac{1}{n^3}}=1

극한이 양의 유한한 수이므로 극한비교판정법에 의해 ∑n1+12n4+n\sum \frac{n^1+1}{2n^4+n} 은 ∑12n2\sum\frac{1}{2n^2} 과 같은 성질을 갖는다. 즉, 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

We want to make an estimation, when nn gets big: n2+12n4+n≈n22n4=12n2\frac{n^2+1}{2n^4+n} \approx \frac{n^2}{2n^4}=\frac{1}{2n^2} Since ∑12n2\sum \frac{1}{2n^2} is a convergent series (by pp-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 n2+12n4+n<12n2\frac{n^2+1}{2n^4+n}<\frac{1}{2n^2}, which seems unpleasant, so let's use limit comparison.

lim⁡n→∞n2+12n4+n12n2=lim⁡n→∞(n2+1)2n22n4+n=lim⁡n→∞2n4+2n22n4+n(1/n41/n4)=lim⁡n→∞2+2n22+1n3=1\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{\frac{n^2+1}{2n^4+n}}{\frac{1}{2n^2}}=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{(n^2+1)2n^2}{2n^4+n} =\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{2n^4+2n^2}{2n^4+n}\left(\frac{1/n^4}{1/n^4}\right)=\lim_{n \rightarrow \infty}\frac{2+\frac{2}{n^2}}{2+\frac{1}{n^3}}=1

Since the limit is a positive finite number, by the Limit Comparison Test, ∑n1+12n4+n\sum \frac{n^1+1}{2n^4+n} does the same thing ∑12n2\sum\frac{1}{2n^2} does: it converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 26번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
703.CLP-2 · 3.3절 · 30번대학 수준우리말 번역

∑n=1∞e−nn{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}} 은 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Does ∑n=1∞e−nn{\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}} converge or diverge?

정답·풀이 보기

늘 하던 대로 “쉬운" 판정법이 통하는지 먼저 살펴보자. 더하는 항들은 0으로 수렴한다. lim⁡n→∞e−nn=lim⁡n→∞1nen=0\lim_{n \to \infty}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{\sqrt{n}e^{\sqrt{n}}}=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)=e−xxf(x)=\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} 라 하자. x≥1x\ge1 에서 이 함수는 양수이고 감소한다 (양수이면서 감소하는 두 함수 e−xe^{-\sqrt x} 와 1x\frac1{\sqrt x} 의 곱이기 때문이다). 이 함수에 적분판정법을 쓴다. u=xu=\sqrt x 로 치환하면 du=12x dx\mathrm{d}u = \frac1{2\sqrt x}\,\mathrm{d}x 이므로 다음을 얻는다.

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1R(e−xx dx)=lim⁡R→∞(∫1Re−u⋅2 du)=lim⁡R→∞(−2e−u∣1R)=lim⁡R→∞(−2e−R+2e−1)=0+2e−1,\begin{aligned} \int_1^\infty f(x)\,\mathrm{d}x &=\lim_{R\rightarrow\infty}\int_1^R \bigg( \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( \int_1^{\sqrt{R}} e^{-u}\cdot2\,\mathrm{d}u \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-u}\Big|_1^{\sqrt{R}} \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-\sqrt R} + 2e^{-\sqrt1} \bigg) = 0 + 2e^{-1}, \end{aligned}

따라서 이 이상적분은 수렴한다. 적분판정법에 의해 주어진 급수도 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

As usual, let's see whether the “easy" tests work. The terms we're adding converge to zero: lim⁡n→∞e−nn=lim⁡n→∞1nen=0\lim_{n \to \infty}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}=\lim_{n \to \infty}\frac{1}{\sqrt{n}e^{\sqrt{n}}}=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)=e−xxf(x)=\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}. For x≥1x\ge1, this function is positive and decreasing (since it is the product of the two positive decreasing functions e−xe^{-\sqrt x} and 1x\frac1{\sqrt x}). We use the integral test with this function. Using the substitution u=xu=\sqrt x, so that du=12x dx\mathrm{d}u = \frac1{2\sqrt x}\,\mathrm{d}x, we see that

