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

114문제 · 5 / 6쪽

81.OpenStax 2권 · 5장 복습 · 25번대학 수준우리말 번역

다음 문제들은 집파리의 단순한 개체 수 모형을 다루는데, 이 모형은 점화식 xn+1=bxn{x}_{n+1}=b{x}_{n} 으로 나타낼 수 있다. 여기서 xn{x}_{n} 은 nn 번째 세대의 집파리 개체 수이고, bb 는 다음 세대까지 살아남는 집파리 한 마리당 평균 새끼 수이다. 처음 개체 수는 x0{x}_{0} 이라고 가정한다.

b=34b=\frac{3}{4} 이고 x0=100{x}_{0}=100 일 때, S10{S}_{10} 과 lim⁡n→∞Sn\lim_{n\to \infty }{S}_{n} 을 구하세요.

영어 원문 보기

The following problems consider a simple population model of the housefly, which can be exhibited by the recursive formula xn+1=bxn,{x}_{n+1}=b{x}_{n}, where xn{x}_{n} is the population of houseflies at generation n,n, and bb is the average number of offspring per housefly who survive to the next generation. Assume a starting population x0.{x}_{0}.

If b=34b=\frac{3}{4} and x0=100,{x}_{0}=100, find S10{S}_{10} and lim⁡n→∞Sn\lim_{n\to \infty }{S}_{n}

정답·풀이 보기

S10≈383,{S}_{10}\approx 383, lim⁡n→∞Sn=400\lim_{n\to \infty }{S}_{n}=400

원본 교재 풀이(영어)

S10≈383,{S}_{10}\approx 383, lim⁡n→∞Sn=400\lim_{n\to \infty }{S}_{n}=400

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 6번
# 비교 판정법활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.OpenStax 2권 · 5장 복습 · 26번대학 수준우리말 번역

bb 의 값이 어떠할 때 급수가 수렴하고 발산하는지 구하세요. 급수는 어떤 값으로 수렴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

For what values of bb will the series converge and diverge? What does the series converge to?

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 52번
# 비교 판정법계산자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.CLP-2 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 기준이 있어서, 그 기준을 넘으면 나이가 많다고 하고, 그 기준에 못 미치면 젊다고 한다고 가정하세요.

올라프는 나이가 많은 사람이고, 위안은 젊은 사람이라고 하세요.

(a) 내가 올라프보다 나이가 많다고 가정하세요. 나는 나이가 많은가요? (b) 내가 올라프보다 나이가 적다고 가정하세요. 나는 나이가 많은가요? (c) 내가 위안보다 나이가 많다고 가정하세요. 나는 젊은가요? (d) 내가 위안보다 나이가 적다고 가정하세요. 나는 젊은가요?

영어 원문 보기

Suppose there is some threshold after which a person is considered old, and before which they are young.

Let Olaf be an old person, and let Yuan be a young person.

(a) Suppose I am older than Olaf. Am I old? (b) Suppose I am younger than Olaf. Am I old? (c) Suppose I am older than Yuan. Am I young? (d) Suppose I am younger than Yuan. Am I young?

정답·풀이 보기

(a) 올라프가 나이가 많고 내가 그보다 더 나이가 많다면, 나도 나이가 많다.

(b) 올라프가 나이가 많고 내가 그보다 나이가 적다면, 나도 나이가 많을 수도 있고(조금 덜할 뿐이다), 젊을 수도 있다. 판단하기에 정보가 충분하지 않다.

(c) 위안이 젊고 내가 그보다 나이가 많다면, 내가 훨씬 나이가 많아서 나이가 많은 사람일 수도 있고, 조금만 나이가 많아서 젊은 사람일 수도 있다. 판단하기에 정보가 충분하지 않다.

(d) 위안이 젊고 내가 그보다 더 젊다면, 나도 반드시 젊다.

이를 생각하는 또 다른 방법은 생년월일을 나타낸 시간선을 이용하는 것이다. 기준 시점보다 먼저 태어난 사람은 나이가 많고, 그 이후에 태어난 사람은 젊다.

그림

내가 올라프보다 먼저(더 나이가 많게) 태어났다면 기준 시점보다 먼저 태어난 것이므로 나이가 많다.

내가 위안보다 나중에(더 젊게) 태어났다면 기준 시점 이후에 태어난 것이므로 젊다.

