예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 정의로 수열 극한 증명
한국어

극한의 엄밀한 정의를 이용해 다음을 증명하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} k = k$ (단, $k$는 상수)

증명.

(1) 임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하자. 아르키메데스 성질에 의해 $N \gt 1/\epsilon$인 자연수 $N$이 존재한다. 이 $N$에 대해 $n \geq N$이면 $$\left|\frac{1}{n} - 0\right| = \frac{1}{n} \leq \frac{1}{N} \lt \epsilon$$ 이 성립한다. 따라서 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0$이다.

(2) 임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하자. $N = 1$로 잡으면 ($k$가 상수이므로 $N$은 어떻게 잡아도 무방하다), $n \geq N$이면 $|k - k| = 0 \lt \epsilon$이 성립한다. 따라서 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} k = k$이다.

$\square$
English

Using the precise definition of a limit, prove the following.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} k = k$ (where $k$ is a constant)

Proof.

(1) Let $\epsilon \gt 0$ be given. By the Archimedean property, there exists a natural number $N$ with $N \gt 1/\epsilon$. Then for $n \geq N$, $$\left|\frac{1}{n} - 0\right| = \frac{1}{n} \leq \frac{1}{N} \lt \epsilon,$$ so $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0$.

(2) Let $\epsilon \gt 0$ be given. Take $N = 1$ (since $k$ is constant, any $N$ works). Then for $n \geq N$, $|k - k| = 0 \lt \epsilon$, so $\displaystyle\lim_{n \to \infty} k = k$.

$\square$
유제 01-1 교대수열의 발산 증명
한국어

수열 $a_n = (-1)^n$은 발산함을 보이시오.

증명. 수열 $a_n = (-1)^n$이 어떤 실수 $L$로 수렴한다고 가정하자.

$\epsilon = 1$로 잡으면, 수렴의 정의에 의해 자연수 $N$이 존재하여 $n \geq N$이면 $|a_n - L| \lt 1$이 성립한다. 이때 $n = 2N$은 짝수이므로 $a_{2N} = 1$이고, $n = 2N+1$은 홀수이므로 $a_{2N+1} = -1$이다. 두 값 모두 $n \geq N$을 만족하므로 $$|1 - L| \lt 1, \qquad |-1 - L| \lt 1$$ 이 성립해야 한다. 첫 번째 부등식에서 $0 \lt L \lt 2$를 얻고, 두 번째 부등식에서 $-2 \lt L \lt 0$을 얻는다. 그런데 이 두 조건을 동시에 만족하는 $L$은 존재하지 않으므로 모순이다.

따라서 $a_n = (-1)^n$은 수렴하지 않는다, 즉 발산한다.

$\square$
English

Show that the sequence $a_n = (-1)^n$ diverges.

Proof. Suppose the sequence $a_n = (-1)^n$ converges to some real number $L$.

Take $\epsilon = 1$. By the definition of convergence, there exists a natural number $N$ such that $|a_n - L| \lt 1$ for all $n \geq N$. Since $n = 2N$ is even, $a_{2N} = 1$, and since $n = 2N+1$ is odd, $a_{2N+1} = -1$. Both indices satisfy $n \geq N$, so $$|1 - L| \lt 1, \qquad |-1 - L| \lt 1$$ must both hold. The first inequality gives $0 \lt L \lt 2$, and the second gives $-2 \lt L \lt 0$. No $L$ satisfies both conditions at once, a contradiction.

Hence $a_n = (-1)^n$ does not converge, i.e., it diverges.

$\square$
유제 01-2 절댓값 수열의 수렴 동치
한국어

$\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = 0$일 필요충분조건은 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} |a_n| = 0$임을 보이시오.

증명. 임의의 자연수 $n$에 대해 $$\big||a_n| - 0\big| = |a_n| = |a_n - 0|$$ 이 성립한다. 즉 임의의 $\epsilon \gt 0$에 대해 $|a_n - 0| \lt \epsilon$인 것과 $\big||a_n| - 0\big| \lt \epsilon$인 것은 완전히 같은 조건이다.

따라서 임의의 $\epsilon \gt 0$에 대해 자연수 $N$이 존재하여 $n \geq N$일 때 $|a_n - 0| \lt \epsilon$이 성립하는 것($\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = 0$)과, 자연수 $N$이 존재하여 $n \geq N$일 때 $\big||a_n| - 0\big| \lt \epsilon$이 성립하는 것($\displaystyle\lim_{n\to\infty} |a_n| = 0$)은 서로 동치이다.

$\square$
English

Show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = 0$ if and only if $\displaystyle\lim_{n \to \infty} |a_n| = 0$.

Proof. For every natural number $n$, $$\big||a_n| - 0\big| = |a_n| = |a_n - 0|,$$ so for any $\epsilon \gt 0$, the condition $|a_n - 0| \lt \epsilon$ and the condition $\big||a_n| - 0\big| \lt \epsilon$ are exactly the same condition.