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1R(e−xx dx)=lim⁡R→∞(∫1Re−u⋅2 du)=lim⁡R→∞(−2e−u∣1R)=lim⁡R→∞(−2e−R+2e−1)=0+2e−1,\begin{aligned} \int_1^\infty f(x)\,\mathrm{d}x &=\lim_{R\rightarrow\infty}\int_1^R \bigg( \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\,\mathrm{d}x \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( \int_1^{\sqrt{R}} e^{-u}\cdot2\,\mathrm{d}u \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-u}\Big|_1^{\sqrt{R}} \bigg) \\[0.05in] &=\lim_{R\rightarrow\infty} \bigg( {-}2e^{-\sqrt R} + 2e^{-\sqrt1} \bigg) = 0 + 2e^{-1}, \end{aligned}

and so this improper integral converges. By the integral test, the given series also converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 8번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
704.CLP-2 · 3.3절 · 32번대학 수준우리말 번역

급수 ∑k=1∞k4+13k5+9\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{ \sqrt[3]{k^4+1} } {\sqrt{k^5+9}} 가 수렴하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series ∑k=1∞k4+13k5+9\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{ \sqrt[3]{k^4+1} } {\sqrt{k^5+9}} converges.

정답·풀이 보기

먼저 직관을 얻어 본다. kk 가 매우 클 때, k4k^4 이 11 보다 훨씬 우세하므로 분자는 k4+13≈k43=k4/3\sqrt[3]{k^4+1} \approx \sqrt[3]{k^4} = k^{4/3} 이고, k5k^5 이 9 보다 훨씬 우세하므로 분모는 k5+9≈k5=k5/2\sqrt{k^5+9} \approx \sqrt{k^5} = k^{5/2} 이다. 따라서 일반항은

k4+13k5+9≈k4/3k5/2=1k7/6\begin{aligned} \frac{ \sqrt[3]{k^4+1} }{\sqrt{k^5+9}} \approx \frac{k^{4/3}}{k^{5/2}} =\frac{1}{k^{7/6}} \end{aligned}

이다.

급수 ∑n=1∞1k7/6\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{k^{7/6}} 은 p=76>1p=\frac{7}{6}>1 이므로 pp-판정법에 의해 수렴한다. 따라서 주어진 급수도 수렴할 것으로 예상된다.

이 직관이 맞는지 확인하기 위해 극한비교판정법을 다음에 적용한다.

ak=k4+13k5+9와bk=1k7/6=k4/3k5/2\begin{aligned} a_k= \frac{ \sqrt[3]{k^4+1} }{\sqrt{k^5+9}} \quad\text{와}\quad b_k= \frac{1}{k^{7/6}}=\frac{k^{4/3}}{k^{5/2}} \end{aligned}

이때

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k4+13/k4/3k5+9/k5/2=lim⁡k→∞1+1/k431+9/k5=1\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{a_k}{b_k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{ \sqrt[3]{k^4+1}/k^{4/3}} {\sqrt{k^5+9}/k^{5/2}} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{ \sqrt[3]{1+1/k^4} }{\sqrt{1+9/k^5}} =1

이 존재하므로 적용할 수 있다. 급수 ∑k=1∞bk\sum\limits_{k=1}^\infty b_k 는 수렴하는 pp-급수(p=76>1p=\frac{7}{6}>1)이므로 주어진 급수는 수렴한다.

참고: 우리가 고른 비교 급수로 직접 비교판정법을 적용하려면, 충분히 큰 모든 kk 에 대해 k4+13k5+9≤1k7/6\frac{\sqrt[3]{k^4+1}}{\sqrt{k^5+9}} \leq \frac{1}{k^{7/6}} 임을 보여야 한다. 그러나 이는 성립하지 않는다. kk 가 클 때는 부등호 방향이 반대인 부등식이 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

We first develop some intuition. For very large kk, k4k^4 dominates 11 so that the numerator k4+13≈k43=k4/3\sqrt[3]{k^4+1} \approx \sqrt[3]{k^4} = k^{4/3}, and k5k^5 dominates 9 so that the denominator k5+9≈k5=k5/2\sqrt{k^5+9} \approx \sqrt{k^5} = k^{5/2} and the summand

k4+13k5+9≈k4/3k5/2=1k7/6\begin{aligned} \frac{ \sqrt[3]{k^4+1} }{\sqrt{k^5+9}} \approx \frac{k^{4/3}}{k^{5/2}} =\frac{1}{k^{7/6}} \end{aligned}

The series ∑n=1∞1k7/6\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{k^{7/6}} converges by the pp–test with p=76>1p=\frac{7}{6}>1, so we expect the given series to converge too.

