유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

17문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.3절 · 16번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=2∞n23n2+n\displaystyle \sum_{n=2}^\infty \frac{n^2}{3n^2+\sqrt n} 은 수렴하나요?

영어 원문 보기

Does the series ∑n=2∞n23n2+n\displaystyle \sum_{n=2}^\infty \frac{n^2}{3n^2+\sqrt n} converge?

정답·풀이 보기

먼저 발산 판정법을 확인한다. 이 판정법이 늘 통하는 것은 아니지만, 통한다면 대개 가장 쉬운 방법이다.

lim⁡n→∞n23n2+n(1n21n2)=lim⁡n→∞13+1nn=13≠0\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \frac{n^2}{3n^2+\sqrt n} \left(\frac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right) = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{3+\frac{1}{n\sqrt n}} = \frac{1}{3} \neq 0 \end{aligned}

더해지는 항들의 극한이 0이 아니므로, 발산 판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

First, we'll check the divergence test. It doesn't always work, but if it does, it's likely the easiest path.

lim⁡n→∞n23n2+n(1n21n2)=lim⁡n→∞13+1nn=13≠0\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \frac{n^2}{3n^2+\sqrt n} \left(\frac{\frac{1}{n^2}}{\frac{1}{n^2}}\right) = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{3+\frac{1}{n\sqrt n}} = \frac{1}{3} \neq 0 \end{aligned}

Since the limit of the terms being added is not zero, the series diverges by the divergence test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 36번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 3.3절 · 17번대학 수준우리말 번역

설명과 함께 급수 ∑n=1∞5k4k+3k\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{5^k}{4^k+3^k} 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

영어 원문 보기

Determine, with explanation, whether the series ∑n=1∞5k4k+3k\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{5^k}{4^k+3^k} converges or diverges.

정답·풀이 보기

이 문제는 2014년 기말고사에 그대로 출제되었다. 이 급수의 nthn^{\rm th} 항이 an=5k4k+3ka_n=\frac{5^k}{4^k+3^k} 이고 nn 에 의존하지 않음에 주목하자! 가능성은 두 가지이다. 의도한 것이었거나(그렇다면 출제자가 특히 짓궂었던 것이다) 오타여서 원래 의도는 an=5n4n+3na_n=\frac{5^n}{4^n+3^n} 이었을 것이다. 두 경우 모두 극한

lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞5k4k+3k=5k4k+3k≠0lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞5n4n+3n=lim⁡n→∞(5/4)n1+(3/4)n=+∞≠0\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} a_n &=\lim_{n\to\infty} \frac{5^k}{4^k+3^k} = \frac{5^k}{4^k+3^k} \neq 0 \\ \lim_{n\to\infty} a_n &=\lim_{n\to\infty} \frac{5^n}{4^n+3^n} =\lim_{n\to\infty} \frac{(5/4)^n}{1+(3/4)^n} = +\infty \neq 0 \\ \end{aligned}

이 0이 아니므로, 발산판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

This precise question was asked on a 2014 final exam. Note that the nthn^{\rm th} term in the series is an=5k4k+3ka_n=\frac{5^k}{4^k+3^k} and does not depend on nn! There are two possibilities. Either this was intentional (and the instructor was being particularly nasty) or it was a typo and the intention was to have an=5n4n+3na_n=\frac{5^n}{4^n+3^n}. In both cases, the limit

lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞5k4k+3k=5k4k+3k≠0lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞5n4n+3n=lim⁡n→∞(5/4)n1+(3/4)n=+∞≠0\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} a_n &=\lim_{n\to\infty} \frac{5^k}{4^k+3^k} = \frac{5^k}{4^k+3^k} \neq 0 \\ \lim_{n\to\infty} a_n &=\lim_{n\to\infty} \frac{5^n}{4^n+3^n} =\lim_{n\to\infty} \frac{(5/4)^n}{1+(3/4)^n} = +\infty \neq 0 \\ \end{aligned}

is nonzero, so the series diverges by the divergence test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 37번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.CLP-2 · 3.3절 · 19번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑k=1∞1kk+1\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}}

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑k=1∞1kk+1\displaystyle\sum_{k=1}^\infty\frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}}

정답·풀이 보기

이 급수의 항은 0에 가까워지므로 발산판정법을 쓸 수 없다.