Hence the statement "for every $\epsilon \gt 0$ there is a natural number $N$ such that $|a_n - 0| \lt \epsilon$ for $n \geq N$" (i.e., $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = 0$) and the statement "for every $\epsilon \gt 0$ there is a natural number $N$ such that $\big||a_n| - 0\big| \lt \epsilon$ for $n \geq N$" (i.e., $\displaystyle\lim_{n\to\infty} |a_n| = 0$) are equivalent.

$\square$
유제 01-3 교차수열과 부분수열
한국어
  1. 수열 $\{a_n\}$, $\{b_n\}$에 대해 수열 $\{c_n\}$을 $a_1, b_1, a_2, b_2, \cdots, a_n, b_n, \cdots$으로 정의하자. 이때 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} b_n = L$일 필요충분조건은 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} c_n = L$이 성립하는 것임을 보이시오.
  2. 수열 $\{a_n\}$과 증가하는 자연수열 $\{n_k\}$에 대해 $\{a_{n_k}\}$을 $\{a_n\}$의 부분수열(subsequence)이라 한다. 수열 $\{a_n\}$이 수렴하면 그 부분수열 $\{a_{n_k}\}$도 수렴함을 보이시오.

증명.

(1) $c_{2k-1} = a_k$, $c_{2k} = b_k$ ($k = 1, 2, \cdots$)이다.

($\Rightarrow$) $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} b_n = L$이라 하자. 임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하면, $n \geq N_1$이면 $|a_n - L| \lt \epsilon$을 만족하는 $N_1$과, $n \geq N_2$이면 $|b_n - L| \lt \epsilon$을 만족하는 $N_2$가 각각 존재한다. $M = \max\{N_1, N_2\}$라 하고 $N = 2M - 1$로 잡자. $m \geq N$일 때, $m = 2k-1$(홀수)이면 $k \geq M \geq N_1$이므로 $|c_m - L| = |a_k - L| \lt \epsilon$이고, $m = 2k$(짝수)이면 $2k \geq 2M-1$에서 $k \geq M \geq N_2$이므로 $|c_m - L| = |b_k - L| \lt \epsilon$이다. 따라서 $m \geq N$이면 $|c_m - L| \lt \epsilon$이 성립하므로 $\displaystyle\lim_{n\to\infty} c_n = L$이다.

($\Leftarrow$) $\displaystyle\lim_{n\to\infty} c_n = L$이라 하자. 임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하면, $m \geq N$이면 $|c_m - L| \lt \epsilon$을 만족하는 $N$이 존재한다. $N_0 = N$으로 잡으면, $n \geq N_0$일 때 $2n - 1 \geq n \geq N$이고 $2n \geq n \geq N$이므로 $|a_n - L| = |c_{2n-1} - L| \lt \epsilon$이고 $|b_n - L| = |c_{2n} - L| \lt \epsilon$이 성립한다. 따라서 $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} b_n = L$이다.

(2) $\{a_n\}$이 $L$로 수렴한다고 하자. $\{n_k\}$는 증가하는 자연수열이므로 귀납법에 의해 모든 $k$에 대해 $n_k \geq k$이다 (실제로 $n_1 \geq 1$이고, $n_{k+1} \gt n_k \geq k$이므로 $n_{k+1} \geq k+1$).

임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하면, $n \geq N$이면 $|a_n - L| \lt \epsilon$을 만족하는 자연수 $N$이 존재한다. $k \geq N$이면 $n_k \geq k \geq N$이므로 $|a_{n_k} - L| \lt \epsilon$이다. 따라서 $\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_{n_k} = L$, 즉 부분수열 $\{a_{n_k}\}$도 수렴한다.

$\square$
English
  1. For sequences $\{a_n\}$ and $\{b_n\}$, define the sequence $\{c_n\}$ by $a_1, b_1, a_2, b_2, \cdots, a_n, b_n, \cdots$. Show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = \lim_{n \to \infty} b_n = L$ if and only if $\displaystyle\lim_{n \to \infty} c_n = L$.
  2. For a sequence $\{a_n\}$ and an increasing sequence of natural numbers $\{n_k\}$, we call $\{a_{n_k}\}$ a subsequence of $\{a_n\}$. Show that if $\{a_n\}$ converges, then its subsequence $\{a_{n_k}\}$ also converges.

Proof.

(1) Here $c_{2k-1} = a_k$ and $c_{2k} = b_k$ for $k = 1, 2, \cdots$.