To verify that our intuition is correct, we apply the limit comparison test with

ak=k4+13k5+9andbk=1k7/6=k4/3k5/2\begin{aligned} a_k= \frac{ \sqrt[3]{k^4+1} }{\sqrt{k^5+9}} \quad\text{and}\quad b_k= \frac{1}{k^{7/6}}=\frac{k^{4/3}}{k^{5/2}} \end{aligned}

which is valid since

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k4+13/k4/3k5+9/k5/2=lim⁡k→∞1+1/k431+9/k5=1\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{a_k}{b_k} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{ \sqrt[3]{k^4+1}/k^{4/3}} {\sqrt{k^5+9}/k^{5/2}} =\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{ \sqrt[3]{1+1/k^4} }{\sqrt{1+9/k^5}} =1

exists. Since the series ∑k=1∞bk\sum\limits_{k=1}^\infty b_k is a convergent pp–series (with ratio p=76>1p=\frac{7}{6}>1), the given series converges.

Note: to apply the direct comparison test with our chosen comparison series, we would need to show that k4+13k5+9≤1k7/6\frac{\sqrt[3]{k^4+1}}{\sqrt{k^5+9}} \leq \frac{1}{k^{7/6}} for all kk sufficiently large. However, this is not true: the opposite inequality holds when kk is large.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 33번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
705.CLP-2 · 3.3절 · 33번대학 수준우리말 번역

∑n=1∞n42n/3(2n+7)4\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} 은 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Does ∑n=1∞n42n/3(2n+7)4\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} converge or diverge?

정답·풀이 보기
  • 풀이 1: 여기에 발산판정법이 통하는지 살펴보자. lim⁡n→∞n42n/3(2n+7)4(1n41n4)=lim⁡n→∞2n/3(2+7/n)4=lim⁡n→∞2n/3(2+0)4=∞\lim_{n\to\infty} \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4}\left(\frac{\frac{1}{n^4}}{\frac{1}{n^4}}\right) = \lim_{n\to\infty} \frac{2^{n/3}}{(2+7/n)^4} = \lim_{n\to\infty} \frac{2^{n/3}}{(2+0)^4} = \infty 이 급수의 각 항은 0으로 수렴하지 않는다. 발산판정법에 의해 이 급수는 발산한다.
  • 풀이 2: 비교를 위한 직관을 먼저 얻어 보자. nn 이 매우 크면 2n2n 이 77 보다 훨씬 지배적이므로

n42n/3(2n+7)4≈n42n/3(2n)4=1162n/3\begin{aligned} \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \approx \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n)^4} =\frac{1}{16}2^{n/3} \end{aligned}

이다.

급수 ∑n=1∞2n/3\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} 2^{n/3} 은 비가 r=21/3>1r=2^{1/3}>1 인 등비급수이므로 발산한다. (이 급수 역시 발산판정법을 통과하지 못한다.) 따라서 주어진 급수도 발산할 것으로 예상된다.

이 직관이 맞는지 확인하기 위해

an=n42n/3(2n+7)4그리고bn=2n/3\begin{aligned} a_n= \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \quad\text{그리고}\quad b_n= 2^{n/3} \end{aligned}

에 대해 극한비교판정법을 적용한다. 이는

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n4(2n+7)4=lim⁡n→∞1(2+7/n)4=124\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n^4}{(2n+7)^4} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{{(2+7/n)}^4} =\frac{1}{2^4}

이 존재하고 00 이 아니므로 적용할 수 있다. 급수 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n 은 (비가 r=21/3>1r=2^{1/3}>1 인) 발산하는 등비급수이므로, 주어진 급수는 발산한다.