수렴 여부를 추측하기 위해 다음과 같이 한다. ∑1kk+1=∑1k2+k≈∑1k2=∑1k\sum \frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}}=\sum\frac{1}{\sqrt{k^2+k}} \approx \sum\frac{1}{\sqrt{k^2}}=\sum\frac{1}{k}이 급수가 조화급수와 비슷하게 행동한다고 추측할 수 있고, 조화급수는 발산한다(pp-판정법이나 적분판정법으로 보일 수 있다). 따라서 이 급수도 발산한다고 추측한다. 그러나 이 급수를 조화급수와 직접 비교하여 발산함을 보이려면 이 급수의 항이 조화급수의 항보다 커야 하는데, 그렇지 않다. 그러므로 극한비교판정법을 쓴다.

1k1k2+k=k2+kk=k2+kk2=k2+kk2=1+1k, 이므로lim⁡k→∞1k1k2+k=lim⁡k→∞1+1k=1\begin{aligned} \frac{\frac{1}{k}}{\frac{1}{\sqrt{k^2+k}}}&=\frac{\sqrt{k^2+k}}{k}=\frac{\sqrt{k^2+k}}{\sqrt{k^2}}= \sqrt{\frac{k^2+k}{k^2}}=\sqrt{1+\frac{1}{k}},\text{ 이므로}\\ \lim_{k \rightarrow \infty}\frac{\frac{1}{k}}{\frac{1}{\sqrt{k^2+k}}}&=\lim_{k \rightarrow \infty}\sqrt{1+\frac{1}{k}}=1 \end{aligned}

1은 0보다 큰 실수이므로, 극한비교판정법에 의해 ∑1kk+1\sum \frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}} 은 ∑1k\sum \frac{1}{k} 과 마찬가지로 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

The terms of the series tend to 0, so we can't use the divergence test.

To generate a guess about its convergence, we do the following: ∑1kk+1=∑1k2+k≈∑1k2=∑1k\sum \frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}}=\sum\frac{1}{\sqrt{k^2+k}} \approx \sum\frac{1}{\sqrt{k^2}}=\sum\frac{1}{k}We guess that our series behaves like the harmonic series, and the harmonic series diverges (which can be demonstrated by pp-test or integral test). So, we guess that our series diverges. However, in order to directly compare our series to the harmonic series and show our series diverges, our terms would have to be bigger than the terms in the harmonic series, and this is not the case. So, we use limit comparison.

1k1k2+k=k2+kk=k2+kk2=k2+kk2=1+1k, solim⁡k→∞1k1k2+k=lim⁡k→∞1+1k=1\begin{aligned} \frac{\frac{1}{k}}{\frac{1}{\sqrt{k^2+k}}}&=\frac{\sqrt{k^2+k}}{k}=\frac{\sqrt{k^2+k}}{\sqrt{k^2}}= \sqrt{\frac{k^2+k}{k^2}}=\sqrt{1+\frac{1}{k}},\text{ so}\\ \lim_{k \rightarrow \infty}\frac{\frac{1}{k}}{\frac{1}{\sqrt{k^2+k}}}&=\lim_{k \rightarrow \infty}\sqrt{1+\frac{1}{k}}=1 \end{aligned}

Since 1 is a real number greater than 0, by the Limit Comparison Test, ∑1kk+1\sum \frac{1}{\sqrt{k}\sqrt{k+1}} diverges, like ∑1k\sum \frac{1}{k}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 35번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
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4.CLP-2 · 3.3절 · 22번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑n=7∞sin⁡(πn)\displaystyle\sum_{n=7}^\infty \sin(\pi n)

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑n=7∞sin⁡(πn)\displaystyle\sum_{n=7}^\infty \sin(\pi n)

정답·풀이 보기

임의의 정수 nn 에 대해 sin⁡(πn)=0\sin(\pi n)=0 이므로 ∑sin⁡(πn)=∑0=0\sum \sin(\pi n)=\sum 0 = 0 이다. 따라서 이 급수는 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