($\Rightarrow$) Suppose $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} b_n = L$. Let $\epsilon \gt 0$ be given. There exist $N_1$ such that $n \geq N_1 \Rightarrow |a_n - L| \lt \epsilon$, and $N_2$ such that $n \geq N_2 \Rightarrow |b_n - L| \lt \epsilon$. Let $M = \max\{N_1, N_2\}$ and take $N = 2M - 1$. For $m \geq N$: if $m = 2k-1$ (odd), then $k \geq M \geq N_1$, so $|c_m - L| = |a_k - L| \lt \epsilon$; if $m = 2k$ (even), then $2k \geq 2M - 1$ gives $k \geq M \geq N_2$, so $|c_m - L| = |b_k - L| \lt \epsilon$. Hence $m \geq N \Rightarrow |c_m - L| \lt \epsilon$, so $\displaystyle\lim_{n\to\infty} c_n = L$.

($\Leftarrow$) Suppose $\displaystyle\lim_{n\to\infty} c_n = L$. Let $\epsilon \gt 0$ be given. There exists $N$ such that $m \geq N \Rightarrow |c_m - L| \lt \epsilon$. Take $N_0 = N$. For $n \geq N_0$, we have $2n - 1 \geq n \geq N$ and $2n \geq n \geq N$, so $|a_n - L| = |c_{2n-1} - L| \lt \epsilon$ and $|b_n - L| = |c_{2n} - L| \lt \epsilon$. Hence $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} b_n = L$.

(2) Suppose $\{a_n\}$ converges to $L$. Since $\{n_k\}$ is an increasing sequence of natural numbers, induction gives $n_k \geq k$ for every $k$ (indeed $n_1 \geq 1$, and $n_{k+1} \gt n_k \geq k$ implies $n_{k+1} \geq k+1$).

Let $\epsilon \gt 0$ be given. There exists a natural number $N$ such that $n \geq N \Rightarrow |a_n - L| \lt \epsilon$. If $k \geq N$, then $n_k \geq k \geq N$, so $|a_{n_k} - L| \lt \epsilon$. Hence $\displaystyle\lim_{k\to\infty} a_{n_k} = L$, i.e., the subsequence $\{a_{n_k}\}$ also converges.

$\square$
예제 02 여러 수열의 극한 계산
한국어

다음 극한을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n}$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(\frac{n+1}{n-1}\right)^n$
  3. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n}$
  4. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} x^{1/n}$ (단, $x \gt 0$)
  5. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{x^n}{n!}$ (단, $x$는 실수)
  6. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n$ (단, $x$는 실수)

풀이.

(1) $x \geq 1$에서 $f(x) = \dfrac{\ln x}{x}$는 연속이고 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1} = 0$$ 이므로 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n} = 0$이다.

(2) $m = n - 1$로 치환하면 $$\left(\frac{n+1}{n-1}\right)^n = \left(1 + \frac{2}{n-1}\right)^n = \left(1 + \frac{2}{m}\right)^{m+1} = \left(1 + \frac{2}{m}\right)^m \left(1 + \frac{2}{m}\right)$$ 이고, $m \to \infty$일 때 $\left(1+\frac{2}{m}\right)^m \to e^2$, $\left(1+\frac{2}{m}\right) \to 1$이므로 극한값은 $e^2$이다.

(3) $\sqrt[n]{n} = 1 + b_n$ ($b_n \geq 0$)이라 하면 이항정리에 의해 $n \geq 2$일 때 $$n = (1+b_n)^n \geq \binom{n}{2} b_n^2 = \frac{n(n-1)}{2} b_n^2$$ 이므로 $b_n^2 \leq \dfrac{2}{n-1} \to 0$이다. 따라서 $b_n \to 0$이고 $\sqrt[n]{n} = 1 + b_n \to 1$이다.

(4) $x = 1$이면 자명하다. $x \gt 1$인 경우, $x^{1/n} = 1 + c_n$ ($c_n \gt 0$)이라 하면 베르누이 부등식에 의해 $$x = (1+c_n)^n \geq 1 + nc_n$$ 이므로 $0 \lt c_n \leq \dfrac{x-1}{n} \to 0$, 즉 $x^{1/n} \to 1$이다. $0 \lt x \lt 1$인 경우 $y = 1/x \gt 1$에 대해 $y^{1/n} \to 1$이므로 $x^{1/n} = 1/y^{1/n} \to 1$이다.

(5) $a_n = \dfrac{|x|^n}{n!}$이라 하면 $x = 0$일 때는 자명하고, $x \neq 0$일 때 $$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{|x|}{n+1} \to 0$$ 이므로 어떤 자연수 $N \gt 2|x|$에 대해 $n \geq N$이면 $\dfrac{a_{n+1}}{a_n} \leq \dfrac{1}{2}$이고, 따라서 $0 \leq a_n \leq a_N \left(\dfrac12\right)^{n-N} \to 0$이다. 즉 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{x^n}{n!} = 0$이다.