(일반적인 비교판정법을 사용할 수도 있다. 이때는 an=n42n/3(2n+7)4≥n42n/3(2n+7n)4=194bna_n = \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \ge \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7n)^4} = \frac{1}{9^4}b_n 과 같은 부등식을 보이면 된다.)

  • 풀이 3: 다른 방법으로, 비판정법을 적용할 수 있다.

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(n+1)42(n+1)/3/(2(n+1)+7)4n42n/3/(2n+7)4∣=lim⁡n→∞(n+1)4(2n+7)4n4(2n+9)4 2(n+1)/32n/3=lim⁡n→∞(1+1/n)4(2+7/n)4(2+9/n)4⋅21/3=1⋅21/3>1.\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{a_{n+1}}{a_n} \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{(n+1)^42^{(n+1)/3}/(2(n+1)+7)^4}{n^42^{n/3}/(2n+7)^4} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \frac{(n+1)^4(2n+7)^4}{n^4(2n+9)^4}\ \frac{2^{(n+1)/3}}{2^{n/3}} \\ &=\lim_{n\to\infty} \frac{(1+1/n)^4(2+7/n)^4}{(2+9/n)^4} \cdot2^{1/3} = 1\cdot2^{1/3} > 1. \end{aligned}

이웃한 항의 비가 1보다 크므로, 비판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: Let's see whether the divergence test works here. lim⁡n→∞n42n/3(2n+7)4(1n41n4)=lim⁡n→∞2n/3(2+7/n)4=lim⁡n→∞2n/3(2+0)4=∞\lim_{n\to\infty} \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4}\left(\frac{\frac{1}{n^4}}{\frac{1}{n^4}}\right) = \lim_{n\to\infty} \frac{2^{n/3}}{(2+7/n)^4} = \lim_{n\to\infty} \frac{2^{n/3}}{(2+0)^4} = \infty 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 nn, 2n2n dominates 77 so that

n42n/3(2n+7)4≈n42n/3(2n)4=1162n/3\begin{aligned} \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \approx \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n)^4} =\frac{1}{16}2^{n/3} \end{aligned}

The series ∑n=1∞2n/3\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} 2^{n/3} is a geometric series with ratio r=21/3>1r=2^{1/3}>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

an=n42n/3(2n+7)4andbn=2n/3\begin{aligned} a_n= \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \quad\text{and}\quad b_n= 2^{n/3} \end{aligned}

which is valid since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n4(2n+7)4=lim⁡n→∞1(2+7/n)4=124\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n^4}{(2n+7)^4} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{{(2+7/n)}^4} =\frac{1}{2^4}

exists and is nonzero. Since the series ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^\infty b_n is a divergent geometric series (with ratio r=21/3>1r=2^{1/3}>1), the given series diverges.

(It is possible to use the plain comparison test as well. One needs to show something like an=n42n/3(2n+7)4≥n42n/3(2n+7n)4=194bna_n = \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7)^4} \ge \frac{n^4 2^{n/3}}{(2n+7n)^4} = \frac{1}{9^4}b_n.)

  • Solution 3: Alternately, one can apply the ratio test:

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(n+1)42(n+1)/3/(2(n+1)+7)4n42n/3/(2n+7)4∣=lim⁡n→∞(n+1)4(2n+7)4n4(2n+9)4 2(n+1)/32n/3=lim⁡n→∞(1+1/n)4(2+7/n)4(2+9/n)4⋅21/3=1⋅21/3>1.\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{a_{n+1}}{a_n} \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{(n+1)^42^{(n+1)/3}/(2(n+1)+7)^4}{n^42^{n/3}/(2n+7)^4} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \frac{(n+1)^4(2n+7)^4}{n^4(2n+9)^4}\ \frac{2^{(n+1)/3}}{2^{n/3}} \\ &=\lim_{n\to\infty} \frac{(1+1/n)^4(2+7/n)^4}{(2+9/n)^4} \cdot2^{1/3} = 1\cdot2^{1/3} > 1. \end{aligned}

Since the ratio of consecutive terms is greater than one, by the ratio test, the series diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 30번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
706.CLP-2 · 3.3절 · 34번대학 수준우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 이유를 들어 판단하세요.