For any integer nn, sin⁡(πn)=0\sin(\pi n)=0, so ∑sin⁡(πn)=∑0=0\sum \sin(\pi n)=\sum 0 = 0. So, this series converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 39번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.CLP-2 · 3.3절 · 23번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑n=7∞cos⁡(πn)\displaystyle\sum_{n=7}^\infty\cos(\pi n)

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑n=7∞cos⁡(πn)\displaystyle\sum_{n=7}^\infty\cos(\pi n)

정답·풀이 보기

임의의 정수 nn 에 대해 cos⁡(πn)=±1\cos(\pi n)=\pm 1 이므로 lim⁡n→∞cos⁡(πn)≠0\lim\limits_{n \rightarrow \infty}\cos(\pi n) \neq 0 이다.

발산 판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

For any integer nn, cos⁡(πn)=±1\cos(\pi n)=\pm 1, so lim⁡n→∞cos⁡(πn)≠0\lim\limits_{n \rightarrow \infty}\cos(\pi n) \neq 0.

By the divergence test, this series diverges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 22번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
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6.CLP-2 · 3.3절 · 24번대학 수준우리말 번역

다음 급수는 수렴하는지 발산하는지 판단하세요. ∑k=1∞ekk!\displaystyle\sum_{k=1}^\infty \frac{e^k}{k!}.

영어 원문 보기

Does the following series converge or diverge? ∑k=1∞ekk!\displaystyle\sum_{k=1}^\infty \frac{e^k}{k!}.

정답·풀이 보기

팩토리얼은 엄청나게 빨리 커진다. 정말, 아주 빠르다. 지수함수보다도 더 빠르다. 그래서 항이 0으로 가므로 발산판정법으로는 알 수 없다. 팩토리얼이 있을 때 먼저 쓰기 좋은 비판정법을 사용하자.

ak+1ak=ek+1(k+1)!ekk!=ek+1ek⋅k!(k+1)!=e⋅k(k−1)⋯(1)(k+1)(k)(k−1)⋯(1)=e⋅1k+1=ek+1e는 상수이므로,lim⁡k→∞ak+1ak=lim⁡k→∞ek+1=0\begin{aligned} \frac{a_{k+1}}{a_k}&=\frac{\frac{e^{k+1}}{(k+1)!}}{\frac{e^k}{k!}}=\frac{e^{k+1}}{e^k}\cdot\frac{k!}{(k+1)!} = e\cdot\frac{k(k-1)\cdots(1)}{(k+1)(k)(k-1)\cdots(1)}=e\cdot\frac{1}{k+1}=\frac{e}{k+1} \\ \text{$e$는 상수이므로,} \\ \lim_{k \rightarrow \infty}\frac{a_{k+1}}{a_k}&=\lim_{k \rightarrow \infty}\frac{e}{k+1}=0 \end{aligned}

0<10<1 이므로 비판정법에 의해 이 급수는 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

Factorials grow super fast. Like, wow, really fast. Even faster than exponentials. So the terms are going to zero, and the divergence test won't help us. Let's use ratio–it's a good go-to test with factorials.

ak+1ak=ek+1(k+1)!ekk!=ek+1ek⋅k!(k+1)!=e⋅k(k−1)⋯(1)(k+1)(k)(k−1)⋯(1)=e⋅1k+1=ek+1Since e is a constant,lim⁡k→∞ak+1ak=lim⁡k→∞ek+1=0\begin{aligned} \frac{a_{k+1}}{a_k}&=\frac{\frac{e^{k+1}}{(k+1)!}}{\frac{e^k}{k!}}=\frac{e^{k+1}}{e^k}\cdot\frac{k!}{(k+1)!} = e\cdot\frac{k(k-1)\cdots(1)}{(k+1)(k)(k-1)\cdots(1)}=e\cdot\frac{1}{k+1}=\frac{e}{k+1} \\ \text{Since $e$ is a constant,} \\ \lim_{k \rightarrow \infty}\frac{a_{k+1}}{a_k}&=\lim_{k \rightarrow \infty}\frac{e}{k+1}=0 \end{aligned}

Since 0<10<1, by the ratio test, the series converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 27번
# 비교 판정법계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
7.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)
8.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)
9.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)
10.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)
11.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)
12.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
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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.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)
14.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)
15.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)
16.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)
17.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.

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)