(6) $x = 0$이면 자명하다. $x \neq 0$인 경우, 충분히 큰 $n$에 대해 $1 + x/n \gt 0$이므로 $$\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = \exp\left(n\ln\left(1+\frac{x}{n}\right)\right) = \exp\left(x \cdot \frac{\ln(1+x/n)}{x/n}\right)$$ 이다. $u = x/n \to 0$이고 $\displaystyle\lim_{u \to 0} \frac{\ln(1+u)}{u} = 1$(로피탈 정리)이므로 지수 부분은 $x \cdot 1 = x$로 수렴하고, $\exp$의 연속성에 의해 $$\lim_{n \to \infty}\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = e^x$$ 이다.

English

Compute the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n}$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(\frac{n+1}{n-1}\right)^n$
  3. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n}$
  4. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} x^{1/n}$ (where $x \gt 0$)
  5. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{x^n}{n!}$ (where $x$ is a real number)
  6. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n$ (where $x$ is a real number)

Solution.

(1) $f(x) = \dfrac{\ln x}{x}$ is continuous for $x \geq 1$, and by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{1} = 0,$$ so $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n} = 0$.

(2) Substituting $m = n - 1$, $$\left(\frac{n+1}{n-1}\right)^n = \left(1 + \frac{2}{n-1}\right)^n = \left(1 + \frac{2}{m}\right)^{m+1} = \left(1 + \frac{2}{m}\right)^m \left(1 + \frac{2}{m}\right),$$ and as $m \to \infty$, $\left(1+\frac{2}{m}\right)^m \to e^2$ and $\left(1+\frac{2}{m}\right) \to 1$, so the limit is $e^2$.

(3) Write $\sqrt[n]{n} = 1 + b_n$ with $b_n \geq 0$. By the binomial theorem, for $n \geq 2$, $$n = (1+b_n)^n \geq \binom{n}{2} b_n^2 = \frac{n(n-1)}{2} b_n^2,$$ so $b_n^2 \leq \dfrac{2}{n-1} \to 0$. Hence $b_n \to 0$ and $\sqrt[n]{n} = 1 + b_n \to 1$.

(4) The case $x = 1$ is trivial. If $x \gt 1$, write $x^{1/n} = 1 + c_n$ with $c_n \gt 0$; by Bernoulli's inequality, $$x = (1+c_n)^n \geq 1 + nc_n,$$ so $0 \lt c_n \leq \dfrac{x-1}{n} \to 0$, i.e., $x^{1/n} \to 1$. If $0 \lt x \lt 1$, then $y = 1/x \gt 1$ gives $y^{1/n} \to 1$, so $x^{1/n} = 1/y^{1/n} \to 1$.

(5) Let $a_n = \dfrac{|x|^n}{n!}$. The case $x = 0$ is trivial. For $x \neq 0$, $$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{|x|}{n+1} \to 0,$$ so for some natural number $N \gt 2|x|$, $n \geq N$ implies $\dfrac{a_{n+1}}{a_n} \leq \dfrac{1}{2}$, hence $0 \leq a_n \leq a_N \left(\dfrac12\right)^{n-N} \to 0$. That is, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{x^n}{n!} = 0$.

(6) The case $x = 0$ is trivial. For $x \neq 0$, for $n$ sufficiently large $1 + x/n \gt 0$, so $$\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = \exp\left(n\ln\left(1+\frac{x}{n}\right)\right) = \exp\left(x \cdot \frac{\ln(1+x/n)}{x/n}\right).$$ Since $u = x/n \to 0$ and $\displaystyle\lim_{u \to 0} \frac{\ln(1+u)}{u} = 1$ (by L'Hôpital's Rule), the exponent converges to $x \cdot 1 = x$, and by continuity of $\exp$, $$\lim_{n \to \infty}\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = e^x.$$

유제 02-1 수열 극한 계산 연습
한국어

다음 극한을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln(n^2)}{n}$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{3n}$
  4. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(-\frac{1}{2}\right)^n$
  5. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(\frac{n-2}{n}\right)^n$
  6. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{100^n}{n!}$
  7. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{n!}{n^n}$
  8. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n^2 + n}$
  9. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} \tan^{-1} n$

풀이. 예제 02에서 얻은 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{\ln n}{n}=0$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{n}=1$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{x^n}{n!}=0$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = e^x$를 활용한다.

(1) $\dfrac{\ln(n^2)}{n} = \dfrac{2\ln n}{n} \to 2 \cdot 0 = 0$.

(2) $\sqrt[n]{n^2} = (\sqrt[n]{n})^2 \to 1^2 = 1$.

(3) $\sqrt[n]{3n} = 3^{1/n}\sqrt[n]{n}$이고 $3^{1/n} = e^{(\ln 3)/n} \to e^0 = 1$이므로 $\sqrt[n]{3n} \to 1 \cdot 1 = 1$.

(4) $\left|-\dfrac12\right| \lt 1$이므로 $\left(-\dfrac12\right)^n \to 0$.