(a) ∑n=1∞1n2+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{\sqrt{n^2+1}} (b) ∑n=1∞ncos⁡(nπ)2n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n\cos(n\pi)}{2^n}

영어 원문 보기

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

(a) ∑n=1∞1n2+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{\sqrt{n^2+1}} (b) ∑n=1∞ncos⁡(nπ)2n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n\cos(n\pi)}{2^n}

정답·풀이 보기

(a) nn 이 크면 n2≫1n^2\gg 1 이므로 n2+1≈n2=n\sqrt{n^2+1}\approx \sqrt{n^2}= n 이다. 이는 an=1n2+1a_n=\frac{1}{\sqrt{n^2+1}} 과 bn=1nb_n=\frac{1}{n} 에 극한비교판정법을 적용할 수 있음을 시사한다. 또한

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞1/n2+11/n=lim⁡n→∞11+1/n2=1\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1/\sqrt{n^2+1}}{1/n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1}{\sqrt{1+1/n^2}} =1

이고 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 이 발산하므로, 주어진 급수는 발산한다.

(b) cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi)=(-1)^n 이므로 주어진 급수는 교대급수판정법에 의해 수렴한다. an=n2na_n=\frac{n}{2^n} 이 nn 이 한없이 커질 때 00 으로 감소함을 확인하기 위해 다음을 보자.

an+1an=(n+1)2−(n+1)n2−n=(1+1n)12\frac{a_{n+1}}{a_n} =\frac{(n+1)2^{-(n+1)}}{n2^{-n}} =\Big(1+\frac{1}{n}\Big)\frac{1}{2}

은 모든 n≥1n\ge 1 에 대해 11 보다 작고(an+1≤ana_{n+1}\le a_n 이므로), 모든 n≥2n\ge 2 에 대해 34\frac{3}{4} 보다 작다(an+1≤34ana_{n+1}\le \frac{3}{4}a_n 이므로).

원본 교재 풀이(영어)

(a) For large nn, n2≫1n^2\gg 1 and so n2+1≈n2=n\sqrt{n^2+1}\approx \sqrt{n^2}= n. This suggests that we apply the limit comparison test with an=1n2+1a_n=\frac{1}{\sqrt{n^2+1}} and bn=1nb_n=\frac{1}{n}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞1/n2+11/n=lim⁡n→∞11+1/n2=1\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1/\sqrt{n^2+1}}{1/n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1}{\sqrt{1+1/n^2}} =1

and since ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} diverges, the given series diverges.

(b) Since cos⁡(nπ)=(−1)n\cos(n\pi)=(-1)^n, the given series converges by the alternating series test. To check that an=n2na_n=\frac{n}{2^n} decreases to 00 as nn tends to infinity, note that

an+1an=(n+1)2−(n+1)n2−n=(1+1n)12\frac{a_{n+1}}{a_n} =\frac{(n+1)2^{-(n+1)}}{n2^{-n}} =\Big(1+\frac{1}{n}\Big)\frac{1}{2}

is smaller than 11 (so that an+1≤ana_{n+1}\le a_n) for all n≥1n\ge 1, and is smaller than 34\frac{3}{4} (so an+1≤34ana_{n+1}\le \frac{3}{4}a_n) for all n≥2n\ge 2.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 19번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
707.CLP-2 · 3.3절 · 35번대학 수준우리말 번역

급수

∑k=1∞k4−2k3+2k5+k2+k\sum_{k=1}^\infty\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}

이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine whether the series

∑k=1∞k4−2k3+2k5+k2+k\sum_{k=1}^\infty\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}

converges or diverges.

