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4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.3절 · 47번대학 수준우리말 번역

∑n=1∞e−nn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} 이 수렴함을 보이고, 이 급수의 정확한 값을 포함하는 길이가 0.050.05 이하인 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Show that ∑n=1∞e−nn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} converges and find an interval of length 0.050.05 or less that contains its exact value.

정답·풀이 보기

e−xx=1xex\dfrac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}=\dfrac{1}{\sqrt{x}e^{\sqrt{x}}} 은 xx 가 증가할 때 감소한다. 따라서 모든 n≥1n\ge 1 에 대해

e−xx≥ennx가 구간 [n−1,n] 에 있을 때그러므로∫n−1ne−xx dx≥∫n−1ne−nn dx=[e−nnx]x=n−1x=n=e−nn\begin{aligned} \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} &\geq \frac{e^{\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}&\text{$x$가 구간 $[n-1,n]$ 에 있을 때}\\ \text{그러므로}\qquad \int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x&\geq\int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}\ \mathrm{d}x\\ &=\left[\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}x\right]_{x=n-1}^{x=n}\\ &=\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} \end{aligned}

이다. 그러면 모든 N≥1N\ge 1 에 대해

EN=∑n=N+1∞e−nn≤∑n=N+1∞∫n−1ne−xx dx=∫NN+1e−xx dx+∫N+1N+2e−xx dx+⋯=∫N∞e−xx dx\begin{aligned} E_N&=\sum_{n=N+1}^\infty \frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} \le \sum_{n=N+1}^\infty \int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x \\&=\int_{N}^{N+1}\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x +\int_{N+1}^{N+2} \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x+\cdots\\ &=\int_{N}^\infty \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x \end{aligned}

이다. y=xy=\sqrt{x}, dy=12dxx\mathrm{d}y=\tfrac{1}{2}\frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x}} 로 치환하면

∫N∞e−xx dx=2∫N∞e−y dy=−2e−y∣N∞=2e−N\begin{aligned} \int_{N}^\infty \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x =2\int_{\sqrt{N}}^\infty e^{-y}\ \mathrm{d}y =-2e^{-y}\Big|_{\sqrt{N}}^\infty =2e^{-\sqrt{N}} \end{aligned}

이다.

이로써 ∑n=N+1∞e−nn\sum_{n=N+1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} 은 수렴하고 그 값은 00 과 2e−N2e^{-\sqrt{N}} 사이에 있음을 알 수 있다. E14=2e−14=0.047E_{14}=2e^{-\sqrt{14}}=0.047 이므로 급수를 n=14n=14 까지만 더해도 된다.

∑n=1∞e−nn=∑n=114e−nn+E14=+0.3679+0.1719+0.1021+0.0677+0.0478=+0.0352+0.0268+0.0209+0.0166+0.0134=+0.0109+0.0090+0.0075+0.0063+E14=0.9042+E14\begin{aligned} \sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} &=\sum_{n=1}^{14}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}+E_{14}\\ &=\phantom{+}0.3679+0.1719+0.1021+0.0677+0.0478\\ &\phantom{=}+0.0352+0.0268+0.0209+0.0166+0.0134\\ &\phantom{=}+0.0109+0.0090+0.0075+0.0063+E_{14}\\ &=0.9042+E_{14} \end{aligned}

합은 0.9035와 0.9535 사이에 있다. (이는 부분합을 계산할 때 각 항에서 생기는 0.000050.00005 의 반올림 오차까지 고려한 것이다.)

원본 교재 풀이(영어)

Note that e−xx=1xex\dfrac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}=\dfrac{1}{\sqrt{x}e^{\sqrt{x}}} decreases as xx increases. Hence, for every n≥1n\ge 1,

e−xx≥ennfor x in the interval [n−1,n]So,∫n−1ne−xx dx≥∫n−1ne−nn dx=[e−nnx]x=n−1x=n=e−nn\begin{aligned} \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}} &\geq \frac{e^{\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}&\text{for $x$ in the interval $[n-1,n]$}\\ \text{So,}\qquad \int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x&\geq\int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}\ \mathrm{d}x\\ &=\left[\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}x\right]_{x=n-1}^{x=n}\\ &=\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} \end{aligned}

Then, for every N≥1N\ge 1,

EN=∑n=N+1∞e−nn≤∑n=N+1∞∫n−1ne−xx dx=∫NN+1e−xx dx+∫N+1N+2e−xx dx+⋯=∫N∞e−xx dx\begin{aligned} E_N&=\sum_{n=N+1}^\infty \frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} \le \sum_{n=N+1}^\infty \int_{n-1}^n \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x \\&=\int_{N}^{N+1}\frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x +\int_{N+1}^{N+2} \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x+\cdots\\ &=\int_{N}^\infty \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x \end{aligned}