(5) $\left(\dfrac{n-2}{n}\right)^n = \left(1+\dfrac{-2}{n}\right)^n \to e^{-2}$.

(6) $\dfrac{100^n}{n!} \to 0$.

(7) $n \geq 1$에서 $0 \lt \dfrac{n!}{n^n} = \dfrac1n \cdot \dfrac2n \cdots \dfrac{n}{n} \leq \dfrac1n$이고 $\dfrac1n \to 0$이므로 조임정리에 의해 $\dfrac{n!}{n^n} \to 0$.

(8) $n \geq 1$에서 $n \leq n^2+n \leq 2n^2$이므로 $\sqrt[n]{n} \leq \sqrt[n]{n^2+n} \leq \sqrt[n]{2n^2} = 2^{1/n}(\sqrt[n]{n})^2$이다. $n \to \infty$일 때 양 끝이 모두 $1$로 수렴하므로 조임정리에 의해 $\sqrt[n]{n^2+n} \to 1$.

(9) $0 \leq \tan^{-1} n \lt \dfrac{\pi}{2}$로 유계이고 $\dfrac{1}{\sqrt n} \to 0$이므로 $\dfrac{1}{\sqrt n}\tan^{-1} n \to 0$.

English

Compute the following limits.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln(n^2)}{n}$
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n^2}$
  3. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{3n}$
  4. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(-\frac{1}{2}\right)^n$
  5. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(\frac{n-2}{n}\right)^n$
  6. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{100^n}{n!}$
  7. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{n!}{n^n}$
  8. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{n^2 + n}$
  9. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} \tan^{-1} n$

Solution. We use the results from Example 02: $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{\ln n}{n}=0$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{n}=1$, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{x^n}{n!}=0$, and $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{x}{n}\right)^n = e^x$.

(1) $\dfrac{\ln(n^2)}{n} = \dfrac{2\ln n}{n} \to 2 \cdot 0 = 0$.

(2) $\sqrt[n]{n^2} = (\sqrt[n]{n})^2 \to 1^2 = 1$.

(3) $\sqrt[n]{3n} = 3^{1/n}\sqrt[n]{n}$, and $3^{1/n} = e^{(\ln 3)/n} \to e^0 = 1$, so $\sqrt[n]{3n} \to 1 \cdot 1 = 1$.

(4) Since $\left|-\dfrac12\right| \lt 1$, we get $\left(-\dfrac12\right)^n \to 0$.

(5) $\left(\dfrac{n-2}{n}\right)^n = \left(1+\dfrac{-2}{n}\right)^n \to e^{-2}$.

(6) $\dfrac{100^n}{n!} \to 0$.

(7) For $n \geq 1$, $0 \lt \dfrac{n!}{n^n} = \dfrac1n \cdot \dfrac2n \cdots \dfrac{n}{n} \leq \dfrac1n$, and $\dfrac1n \to 0$, so by the Squeeze Theorem $\dfrac{n!}{n^n} \to 0$.

(8) For $n \geq 1$, $n \leq n^2+n \leq 2n^2$, so $\sqrt[n]{n} \leq \sqrt[n]{n^2+n} \leq \sqrt[n]{2n^2} = 2^{1/n}(\sqrt[n]{n})^2$. As $n \to \infty$ both bounds converge to $1$, so by the Squeeze Theorem $\sqrt[n]{n^2+n} \to 1$.

(9) $\tan^{-1} n$ is bounded, $0 \leq \tan^{-1} n \lt \dfrac{\pi}{2}$, and $\dfrac{1}{\sqrt n} \to 0$, so $\dfrac{1}{\sqrt n}\tan^{-1} n \to 0$.

유제 02-2 미분계수로 수열 극한
한국어

함수 $f(x)$가 $[0, 1]$을 포함하는 열린 구간에서 미분가능하고 $f(0) = 0$이 성립한다고 하자. $a_n = nf(1/n)$이라 하면 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = f'(0)$가 성립함을 보이시오. 이를 이용해 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} n\tan^{-1}\frac{1}{n}$의 값을 구하시오.

증명. $f(0) = 0$이므로 $$f'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h) - f(0)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{f(h)}{h}$$ 이다. 즉 임의의 $\epsilon \gt 0$에 대해 $\delta \gt 0$이 존재하여 $0 \lt |h| \lt \delta$이면 $$\left|\frac{f(h)}{h} - f'(0)\right| \lt \epsilon$$ 이 성립한다. 자연수 $N \gt 1/\delta$를 택하면 $n \geq N$일 때 $h = 1/n$은 $0 \lt h \lt \delta$를 만족하므로 $$\left|\frac{f(1/n)}{1/n} - f'(0)\right| = |nf(1/n) - f'(0)| \lt \epsilon$$ 이 성립한다. 따라서 $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} nf(1/n) = f'(0)$이다.