정답·풀이 보기

kk 가 크면 k4≫2k3−2k^4\gg 2k^3-2 이고 k5≫k2+kk^5\gg k^2+k 이므로 k4−2k3+2k5+k2+k≈k4k5=1k\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}\approx \frac{k^4}{k^5} =\frac{1}{k} 이다. 이는 ak=k4−2k3+2k5+k2+ka_k=\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k} 과 bk=1kb_k=\frac{1}{k} 에 극한비교판정법을 적용할 수 있음을 시사한다. 또한

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k4−2k3+2k5+k2+k⋅k1=lim⁡k→∞k5−2k4+2kk5+k2+k=lim⁡k→∞1−2/k+2/k41+1/k3+1/k4=1\begin{aligned} \lim_{k\rightarrow\infty} \frac{a_k}{b_k} &=\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}\cdot \frac{k}{1} =\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{k^5-2k^4+2k}{k^5+k^2+k} =\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{1-2/k+2/k^4}{1+1/k^3+1/k^4} \\ &=1 \end{aligned}

이고 ∑k=1∞1k\sum\limits_{k=1}^\infty\frac{1}{k} 이 (p=1p=1 인 pp-판정법에 의해) 발산하므로, 주어진 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

For large kk, k4≫2k3−2k^4\gg 2k^3-2 and k5≫k2+kk^5\gg k^2+k so k4−2k3+2k5+k2+k≈k4k5=1k.\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}\approx \frac{k^4}{k^5} =\frac{1}{k}. This suggests that we apply the limit comparison test with ak=k4−2k3+2k5+k2+ka_k=\frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k} and bk=1kb_k=\frac{1}{k}. Since

lim⁡k→∞akbk=lim⁡k→∞k4−2k3+2k5+k2+k⋅k1=lim⁡k→∞k5−2k4+2kk5+k2+k=lim⁡k→∞1−2/k+2/k41+1/k3+1/k4=1\begin{aligned} \lim_{k\rightarrow\infty} \frac{a_k}{b_k} &=\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{k^4-2k^3+2}{k^5+k^2+k}\cdot \frac{k}{1} =\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{k^5-2k^4+2k}{k^5+k^2+k} =\lim_{k\rightarrow\infty} \frac{1-2/k+2/k^4}{1+1/k^3+1/k^4} \\ &=1 \end{aligned}

and since ∑k=1∞1k\sum\limits_{k=1}^\infty\frac{1}{k} diverges (by the pp–test with p=1p=1), the given series diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 32번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
708.CLP-2 · 3.3절 · 36번대학 수준우리말 번역

다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

(a) ∑n=2∞n2+n+1n5−n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{n^2+n+1}{n^5-n} (b) ∑m=1∞3m+sin⁡mm2\displaystyle\sum_{m=1}^\infty\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2}

영어 원문 보기

Determine whether each of the following series converge or diverge.

(a) ∑n=2∞n2+n+1n5−n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{n^2+n+1}{n^5-n} (b) ∑m=1∞3m+sin⁡mm2\displaystyle\sum_{m=1}^\infty\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2}

정답·풀이 보기

(a) nn 이 충분히 크면 n2≫n+1n^2\gg n+1 이므로 분자 n2+n+1≈n2n^2+n+1\approx n^2 이다. nn 이 충분히 크면 n5≫nn^5\gg n 이므로 분모 n5−n≈n5n^5-n\approx n^5 이다. 따라서 nn 이 충분히 크면 n2+n+1n5−n≈n2n5=1n3\frac{n^2+n+1}{n^5-n}\approx \frac{n^2}{n^5} =\frac{1}{n^3} 이다. 이는 an=n2+n+1n5−na_n=\frac{n^2+n+1}{n^5-n}, bn=1n3b_n=\frac{1}{n^3} 으로 극한비교판정법을 적용해 볼 수 있음을 시사한다. 다음에서

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n2+n+1)/(n5−n)1/n3=lim⁡n→∞n5+n4+n3n5−n=lim⁡n→∞1+1/n+1/n21−1/n4=1\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} &=\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{(n^2+n+1)/(n^5-n)}{1/n^3} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{n^5+n^4+n^3}{n^5-n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1+1/n+1/n^2}{1-1/n^4} \\ &=1 \end{aligned}

극한이 존재하고 0이 아니며, ∑n=1∞1n3\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^3} 은 (p=3>1p=3>1 인 pp-급수 판정법에 의해) 수렴하므로 주어진 급수는 수렴한다.