Substituting y=xy=\sqrt{x}, dy=12dxx\mathrm{d}y=\tfrac{1}{2}\frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x}},

∫N∞e−xx dx=2∫N∞e−y dy=−2e−y∣N∞=2e−N\begin{aligned} \int_{N}^\infty \frac{e^{-\sqrt{x}}}{\sqrt{x}}\ \mathrm{d}x =2\int_{\sqrt{N}}^\infty e^{-y}\ \mathrm{d}y =-2e^{-y}\Big|_{\sqrt{N}}^\infty =2e^{-\sqrt{N}} \end{aligned}

This shows that ∑n=N+1∞e−nn\sum_{n=N+1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} converges and is between 00 and 2e−N2e^{-\sqrt{N}}. Since E14=2e−14=0.047E_{14}=2e^{-\sqrt{14}}=0.047, we may truncate the series at n=14n=14.

∑n=1∞e−nn=∑n=114e−nn+E14=+0.3679+0.1719+0.1021+0.0677+0.0478=+0.0352+0.0268+0.0209+0.0166+0.0134=+0.0109+0.0090+0.0075+0.0063+E14=0.9042+E14\begin{aligned} \sum_{n=1}^\infty\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}} &=\sum_{n=1}^{14}\frac{e^{-\sqrt{n}}}{\sqrt{n}}+E_{14}\\ &=\phantom{+}0.3679+0.1719+0.1021+0.0677+0.0478\\ &\phantom{=}+0.0352+0.0268+0.0209+0.0166+0.0134\\ &\phantom{=}+0.0109+0.0090+0.0075+0.0063+E_{14}\\ &=0.9042+E_{14} \end{aligned}

The sum is between 0.9035 and 0.9535. (This even allows for a roundoff error of 0.000050.00005 in each term as we were calculating the partial sum.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 50번
# 비교 판정법증명·논술도전자동 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 · 48번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하고 모든 nn 에 대해 1>an≥01>a_n\ge 0 이라 하자. 이때 급수 ∑n=1∞an1−an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{a_n}{1-a_n} 도 수렴함을 증명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that the series ∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_n converges and that 1>an≥01>a_n\ge 0 for all nn. Prove that the series ∑n=1∞an1−an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{a_n}{1-a_n} also converges.

정답·풀이 보기

증명의 방향을 잡기 위해 먼저 직관을 얻어 보자. ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하므로 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 ana_n 은 0 으로 수렴한다. 따라서 nn 이 충분히 크면 an1−an≈an1−0=an1\frac{a_n}{1-a_n} \approx \frac{a_n}{1-0}=\frac{a_n}{1} 이고, ∑an\sum a_n 이 수렴함을 알고 있다. 그러므로 "큰" 번호의 항들을 유한 개의 작은 번호의 항들과 분리하려고 한다.

lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\to \infty} a_n=0 이므로, 모든 n>Nn>N 에 대해 12>an≥0\tfrac{1}{2}>a_n\ge 0 이 되게 하는 (1보다 작은 양수라면 12\frac12 뿐 아니라 어떤 수를 택해도 된다.) 정수 NN 이 반드시 존재한다. 그러면 n>Nn>N 일 때,

an1−an≤an1−1/2=2an문제에 주어진 정보로부터 다음을 안다.∑n=N+1∞2an=2∑n=N+1∞an은 수렴한다. 따라서 직접 비교 판정법에 의해∑n=N+1∞an1−an도 수렴한다. 급수의 수렴 여부는 처음 N 개의 항에 영향을 받지 않으므로(단, N 이 유한할 때), 다음을 얻는다.∑n=1∞an1−an은 수렴한다.\begin{aligned} \frac{a_n}{1-a_n} &\leq \frac{a_n}{1-1/2}=2a_n \\ \text{문제에 주어진 정보로부터 다음을 안다.} \\ \sum_{n=N+1}^\infty 2a_n&=2\sum_{n=N+1}^\infty a_n\qquad\text{은 수렴한다. } \\ \text{따라서 직접 비교 판정법에 의해} \\ \sum_{n=N+1}^\infty\frac{a_n}{1-a_n}&\qquad\text{도 수렴한다. } \\ \text{급수의 수렴 여부는 처음 $N$ 개의 항에 영향을 받지 않으므로(단, $N$ 이 유한할 때), 다음을 얻는다.} \\ \sum_{n=1}^\infty\frac{a_n}{1-a_n}&\qquad\text{은 수렴한다.} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's get some intuition to guide us through a proof. Since ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n, converges ana_n must converge to zero as n→∞n\rightarrow\infty. So, when nn is quite large, an1−an≈an1−0=an1\frac{a_n}{1-a_n} \approx \frac{a_n}{1-0}=\frac{a_n}{1}, and we know ∑an\sum a_n converges. So, we want to separate the “large" indices from a finite number of smaller ones.

