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

13문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.4절 · 38번대학 수준우리말 번역

an≥0{a}_{n}\ge 0 이고 bn≥0{b}_{n}\ge 0 이며 ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} 과 ∑n=1∞b2n\sum_{n=1}^{\infty }{b}^{2}{}_{n} 이 수렴한다고 하자. ∑n=1∞anbn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{b}_{n} 이 수렴하고 ∑n=1∞an bn≤12(∑n=1∞an2+∑n=1∞bn2)\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}\,{b}_{n}\le \frac{1}{2}\left(\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}^{2}+\sum_{n=1}^{\infty }{b}_{n}^{2}\right) 임을 증명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that an≥0{a}_{n}\ge 0 and bn≥0{b}_{n}\ge 0 and that ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} and ∑n=1∞b2n\sum_{n=1}^{\infty }{b}^{2}{}_{n} converge. Prove that ∑n=1∞anbn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{b}_{n} converges and ∑n=1∞an bn≤12(∑n=1∞an2+∑n=1∞bn2).\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}\,{b}_{n}\le \frac{1}{2}\left(\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}^{2}+\sum_{n=1}^{\infty }{b}_{n}^{2}\right).

정답·풀이 보기

(a−b)2=a2−2ab+b2{(a-b)}^{2}={a}^{2}-2ab+{b}^{2} 또는 a2+b2≥2ab{a}^{2}+{b}^{2}\ge 2ab 이므로, 수렴은 2anbn2{a}_{n}{b}_{n} 과 a2n+b2n{a}^{2}{}_{n}+{b}^{2}{}_{n} 의 비교에서 얻어진다. 좌변의 부분합이 우변의 부분합으로 유계이므로 무한급수에 대해서도 부등식이 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a−b)2=a2−2ab+b2{(a-b)}^{2}={a}^{2}-2ab+{b}^{2} or a2+b2≥2ab,{a}^{2}+{b}^{2}\ge 2ab, so convergence follows from comparison of 2anbn2{a}_{n}{b}_{n} with a2n+b2n.{a}^{2}{}_{n}+{b}^{2}{}_{n}. Since the partial sums on the left are bounded by those on the right, the inequality holds for the infinite series.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 40번
# 비교 판정법증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 2권 · 5.4절 · 42번대학 수준우리말 번역

an≥0{a}_{n}\ge 0 이고 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} 이 수렴하면 ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} 도 수렴함을 보이세요. ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} 이 수렴하면 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} 도 반드시 수렴합니까?

영어 원문 보기

Show that if an≥0{a}_{n}\ge 0 and ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} converges, then ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} converges. If ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} converges, does ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} necessarily converge?

정답·풀이 보기

an→0{a}_{n}\to 0 이므로 충분히 큰 nn 에 대해 a2n≤∣an∣{a}^{2}{}_{n}\le |{a}_{n}| 이다. 수렴은 극한비교판정법에 의해 따른다. ∑1/n2\sum 1/{n}^{2} 은 수렴하지만 ∑1/n\sum 1/n 은 수렴하지 않으므로, ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} 이 수렴한다는 사실이 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} 이 수렴함을 뜻하지는 않는다.

원본 교재 풀이(영어)

an→0,{a}_{n}\to 0, so a2n≤∣an∣{a}^{2}{}_{n}\le |{a}_{n}| for large n.n. Convergence follows from limit comparison. ∑1/n2\sum 1/{n}^{2} converges, but ∑1/n\sum 1/n does not, so the fact that ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} converges does not imply that ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n} converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 34번
# 비교 판정법증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 2권 · 5.4절 · 46번대학 수준우리말 번역

극한비교판정법을 이용하여 다음 각 급수가 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

an≥0{a}_{n}\ge 0 이고 ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} 이 수렴하면 ∑n=1∞sin⁡2(an)\sum_{n=1}^{\infty }{\sin }^{2}({a}_{n}) 도 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

Use the limit comparison test to determine whether each of the following series converges or diverges.

Show that if an≥0{a}_{n}\ge 0 and ∑n=1∞a2n\sum_{n=1}^{\infty }{a}^{2}{}_{n} converges, then ∑n=1∞sin⁡2(an)\sum_{n=1}^{\infty }{\sin }^{2}({a}_{n}) converges.

정답·풀이 보기

∣sin⁡t∣≤∣t∣|\sin t|\le |t| 이므로 비교판정법에 의해 결론이 성립한다.

원본 교재 풀이(영어)

∣sin⁡t∣≤∣t∣,|\sin t|\le |t|, so the result follows from the comparison test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 30번
# 비교 판정법증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.OpenStax 2권 · 5.4절 · 47번대학 수준우리말 번역

비교판정법에서 an≥0{a}_{n}\ge 0, bn≥0{b}_{n}\ge 0 이고 an/bn→0{a}_{n}/{b}_{n}\to 0 이라 하자. ∑bn\sum {b}_{n} 이 수렴하면 ∑an\sum {a}_{n} 도 수렴함을 증명하세요.