(b) mm 이 충분히 크면 3m≫∣sin⁡m∣3m\gg |\sin\sqrt{m}| 이므로 3m+sin⁡mm2≈3mm2=3m\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2}\approx \frac{3m}{m^2} =\frac{3}{m} 이다. 이는 am=3m+sin⁡mm2a_m=\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2}, bm=1mb_m=\frac{1}{m} 으로 극한비교판정법을 적용하라는 뜻이다. (bm=3mb_m=\frac{3}{m} 을 써도 된다.) 다음에서

lim⁡m→∞ambm=lim⁡m→∞(3m+sin⁡m)/m21/m=lim⁡m→∞3m+sin⁡mm=lim⁡m→∞3+sin⁡mm=3\begin{aligned} \lim_{m\rightarrow\infty} \frac{a_m}{b_m} &=\lim_{m\rightarrow\infty} \frac{(3m+\sin\sqrt{m})/m^2}{1/m} =\lim_{m\rightarrow\infty} \frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m} =\lim_{m\rightarrow\infty} 3+\frac{\sin\sqrt{m}}{m} \\ &=3 \end{aligned}

극한이 존재하고 0이 아니며, ∑m=1∞1m\sum\limits_{m=1}^\infty\frac{1}{m} 은 (p=1p=1 인 pp-급수 판정법에 의해) 발산하므로 주어진 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For large nn, n2≫n+1n^2\gg n+1 and so the numerator n2+n+1≈n2n^2+n+1\approx n^2. For large nn, n5≫nn^5\gg n and so the denominator n5−n≈n5n^5-n\approx n^5. So, for large nn, n2+n+1n5−n≈n2n5=1n3.\frac{n^2+n+1}{n^5-n}\approx \frac{n^2}{n^5} =\frac{1}{n^3}. This suggests that we apply the limit comparison test with an=n2+n+1n5−na_n=\frac{n^2+n+1}{n^5-n} and bn=1n3b_n=\frac{1}{n^3}. Since

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞(n2+n+1)/(n5−n)1/n3=lim⁡n→∞n5+n4+n3n5−n=lim⁡n→∞1+1/n+1/n21−1/n4=1\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty} \frac{a_n}{b_n} &=\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{(n^2+n+1)/(n^5-n)}{1/n^3} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{n^5+n^4+n^3}{n^5-n} =\lim_{n\rightarrow\infty} \frac{1+1/n+1/n^2}{1-1/n^4} \\ &=1 \end{aligned}

exists and is nonzero, and since ∑n=1∞1n3\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^3} converges (by the pp–test with p=3>1p=3>1), the given series converges.

(b) For large mm, 3m≫∣sin⁡m∣3m\gg |\sin\sqrt{m}| and so 3m+sin⁡mm2≈3mm2=3m.\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2}\approx \frac{3m}{m^2} =\frac{3}{m}. This suggests that we apply the limit comparison test with am=3m+sin⁡mm2a_m=\frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m^2} and bm=1mb_m=\frac{1}{m}. (We could also use bm=3mb_m=\frac{3}{m}.) Since

lim⁡m→∞ambm=lim⁡m→∞(3m+sin⁡m)/m21/m=lim⁡m→∞3m+sin⁡mm=lim⁡m→∞3+sin⁡mm=3\begin{aligned} \lim_{m\rightarrow\infty} \frac{a_m}{b_m} &=\lim_{m\rightarrow\infty} \frac{(3m+\sin\sqrt{m})/m^2}{1/m} =\lim_{m\rightarrow\infty} \frac{3m+\sin\sqrt{m}}{m} =\lim_{m\rightarrow\infty} 3+\frac{\sin\sqrt{m}}{m} \\ &=3 \end{aligned}