Since lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\to \infty} a_n=0, there must be (We could have chosen any positive number strictly less than 1, not only 12\frac12.) some integer NN such that 12>an≥0\tfrac{1}{2}>a_n\ge 0 for all n>Nn>N. Then, for n>Nn>N,

an1−an≤an1−1/2=2anFrom the information in the problem statement, we know∑n=N+1∞2an=2∑n=N+1∞anconverges. So, by the direct comparison test,∑n=N+1∞an1−anconverges as well. Since the convergence of a series is not affected by its first N terms, as long as N is finite, we conclude∑n=1∞an1−anconverges.\begin{aligned} \frac{a_n}{1-a_n} &\leq \frac{a_n}{1-1/2}=2a_n \\ \text{From the information in the problem statement, we know} \\ \sum_{n=N+1}^\infty 2a_n&=2\sum_{n=N+1}^\infty a_n\qquad\text{converges. } \\ \text{So, by the direct comparison test,} \\ \sum_{n=N+1}^\infty\frac{a_n}{1-a_n}&\qquad\text{converges as well. } \\ \text{Since the convergence of a series is not affected by its first $N$ terms, as long as $N$ is finite, we conclude} \\ \sum_{n=1}^\infty\frac{a_n}{1-a_n}&\qquad\text{converges.} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 47번
# 비교 판정법증명·논술도전자동 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 · 50번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=1∞nan−2n+1n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{na_n-2n+1}{n+1} 이 수렴한다고 가정하세요. 여기서 n=1,2,⋯n = 1, 2, \cdots 에 대해 an>0a_n > 0 입니다. 그러면 다음 급수

−log⁡a1+∑n=1∞log⁡(anan+1)\begin{aligned} -\log a_1 + \sum_{n=1}^\infty \log\Big(\frac{a_n}{a_{n+1}}\Big) \end{aligned}

는 수렴합니까? 답이 '아니요'이면 그 이유를 설명하세요. 답이 '예'이면 급수 −log⁡a1+∑n=1∞log⁡(anan+1)-\log a_1 + \sum\limits_{n=1}^\infty \log\big(\frac{a_n}{a_{n+1}}\big) 의 합을 구하세요.

영어 원문 보기

Assume that the series ∑n=1∞nan−2n+1n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{na_n-2n+1}{n+1} converges, where an>0a_n > 0 for n=1,2,⋯n = 1, 2, \cdots. Is the following series

−log⁡a1+∑n=1∞log⁡(anan+1)\begin{aligned} -\log a_1 + \sum_{n=1}^\infty \log\Big(\frac{a_n}{a_{n+1}}\Big) \end{aligned}

convergent? If your answer is NO, justify your answer. If your answer is YES, evaluate the sum of the series −log⁡a1+∑n=1∞log⁡(anan+1)-\log a_1 + \sum\limits_{n=1}^\infty \log\big(\frac{a_n}{a_{n+1}}\big).

정답·풀이 보기

발산 판정법에 의해 ∑n=1∞nan−2n+1n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{na_n-2n+1}{n+1} 이 수렴하므로 lim⁡n→∞nan−2n+1n+1=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\dfrac{na_n-2n+1}{n+1}=0 이다. 이는 다음과 같다.

0=lim⁡n→∞nn+1an−lim⁡n→∞2n−1n+1=lim⁡n→∞an−2  ⟺  lim⁡n→∞an=2\begin{aligned} 0=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{n+1}a_n -\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{2n-1}{n+1} =\lim_{n\rightarrow\infty}a_n -2 \iff \lim_{n\rightarrow\infty}a_n = 2 \end{aligned}

구하려는 급수는 −log⁡a1+∑n=1∞[log⁡(an)−log⁡(an+1)]-\log a_1 + \sum\limits_{n=1}^\infty \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] 로 쓸 수 있으며, 이는 망원급수처럼 보인다. 따라서 부분합

SN=−log⁡a1+∑n=1N[log⁡(an)−log⁡(an+1)]=−log⁡a1+[log⁡(a1)−log⁡(a2)]+[log⁡(a2)−log⁡(a3)]+⋯+[log⁡(aN)−log⁡(aN+1)]=−log⁡(aN+1)\begin{aligned} S_N&=-\log a_1 + \sum_{n=1}^N \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] \\ &=-\log a_1 + \big[\log(a_1)-\log(a_2)\big] + \big[\log(a_2)-\log(a_3)\big] + \cdots + \big[\log(a_N)-\log(a_{N+1})\big]\\ &=-\log(a_{N+1}) \end{aligned}