$f(x) = \tan^{-1} x$라 하면 $f(0) = 0$이고 $f'(x) = \dfrac{1}{1+x^2}$이므로 $f'(0) = 1$이다. 위 결과에 의해 $$\lim_{n \to \infty} n\tan^{-1}\frac{1}{n} = f'(0) = 1$$ 이다.

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English

Suppose $f(x)$ is differentiable on an open interval containing $[0, 1]$ and $f(0) = 0$. Let $a_n = nf(1/n)$. Show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} a_n = f'(0)$. Using this, find $\displaystyle\lim_{n \to \infty} n\tan^{-1}\frac{1}{n}$.

Proof. Since $f(0) = 0$, $$f'(0) = \lim_{h \to 0} \frac{f(h) - f(0)}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{f(h)}{h}.$$ That is, for every $\epsilon \gt 0$ there exists $\delta \gt 0$ such that $0 \lt |h| \lt \delta$ implies $$\left|\frac{f(h)}{h} - f'(0)\right| \lt \epsilon.$$ Choose a natural number $N \gt 1/\delta$. Then for $n \geq N$, $h = 1/n$ satisfies $0 \lt h \lt \delta$, so $$\left|\frac{f(1/n)}{1/n} - f'(0)\right| = |nf(1/n) - f'(0)| \lt \epsilon.$$ Hence $\displaystyle\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} nf(1/n) = f'(0)$.

Let $f(x) = \tan^{-1} x$. Then $f(0) = 0$ and $f'(x) = \dfrac{1}{1+x^2}$, so $f'(0) = 1$. By the result above, $$\lim_{n \to \infty} n\tan^{-1}\frac{1}{n} = f'(0) = 1.$$

$\square$
유제 02-3 거듭제곱·로그 극한 증명
한국어
  1. 극한의 엄밀한 정의를 이용해 모든 $c \gt 0$에 대해 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n^c} = 0$가 성립함을 보이시오.
  2. 모든 $c \gt 0$에 대해 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n^c} = 0$가 성립함을 보이시오.

증명.

(1) 임의의 $\epsilon \gt 0$이 주어졌다고 하자. 아르키메데스 성질에 의해 $N \gt \epsilon^{-1/c}$인 자연수 $N$이 존재한다. $x \mapsto x^c$ ($x \gt 0$)는 $c \gt 0$에서 증가함수이므로, $n \geq N$이면 $$n^c \geq N^c \gt \epsilon^{-1}$$ 이고, 따라서 $$\left|\frac{1}{n^c} - 0\right| = \frac{1}{n^c} \lt \epsilon$$ 이 성립한다. 즉 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^c} = 0$이다.

(2) $f(x) = \dfrac{\ln x}{x^c}$는 $x \geq 1$에서 연속이고, 로피탈 정리에 의해 $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^c} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{cx^{c-1}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1}{cx^c} = 0$$ 이다 ($c \gt 0$이므로 $x^c \to \infty$). 연속변수에 대한 극한이 $0$이므로 $x = n$을 대입한 수열의 극한도 $0$이다. 즉 $$\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n^c} = 0$$ 이다.

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English
  1. Using the precise definition of a limit, show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n^c} = 0$ for every $c \gt 0$.
  2. Show that $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n^c} = 0$ for every $c \gt 0$.

Proof.

(1) Let $\epsilon \gt 0$ be given. By the Archimedean property, there exists a natural number $N$ with $N \gt \epsilon^{-1/c}$. Since $x \mapsto x^c$ ($x \gt 0$) is increasing for $c \gt 0$, $n \geq N$ gives $$n^c \geq N^c \gt \epsilon^{-1},$$ and hence $$\left|\frac{1}{n^c} - 0\right| = \frac{1}{n^c} \lt \epsilon.$$ That is, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^c} = 0$.

(2) $f(x) = \dfrac{\ln x}{x^c}$ is continuous for $x \geq 1$, and by L'Hôpital's Rule, $$\lim_{x \to \infty} \frac{\ln x}{x^c} = \lim_{x \to \infty} \frac{1/x}{cx^{c-1}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1}{cx^c} = 0$$ (since $c \gt 0$, $x^c \to \infty$). Since this continuous-variable limit is $0$, the corresponding sequence limit obtained by substituting $x = n$ is also $0$, i.e., $$\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n^c} = 0.$$

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예제 03 상계·하계와 단조성
한국어
  1. 수열 $a_n = n$ $(n \geq 1)$의 상계의 집합과 하계의 집합을 각각 구하시오. 존재한다면 상한과 하한을 구하시오.
  2. 수열 $a_n$은 단조증가수열인지 단조감소수열인지 판단하시오.

풀이.