exists and is nonzero, and since ∑m=1∞1m\sum\limits_{m=1}^\infty\frac{1}{m} diverges (by the pp–test with p=1p=1), the given series diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 17번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
709.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)
710.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)
711.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)
712.CLP-2 · 3.3절 · 49번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=0∞(1−an)\sum\limits_{n=0}^{\infty}(1-a_n) 이 수렴한다고 하자. 단, n=0,1,2,3,⋯n=0,1,2,3,\cdots 에 대해 an>0a_n>0 이다. 급수 ∑n=0∞2nan\sum\limits_{n=0}^\infty 2^n a_n 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Suppose that the series ∑n=0∞(1−an)\sum\limits_{n=0}^{\infty}(1-a_n) converges, where an>0a_n>0 for n=0,1,2,3,⋯n=0,1,2,3,\cdots. Determine whether the series ∑n=0∞2nan\sum\limits_{n=0}^\infty 2^n a_n converges or diverges.

정답·풀이 보기

발산 판정법에 의해, ∑n=0∞(1−an)\sum\limits_{n=0}^{\infty}(1-a_n) 이 수렴한다는 사실로부터 lim⁡n→∞(1−an)=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}(1-a_n)=0 이 보장되고, 이는 lim⁡n→∞an=1\lim\limits_{n\rightarrow\infty}a_n=1 과 같다. 따라서 발산 판정법을 한 번 더 적용하면,

lim⁡n→∞2nan=+∞\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}2^n a_n = +\infty \end{aligned}

이므로 ∑n=0∞2nan\sum\limits_{n=0}^\infty 2^n a_n 도 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence test, the fact that ∑n=0∞(1−an)\sum\limits_{n=0}^{\infty}(1-a_n) converges guarantees that lim⁡n→∞(1−an)=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}(1-a_n)=0, or equivalently, that lim⁡n→∞an=1\lim\limits_{n\rightarrow\infty}a_n=1. So, by the divergence test, a second time, the fact that

lim⁡n→∞2nan=+∞\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}2^n a_n = +\infty \end{aligned}

guarantees that ∑n=0∞2nan\sum\limits_{n=0}^\infty 2^n a_n diverges too.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 48번
# 비교 판정법계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
713.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)
714.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)
715.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)
716.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)
717.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)
718.CLP-2 · 3.5절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 양의 상수 aa, cc 와 어떤 상수 수열 {An}\{A_n\} 에 대하여 f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n 이라 하자. xx 가 어떤 값일 때 f(x)f(x) 가 반드시 수렴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n for some positive constants aa and cc, and some sequence of constants {An}\{A_n\}. For which values of xx does f(x)f(x) definitely converge?

정답·풀이 보기

x=cx=c 이면

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

이다. 따라서 x=cx=c 일 때 f(x)f(x) 는 (상수 0 으로) 수렴한다. (a=0a=0 을 허용했다면 00=10^0=1 로 약속하므로 f(x)f(x) 가 0 이 아닌 수 A0A_0 으로 수렴할 수도 있다.)

수열 {An}\{A_n\} 에 따라서는 x≠cx \neq c 인 모든 xx 에 대해 f(x)f(x) 가 발산할 수도 있다. 예를 들어 An=n!A_n=n! 이라 하면 f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n 이다. x≠cx \neq c 이면 극한 lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| 는 x−c≠0x-c\neq 0 이므로 무한대이다. 따라서 이 급수는 발산한다.

지금까지 이 급수가 x=cx=c 에서는 반드시 수렴하지만, 다른 점에서는 수렴하지 않을 수 있음을 보였다.

원본 교재 풀이(영어)

If x=cx=c, then

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

So, f(x)f(x) converges (to the constant 0) when x=cx=c. (Had we allowed a=0a=0, it would be possible for f(x)f(x) to converge to a nonzero number A0A_0, because we use the convention 00=10^0=1.)

Depending on the sequence {An}\{A_n\}, it's possible that f(x)f(x) diverges for all x≠cx \neq c. For example, suppose An=n!A_n=n!, so f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n. If x≠cx \neq c, then the limit lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| is infinity, since x−c≠0x-c\neq 0. So, the series diverges.

We've now shown that the series definitely converges at x=cx=c, but at any other point, it may fail to converge.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 21번
# 멱급수와 수렴 반경계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
719.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)
720.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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 25번
# 멱급수와 수렴 반경계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)