그림

내가 올라프보다 나중에 태어났거나 위안보다 먼저 태어났다면, 내가 기준 시점의 어느 쪽에 있는지 알 수 없다. 나이가 많을 수도 있고 젊을 수도 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) If Olaf is old, and I am even older, then I am old as well.

(b) If Olaf is old, and I am not as old, then perhaps I am old as well (just slightly less so), or perhaps I am young. There is not enough information to tell.

(c) If Yuan is young, and I am older, then perhaps I am much older and I am old, or perhaps I am only a little older, and I am young. There is not enough information to tell.

(d) If Yuan is young, and I am even younger, then I must also be young.

Another way to think about this is with a timeline of birthdates. People born before the threshold are old, and people born after it are young.

figure

If I'm born before (older than) Olaf, I'm born before the threshold, so I'm old.

If I'm born after (younger than) Yuan I'm born after the threshold, so I'm young.

figure

If I'm born after Olaf or before Yuan, I don't know which side of the threshold I'm on. I could be old or I could be young.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 15번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.CLP-2 · 3.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음 추론을 타당하지 않게 만드는 결함은 무엇인가요?

문제: ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(\sin(\pi n)+2\right) 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

답: 적분 판정법을 사용한다. f(x)=sin⁡(πx)+2f(x)=\sin(\pi x)+2 라 하자. sin⁡(x)+2≥−1+2=1\sin(x)+2 \geq -1+2 =1 이므로 f(x)f(x) 는 항상 양수임에 유의한다. 또한 f(x)f(x) 는 연속이다.

∫1∞[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞∫1b[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πx)+2x∣1b]=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πb)+2b+1π(−1)−2]=∞\begin{aligned} \int_1^\infty [\sin(\pi x)+2] dx &= \lim_{b \to \infty}\int_1^b [\sin(\pi x)+2 ]dx\\ &=\lim_{b \to \infty} \left[\left.-\frac{1}{\pi}\cos(\pi x)+2x \right|_1^b\right]\\ &=\lim_{b \to \infty}\left[ -\frac{1}{\pi}\cos(\pi b)+2b +\frac{1}{\pi}(-1)-2\right]\\ &=\infty \end{aligned}

적분 판정법에 의해 적분이 발산하므로 ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left( \sin(\pi n)+2\right) 도 발산한다.

영어 원문 보기

What flaw renders the following reasoning invalid?

Q: Determine whether ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(\sin(\pi n)+2\right) converges or diverges.

A: We use the integral test. Let f(x)=sin⁡(πx)+2f(x)=\sin(\pi x)+2. Note f(x)f(x) is always positive, since sin⁡(x)+2≥−1+2=1\sin(x)+2 \geq -1+2 =1. Also, f(x)f(x) is continuous.

∫1∞[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞∫1b[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πx)+2x∣1b]=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πb)+2b+1π(−1)−2]=∞\begin{aligned} \int_1^\infty [\sin(\pi x)+2] dx &= \lim_{b \to \infty}\int_1^b [\sin(\pi x)+2 ]dx\\ &=\lim_{b \to \infty} \left[\left.-\frac{1}{\pi}\cos(\pi x)+2x \right|_1^b\right]\\ &=\lim_{b \to \infty}\left[ -\frac{1}{\pi}\cos(\pi b)+2b +\frac{1}{\pi}(-1)-2\right]\\ &=\infty \end{aligned}

By the integral test, since the integral diverges, also ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left( \sin(\pi n)+2\right) diverges.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 감소하지 않으므로 적분 판정법을 적용할 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

The integral test does not apply because f(x)f(x) is not decreasing.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 21번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
85.CLP-2 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

비판정법으로 판정할 수 없는, 수렴하는 급수의 예를 하나 드세요.

영어 원문 보기

Give an example of a convergent series for which the ratio test is inconclusive.