영어 원문 보기

Suppose that an/bn→0{a}_{n}/{b}_{n}\to 0 in the comparison test, where an≥0{a}_{n}\ge 0 and bn≥0.{b}_{n}\ge 0. Prove that if ∑bn\sum {b}_{n} converges, then ∑an\sum {a}_{n} converges.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5장 복습 · 25번
# 비교 판정법증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
5.OpenStax 2권 · 5.4절 · 54번대학 수준우리말 번역

앞의 연습문제를 보면, 항 다섯 개 중 약 하나꼴로 항을 지운 조화급수의 부분급수가 수렴할 수도 있다는 것이 놀라울 수 있다. 솎아 낸 조화급수란 ∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n} 에서, nn 의 십진 전개에 주어진 숫자, 예를 들어 99 가 나타나면 항 1/n1/n 을 제거하여 얻은 급수이다. 다음 물음에 답하여 이 솎아 낸 조화급수가 수렴함을 논증하세요.

a. dd 자리인 0 이상의 정수 nn 은 모두 몇 개입니까? b. dd 자리인 0 이상의 정수 중 어느 자리에도 99 가 들어 있지 않은 것의 개수 h(d)h(d) 는 얼마입니까? c. dd 자리 수 중 가장 작은 수 m(d)m(d) 는 얼마입니까? d. 솎아 낸 조화급수가 ∑d=1∞h(d)m(d)\sum_{d=1}^{\infty }\frac{h(d)}{m(d)} 로 유계인 이유를 설명하세요. e. ∑d=1∞h(d)m(d)\sum_{d=1}^{\infty }\frac{h(d)}{m(d)} 이 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

In view of the previous exercise, it may be surprising that a subseries of the harmonic series in which about one in every five terms is deleted might converge. A depleted harmonic series is a series obtained from ∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{1}{n} by removing any term 1/n1/n if a given digit, say 9,9, appears in the decimal expansion of n.n. Argue that this depleted harmonic series converges by answering the following questions.

a. How many whole numbers nn have dd digits? b. How many d-digitd\text{-digit} whole numbers h(d).h(d). do not contain 99 as one or more of their digits? c. What is the smallest d-digitd\text{-digit} number m(d)?m(d)? d. Explain why the deleted harmonic series is bounded by ∑d=1∞h(d)m(d).\sum_{d=1}^{\infty }\frac{h(d)}{m(d)}. e. Show that ∑d=1∞h(d)m(d)\sum_{d=1}^{\infty }\frac{h(d)}{m(d)} converges.

정답·풀이 보기

a. 10d−10d−1<10d{10}^{d}-{10}^{d-1}<{10}^{d} b. h(d)<9dh(d)<{9}^{d} c. m(d)=10d−1+1m(d)={10}^{d-1}+1 d. 솎아 낸 조화급수의 항들을 자릿수별로 묶는다. h(d)h(d) 는 항의 개수의 상한이고, 각 항은 1/m(d)1/m(d) 이하이다. ∑d=1∞h(d)/m(d)≤∑d=1∞9d/(10)d−1≤90\sum_{d=1}^{\infty }h(d)/m(d)\le \sum_{d=1}^{\infty }{9}^{d}/{(10)}^{d-1}\le 90. 비교를 이용하면 이 값을 8080 보다 작게 어림할 수도 있다. 실제 값은 2323 보다 작다.

원본 교재 풀이(영어)

a. 10d−10d−1<10d{10}^{d}-{10}^{d-1}<{10}^{d} b. h(d)<9dh(d)<{9}^{d} c. m(d)=10d−1+1m(d)={10}^{d-1}+1 d. Group the terms in the deleted harmonic series together by number of digits. h(d)h(d) bounds the number of terms, and each term is at most 1/m(d).1/m(d). ∑d=1∞h(d)/m(d)≤∑d=1∞9d/(10)d−1≤90.\sum_{d=1}^{\infty }h(d)/m(d)\le \sum_{d=1}^{\infty }{9}^{d}/{(10)}^{d-1}\le 90. One can actually use comparison to estimate the value to smaller than 80.80. The actual value is smaller than 23.23.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.4절 · 8번
# 비교 판정법증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
6.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
# 비교 판정법증명·논술보통자동 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 · 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
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 · 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)
9.CLP-2 · 3.3절 · 37번대학 수준우리말 번역

다음 급수의 값을 구하거나, 발산함을 보이세요: ∑n=5∞1en\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}.

영어 원문 보기

Evaluate the following series, or show that it diverges: ∑n=5∞1en\displaystyle\sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

∑n=5∞1en=∑n=5∞(1e)n=∑n=0∞(1e)n−∑n=04(1e)n=11−1e−1−(1e)51−1e=(1e)51−1e=1e5(1−1e)=1e5−e4\begin{aligned} \sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}&=\sum_{n=5}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n-\sum_{n=0}^4 \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\dfrac{1}{1-\frac{1}{e}}-\dfrac{1-\left(\frac{1}{e}\right)^{5}}{1-\frac{1}{e}}\\ &=\dfrac{\left(\frac{1}{e}\right)^5}{1-\frac{1}{e}} =\dfrac{1}{e^5\left(1-\frac{1}{e}\right)}\\ &=\dfrac{1}{e^5-e^4} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

∑n=5∞1en=∑n=5∞(1e)n=∑n=0∞(1e)n−∑n=04(1e)n=11−1e−1−(1e)51−1e=(1e)51−1e=1e5(1−1e)=1e5−e4\begin{aligned} \sum_{n=5}^\infty \frac{1}{e^n}&=\sum_{n=5}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\sum_{n=0}^\infty \left(\frac{1}{e}\right)^n-\sum_{n=0}^4 \left(\frac{1}{e}\right)^n\\ &=\dfrac{1}{1-\frac{1}{e}}-\dfrac{1-\left(\frac{1}{e}\right)^{5}}{1-\frac{1}{e}}\\ &=\dfrac{\left(\frac{1}{e}\right)^5}{1-\frac{1}{e}} =\dfrac{1}{e^5\left(1-\frac{1}{e}\right)}\\ &=\dfrac{1}{e^5-e^4} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 34번
# 비교 판정법증명·논술보통자동 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 · 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)
11.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)
12.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)
13.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)