을 구한 뒤 N→∞N\rightarrow\infty 일 때의 극한을 취하면

−log⁡a1+∑n=1∞[log⁡(an)−log⁡(an+1)]=lim⁡N→∞SN=−lim⁡N→∞log⁡(aN+1)=−log⁡2=log⁡12\begin{aligned} -\log a_1 + \sum_{n=1}^\infty \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] =\lim_{N\rightarrow\infty} S_N =- \lim_{N\rightarrow\infty} \log(a_{N+1}) =-\log 2 =\log\frac{1}{2} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence test, the fact that ∑n=1∞nan−2n+1n+1\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{na_n-2n+1}{n+1} converges guarantees that lim⁡n→∞nan−2n+1n+1=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\dfrac{na_n-2n+1}{n+1}=0, or equivalently, that

0=lim⁡n→∞nn+1an−lim⁡n→∞2n−1n+1=lim⁡n→∞an−2  ⟺  lim⁡n→∞an=2\begin{aligned} 0=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{n+1}a_n -\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{2n-1}{n+1} =\lim_{n\rightarrow\infty}a_n -2 \iff \lim_{n\rightarrow\infty}a_n = 2 \end{aligned}

The series of interest can be written −log⁡a1+∑n=1∞[log⁡(an)−log⁡(an+1)]-\log a_1 + \sum\limits_{n=1}^\infty \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] which looks like a telescoping series. So we'll compute the partial sum

SN=−log⁡a1+∑n=1N[log⁡(an)−log⁡(an+1)]=−log⁡a1+[log⁡(a1)−log⁡(a2)]+[log⁡(a2)−log⁡(a3)]+⋯+[log⁡(aN)−log⁡(aN+1)]=−log⁡(aN+1)\begin{aligned} S_N&=-\log a_1 + \sum_{n=1}^N \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] \\ &=-\log a_1 + \big[\log(a_1)-\log(a_2)\big] + \big[\log(a_2)-\log(a_3)\big] + \cdots + \big[\log(a_N)-\log(a_{N+1})\big]\\ &=-\log(a_{N+1}) \end{aligned}

and then take the limit N→∞N\rightarrow\infty

−log⁡a1+∑n=1∞[log⁡(an)−log⁡(an+1)]=lim⁡N→∞SN=−lim⁡N→∞log⁡(aN+1)=−log⁡2=log⁡12\begin{aligned} -\log a_1 + \sum_{n=1}^\infty \big[\log(a_n)-\log(a_{n+1})\big] =\lim_{N\rightarrow\infty} S_N =- \lim_{N\rightarrow\infty} \log(a_{N+1}) =-\log 2 =\log\frac{1}{2} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 51번
# 비교 판정법증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.CLP-2 · 3.3절 · 51번대학 수준우리말 번역

모든 nn 에 대해 an≥0a_n\ge 0 이고 급수 ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n 이 수렴하면, 급수 ∑n=1∞an2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a^2_n 도 수렴함을 증명하세요.

영어 원문 보기

Prove that if an≥0a_n\ge 0 for all nn and if the series ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n converges, then the series ∑n=1∞an2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a^2_n also converges.

정답·풀이 보기

∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n 이 수렴한다고 하였다. 따라서 lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}a_n=0 이어야 한다. 특히 n≥Nn\ge N 인 모든 nn 에 대해 0≤an≤10\le a_n\le 1 을 만족하는 번호 NN 이 존재한다. 그러면 다음이 성립한다.

0≤an2≤ann>N 일 때비교판정법에 의해∑n=N+1∞an2은 수렴한다.급수의 수렴은 유한한 N 개의 처음 항들에 의존하지 않으므로,∑n=1∞an2도 수렴한다.\begin{aligned} 0\leq a_n^2 & \leq a_n\qquad\text{$n>N$ 일 때} \\ \text{비교판정법에 의해} \\ \sum_{n=N+1}^\infty a_n^2& \qquad\text{은 수렴한다.} \\ \text{급수의 수렴은 유한한 $N$ 개의 처음 항들에 의존하지 않으므로,} \\ \sum_{n=1}^\infty a_n^2& \qquad\text{도 수렴한다.} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We are told that ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n converges. Thus we must have that lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n\rightarrow\infty}a_n=0. In particular, there is an index NN such that 0≤an≤10\le a_n\le 1 for all n≥Nn\ge N. Then:

0≤an2≤anfor n>NBy the direct comparison test,∑n=N+1∞an2converges.Since convergence doesn’t depend on the first N terms of a series for any finite N,∑n=1∞an2converges as well.\begin{aligned} 0\leq a_n^2 & \leq a_n\qquad\text{for $n>N$} \\ \text{By the direct comparison test,} \\ \sum_{n=N+1}^\infty a_n^2& \qquad\text{converges.} \\ \text{Since convergence doesn't depend on the first $N$ terms of a series for any finite $N$,} \\ \sum_{n=1}^\infty a_n^2& \qquad\text{converges as well.} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 12번
# 비교 판정법증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)