정답·풀이 보기

가능한 답 중 하나: ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2}. 이 급수는 수렴한다(p=2>1p=2>1 인 pp–급수이다). 그러나 이웃하는 항의 비를 구하면 다음과 같다. lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞n2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty}\frac{n^2}{(n+1)^2}=1 비의 극한이 1이므로 비판정법으로는 판정할 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

One possible answer: ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2}. This series converges (it's a pp–series with p=2>1p=2>1), but if we take the ratio of consecutive terms: lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞n2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty}\frac{n^2}{(n+1)^2}=1 The limit of the ratio is 1, so the ratio test is inconclusive.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 12번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
86.CLP-2 · 3.3절 · 12번대학 수준우리말 번역

시험을 보고 있는데 비판정법에서 부등식이 정확히 어떻게 되는지 순간적으로 잊어버렸다고 상상해 보세요. 비가 있다는 것은 기억하지만 어느 항이 분자에 오는지는 기억나지 않습니다. 극한이 1보다 크거나 작다는 내용이 있었다는 것은 기억하지만 어느 쪽이 수렴을 뜻하는지는 기억나지 않습니다.

lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 또는 이와 동치인 lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 이 합 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 (수렴하는 것이 아니라) 발산함을 뜻해야 하는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Imagine you're taking an exam, and you momentarily forget exactly how the inequality in the ratio test works. You remember there's a ratio, but you don't remember which term goes on top; you remember there's something about the limit being greater than or less than one, but you don't remember which way implies convergence.

Explain why lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 or, equivalently, lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 should mean that the sum ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n diverges (rather than converging).

정답·풀이 보기

발산판정법에 의해 급수 ∑an\sum a_n 이 수렴하려면 lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n \to \infty} a_n=0 이어야 한다. 즉, 항의 크기(절댓값)가 점점 작아져야 한다. lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 또는 (이와 동치로) lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\displaystyle \lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 이면, 충분히 큰 nn 에 대해 ∣an+1∣>∣an∣|a_{n+1}|>|a_n| 이므로 항의 크기가 실제로는 커지고 있다. 따라서 발산판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence test, for a series ∑an\sum a_n to converge, we need lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n \to \infty} a_n=0. That is, the magnitude (absolute value) of the terms needs to be getting smaller. If lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 or (equivalently) lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\displaystyle \lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1, then ∣an+1∣>∣an∣|a_{n+1}|>|a_n| for sufficiently large nn, so the terms are actually growing in magnitude. That means the series diverges, by the divergence test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 13번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
87.CLP-2 · 3.3절 · 13번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n 과, 0 이상의 모든 정수 nn 에 대해 f(n)=anf(n)=a_n 인 함수 f(x)f(x) 가 있어서 다음을 만족시키는 예를 하나 드세요.

  • ∫a∞f(x) dx\displaystyle\int_a^\infty f(x)\,\mathrm{d}x 는 발산하고,
  • ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n 은 수렴한다.
영어 원문 보기

Give an example of a series ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n, with a function f(x)f(x) such that f(n)=anf(n)=a_n for all whole numbers nn, such that:

  • ∫a∞f(x) dx\displaystyle\int_a^\infty f(x)\,\mathrm{d}x diverges, while
  • ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n converges.
정답·풀이 보기

급수의 항은 적분의 정의역 중 작은 일부분만 반영한다. xx 가 0 이상의 정수일 때는 “좋게” 행동하지만(즉, 합이 수렴하는 수열을 만들지만), xx 가 0 이상의 정수가 아닐 때는 더 제멋대로인 함수 f(x)f(x) 를 생각해 볼 수 있다.

예를 들어 f(x)=sin⁡(πx)f(x)=\sin(\pi x) 라 하자. 그러면 모든 정수 xx 에 대해 f(x)=0f(x)=0 이지만, 이것이 함수 전체를 대표하지는 않는다. 실제로 이에 대응하는 급수의 항은 {an}={0,0,0,…}\{a_n\}=\{0,0,0,\ldots\} 이다.

  • ∫1∞sin⁡(πx) dx=lim⁡R→∞[−1πcos⁡(πx)]1R=lim⁡R→∞[−cos⁡(πR)]−1π\displaystyle\int_{1}^\infty \sin(\pi x)\,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \left[-\frac{1}{\pi}\cos (\pi x)\right]_1^R = \lim_{R \to \infty}\Big[-\cos (\pi R)\Big]-\frac{1}{\pi}

극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다.

  • ∑n=1∞sin⁡(πn)=∑n=1∞0=0\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\sin(\pi n) = \sum_{n=1}^\infty 0 = 0 이다. 이 급수는 수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)

The terms of the series only see a small portion of the domain of the integral. We can try to think of a function f(x)f(x) that behaves “nicely" when xx is a whole number (that is, it produces a sequence whose sum converges), but is more unruly when xx is not a whole number.