(1) $a_n = n$은 $n \to \infty$일 때 한없이 커지므로 어떤 실수 $M$도 모든 $n$에 대해 $a_n \leq M$을 만족시킬 수 없다 (아르키메데스 성질). 따라서 상계의 집합은 공집합 $\varnothing$이고, 상한은 존재하지 않는다.

한편 $M \leq 1$이면 모든 $n \geq 1$에 대해 $a_n = n \geq 1 \geq M$이므로 $M$은 하계이고, $M \gt 1$이면 $a_1 = 1 \lt M$이므로 $M$은 하계가 아니다. 따라서 하계의 집합은 $(-\infty, 1]$이고, 하한은 $1$이며 이는 $a_1 = 1$에서 최솟값으로 실제로 도달된다.

(2) $a_{n+1} - a_n = (n+1) - n = 1 \gt 0$이므로 $a_n$은 단조증가수열이다.

English
  1. Find the set of upper bounds and the set of lower bounds of the sequence $a_n = n$ $(n \geq 1)$. If they exist, find the supremum and infimum.
  2. Determine whether the sequence $a_n$ is monotonically increasing or monotonically decreasing.

Solution.

(1) Since $a_n = n$ grows without bound as $n \to \infty$, no real number $M$ can satisfy $a_n \leq M$ for all $n$ (by the Archimedean property). Hence the set of upper bounds is the empty set $\varnothing$, and no supremum exists.

On the other hand, if $M \leq 1$ then $a_n = n \geq 1 \geq M$ for all $n \geq 1$, so $M$ is a lower bound; if $M \gt 1$ then $a_1 = 1 \lt M$, so $M$ is not a lower bound. Hence the set of lower bounds is $(-\infty, 1]$, and the infimum is $1$, which is in fact attained as the minimum at $a_1 = 1$.

(2) Since $a_{n+1} - a_n = (n+1) - n = 1 \gt 0$, the sequence $a_n$ is monotonically increasing.

유제 03-1 유계성과 단조성 판정
한국어
  1. 수열 $a_n = \dfrac{n}{n+1}$ $(n \geq 1)$의 상계의 집합과 하계의 집합을 각각 구하시오. 존재한다면 상한과 하한을 구하시오.
  2. 수열 $a_n$은 단조증가수열인지 단조감소수열인지 판단하시오.

풀이.

(1) $a_n = \dfrac{n}{n+1} = 1 - \dfrac{1}{n+1} \lt 1$이므로 $M \geq 1$이면 모든 $n$에 대해 $a_n \lt 1 \leq M$이 되어 $M$은 상계이다. 반대로 $M \lt 1$이면 $a_n \to 1$이므로 어떤 $n$에 대해 $a_n \gt M$이 되어 $M$은 상계가 아니다. 따라서 상계의 집합은 $[1, \infty)$이고, 상한은 $1$이며 이는 도달되지 않는다(즉 최댓값은 존재하지 않는다).

한편 (2)에서 보이듯 $a_n$은 증가수열이므로 최솟값은 $a_1 = \dfrac12$이다. $M \leq \dfrac12$이면 모든 $n$에 대해 $a_n \geq a_1 = \dfrac12 \geq M$이므로 $M$은 하계이고, $M \gt \dfrac12$이면 $a_1 = \dfrac12 \lt M$이므로 $M$은 하계가 아니다. 따라서 하계의 집합은 $\left(-\infty, \dfrac12\right]$이고, 하한은 $\dfrac12$이며 이는 $a_1$에서 최솟값으로 도달된다.

(2) $n \geq 1$에서 $$a_{n+1} - a_n = \frac{n+1}{n+2} - \frac{n}{n+1} = \frac{(n+1)^2 - n(n+2)}{(n+1)(n+2)} = \frac{1}{(n+1)(n+2)} \gt 0$$ 이므로 $a_n$은 단조증가수열이다.

English
  1. Find the set of upper bounds and the set of lower bounds of the sequence $a_n = \dfrac{n}{n+1}$ $(n \geq 1)$. If they exist, find the supremum and infimum.
  2. Determine whether the sequence $a_n$ is monotonically increasing or monotonically decreasing.

Solution.

(1) Since $a_n = \dfrac{n}{n+1} = 1 - \dfrac{1}{n+1} \lt 1$, if $M \geq 1$ then $a_n \lt 1 \leq M$ for all $n$, so $M$ is an upper bound. If $M \lt 1$, then since $a_n \to 1$, some $n$ satisfies $a_n \gt M$, so $M$ is not an upper bound. Hence the set of upper bounds is $[1, \infty)$, and the supremum is $1$, which is not attained (there is no maximum).

On the other hand, as shown in (2), $a_n$ is increasing, so its minimum is $a_1 = \dfrac12$. If $M \leq \dfrac12$ then $a_n \geq a_1 = \dfrac12 \geq M$ for all $n$, so $M$ is a lower bound; if $M \gt \dfrac12$ then $a_1 = \dfrac12 \lt M$, so $M$ is not a lower bound. Hence the set of lower bounds is $\left(-\infty, \dfrac12\right]$, and the infimum is $\dfrac12$, attained as the minimum at $a_1$.