For example, suppose f(x)=sin⁡(πx)f(x)=\sin(\pi x). Then f(x)=0f(x)=0 for every integer xx, but this is not representative of the function as a whole. Indeed, our corresponding series has terms {an}={0,0,0,…}\{a_n\}=\{0,0,0,\ldots\}.

  • ∫1∞sin⁡(πx) dx=lim⁡R→∞[−1πcos⁡(πx)]1R=lim⁡R→∞[−cos⁡(πR)]−1π\displaystyle\int_{1}^\infty \sin(\pi x)\,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \left[-\frac{1}{\pi}\cos (\pi x)\right]_1^R = \lim_{R \to \infty}\Big[-\cos (\pi R)\Big]-\frac{1}{\pi}

Since the limit does not exist, the integral diverges.

  • ∑n=1∞sin⁡(πn)=∑n=1∞0=0\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\sin(\pi n) = \sum_{n=1}^\infty 0 = 0. The series converges.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 3번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
88.CLP-2 · 3.3절 · 15번대학 수준우리말 번역

다음 각 명제가 참인지 거짓인지 판단하세요. 거짓이면 반례를 제시하고, 참이면 간단히 이유를 설명하세요.

(a) lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=0 이면 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n 은 수렴한다. (b) lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=0 이면 ∑n=1∞(−1)n(an\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n\mathstrut} a_n 은 수렴한다. (c) 0≤an≤bn0\le a_n \le b_n 이고 ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n 이 발산하면 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n 도 발산한다.

영어 원문 보기

Decide whether each of the following statements is true or false. If false, provide a counterexample. If true provide a brief justification.

(a) If lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=0, then ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n converges. (b) If lim⁡n→∞an=0\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}a_n=0, then ∑n=1∞(−1)n(an\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n\mathstrut} a_n converges. (c) If 0≤an≤bn0\le a_n \le b_n and ∑n=1∞bn\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n diverges, then ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n diverges.

정답·풀이 보기

(a) 일반적으로 거짓이다. 조화급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 은 p=1p=1 인 pp-급수 판정법에 의해 발산한다.

(b) 주의해야 한다. ana_n 이 양수라는 조건은 주어지지 않았다. 따라서 이 명제는 일반적으로 거짓이다. an=(−1)n1na_n =(-1)^n\frac{1}{n} 이면 ∑n=1∞(−1)n(an\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n\mathstrut} a_n 은 다시 조화급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 이 되고, 이 급수는 발산한다.

(c) 일반적으로 거짓이다. 예를 들어 an=0a_n=0, bn=1b_n=1 로 놓으면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In general false. The harmonic series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} diverges by the pp–test with p=1p=1.

(b) Be careful. You were not told that the ana_n's are positive. So this is false in general. If an=(−1)n1na_n =(-1)^n\frac{1}{n}, then ∑n=1∞(−1)n(an\sum\limits_{n=1}^{\infty} (-1)^{n\mathstrut} a_n is again the harmonic series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n}, which diverges.

(c) In general false. Take, for example, an=0a_n=0 and bn=1b_n=1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 16번
# 비교 판정법개념 확인기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
89.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)
90.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)
91.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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92.CLP-2 · 3.3절 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요. ∑k=30∞3(1.001)k\displaystyle\sum_{k=30}^\infty 3(1.001)^k.

영어 원문 보기

Evaluate the following series, or show that it diverges: ∑k=30∞3(1.001)k\displaystyle\sum_{k=30}^\infty 3(1.001)^k.

정답·풀이 보기

이 급수는 r=1.001r=1.001 인 등비급수이다. ∣r∣>1|r|>1 이므로 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

This is a geometric series with r=1.001r=1.001. Since ∣r∣>1|r|>1, it is divergent.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 23번
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93.CLP-2 · 3.3절 · 21번대학 수준우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요: ∑n=3∞(−15)n\displaystyle\sum_{n=3}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n.

영어 원문 보기

Evaluate the following series, or show that it diverges: ∑n=3∞(−15)n\displaystyle\sum_{n=3}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n.

정답·풀이 보기

이 급수는 r=−15r=\frac{-1}{5} 인 등비급수이다. ∣r∣<1|r|<1 이므로 수렴한다.

공식 ∑n=0∞rn=11−r\sum_{n=0}^\infty r^n=\frac{1}{1-r} 을 사용하고 싶지만, 이 급수는 0에서 시작하지 않으므로 다음과 같이 다시 쓴다:

∑n=3∞(−15)n=∑n=0∞(−15)n−∑n=02(−15)n=11−(−1/5)−(1−15+125)=16/5−1+15−125=56+−25+5−125=−1150\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n&= \sum_{n=0}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n- \sum_{n=0}^2 \left(\frac{-1}{5}\right)^n =\frac{1}{1-(-1/5)} - \left(1-\frac{1}{5}+\frac{1}{25} \right)\\ &=\frac{1}{6/5}-1+\frac{1}{5}-\frac{1}{25} = \frac{5}{6}+\frac{-25+5-1}{25}=-\frac{1}{150} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

This is a geometric series with r=−15r=\frac{-1}{5}. Since ∣r∣<1|r|<1, it is convergent.

We want to use the formula ∑n=0∞rn=11−r\sum_{n=0}^\infty r^n=\frac{1}{1-r}, but our series does not start at 0, so we re-write it:

∑n=3∞(−15)n=∑n=0∞(−15)n−∑n=02(−15)n=11−(−1/5)−(1−15+125)=16/5−1+15−125=56+−25+5−125=−1150\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n&= \sum_{n=0}^\infty \left(\frac{-1}{5}\right)^n- \sum_{n=0}^2 \left(\frac{-1}{5}\right)^n =\frac{1}{1-(-1/5)} - \left(1-\frac{1}{5}+\frac{1}{25} \right)\\ &=\frac{1}{6/5}-1+\frac{1}{5}-\frac{1}{25} = \frac{5}{6}+\frac{-25+5-1}{25}=-\frac{1}{150} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 20번
# 비교 판정법증명·논술보통자동 분류
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94.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
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95.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
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96.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
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97.CLP-2 · 3.3절 · 25번대학 수준우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요: ∑k=0∞2k3k+2\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}.

영어 원문 보기

Evaluate the following series, or show that it diverges: ∑k=0∞2k3k+2\displaystyle\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}.

정답·풀이 보기

이 급수는 거의 등비급수의 꼴이다. 먼저 거듭제곱이 k+2k+2 가 아니라 kk 가 되어야 하는데, 3k+2=3k32=9⋅323^{k+2}=3^k3^2=9\cdot3^2 임에 주목하면 다음과 같다.

∑k=0∞2k3k+2=∑k=0∞2k9⋅3k=19∑k=0∞2k3k=19∑k=0∞(23)k이제 r=23 인 등비급수처럼 보인다=19(11−(2/3))=13\begin{aligned} \sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}&=\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{9\cdot3^k} =\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^k}=\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\left(\frac{2}{3}\right)^k \\ \text{이제 $r=\frac{2}{3}$ 인 등비급수처럼 보인다} \\ &=\frac{1}{9}\left(\frac{1}{1-(2/3)}\right)=\frac{1}{3} \end{aligned}

결론: 이 (등비)급수는 수렴하고, 그 합은 13\dfrac{1}{3} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

This is close to being in the form of a geometric series. First, we should have our powers be kk, not k+2k+2, but we notice 3k+2=3k32=9⋅323^{k+2}=3^k3^2=9\cdot3^2, so:

∑k=0∞2k3k+2=∑k=0∞2k9⋅3k=19∑k=0∞2k3k=19∑k=0∞(23)kNow it looks like a geometric series with r=23=19(11−(2/3))=13\begin{aligned} \sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^{k+2}}&=\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{9\cdot3^k} =\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\frac{2^k}{3^k}=\frac{1}{9}\sum_{k=0}^\infty\left(\frac{2}{3}\right)^k \\ \text{Now it looks like a geometric series with $r=\frac{2}{3}$} \\ &=\frac{1}{9}\left(\frac{1}{1-(2/3)}\right)=\frac{1}{3} \end{aligned}

In conclusion: this (geometric) series is convergent, and its sum is 13\dfrac{1}{3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 24번
# 비교 판정법증명·논술보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
98.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)
99.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.

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∑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.

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