(2) For $n \geq 1$, $$a_{n+1} - a_n = \frac{n+1}{n+2} - \frac{n}{n+1} = \frac{(n+1)^2 - n(n+2)}{(n+1)(n+2)} = \frac{1}{(n+1)(n+2)} \gt 0,$$ so $a_n$ is monotonically increasing.

유제 03-2 단조수렴정리 (제곱근 점화식)
한국어

단조수렴정리를 이용해 수열 $a_{n+1} = \sqrt{8 + 2a_n}$, $a_1 = 0$가 수렴함을 보이고 극한값을 구하시오.

증명. 모든 $n$에 대해 $0 \leq a_n \leq 4$임을 귀납법으로 보인다. $a_1 = 0$이므로 성립한다. $a_n \leq 4$라 가정하면 $$a_{n+1} = \sqrt{8+2a_n} \leq \sqrt{8+8} = 4$$ 이고 $a_{n+1} = \sqrt{8+2a_n} \geq 0$이므로 $0 \leq a_{n+1} \leq 4$이다. 따라서 모든 $n$에 대해 $0 \leq a_n \leq 4$이다.

다음으로 $a_n$이 단조증가함을 귀납법으로 보인다. $a_2 = \sqrt{8} \gt 0 = a_1$이므로 성립한다. $a_{n+1} \geq a_n$이라 가정하면 제곱근함수가 증가함수이므로 $$a_{n+2} = \sqrt{8+2a_{n+1}} \geq \sqrt{8+2a_n} = a_{n+1}$$ 이다. 따라서 $a_n$은 단조증가수열이다.

$a_n$이 단조증가이고 위로 유계이므로 단조수렴정리에 의해 어떤 $L$로 수렴한다. 재귀식의 양변에 극한을 취하면 (제곱근함수의 연속성에 의해) $$L = \sqrt{8+2L}$$ 이고, 양변을 제곱하면 $$L^2 = 8+2L \quad\Longleftrightarrow\quad L^2-2L-8=0 \quad\Longleftrightarrow\quad (L-4)(L+2)=0$$ 이므로 $L=4$ 또는 $L=-2$이다. 그런데 $a_n \geq 0$이므로 $L \geq 0$이고, 따라서 $L=4$이다.

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English

Using the Monotone Convergence Theorem, show that the sequence $a_{n+1} = \sqrt{8 + 2a_n}$, $a_1 = 0$ converges, and find its limit.

Proof. We show $0 \leq a_n \leq 4$ for all $n$ by induction. Since $a_1 = 0$, the base case holds. Suppose $a_n \leq 4$; then $$a_{n+1} = \sqrt{8+2a_n} \leq \sqrt{8+8} = 4,$$ and $a_{n+1} = \sqrt{8+2a_n} \geq 0$, so $0 \leq a_{n+1} \leq 4$. Hence $0 \leq a_n \leq 4$ for all $n$.

Next we show $a_n$ is monotonically increasing by induction. Since $a_2 = \sqrt{8} \gt 0 = a_1$, the base case holds. Suppose $a_{n+1} \geq a_n$; since the square root function is increasing, $$a_{n+2} = \sqrt{8+2a_{n+1}} \geq \sqrt{8+2a_n} = a_{n+1}.$$ Hence $a_n$ is monotonically increasing.

Since $a_n$ is increasing and bounded above, by the Monotone Convergence Theorem it converges to some $L$. Taking the limit of both sides of the recurrence (using continuity of the square root), $$L = \sqrt{8+2L},$$ and squaring both sides, $$L^2 = 8+2L \quad\Longleftrightarrow\quad L^2-2L-8=0 \quad\Longleftrightarrow\quad (L-4)(L+2)=0,$$ so $L=4$ or $L=-2$. Since $a_n \geq 0$, we have $L \geq 0$, so $L=4$.

$\square$
유제 03-3 단조수렴정리 (분수 점화식)
한국어

단조수렴정리를 이용해 수열 $a_{n+1} = \dfrac{1 + 2a_n}{2 + a_n}$, $a_1 = 0$가 수렴함을 보이고 극한값을 구하시오.

증명. 모든 $n$에 대해 $0 \leq a_n \leq 1$임을 귀납법으로 보인다. $a_1 = 0$이므로 성립한다. $0 \leq a_n \leq 1$이라 가정하면 $2+a_n \gt 0$이고 $$a_{n+1} - 1 = \frac{1+2a_n}{2+a_n} - 1 = \frac{a_n - 1}{2+a_n} \leq 0$$ 이므로 $a_{n+1} \leq 1$이고, $1+2a_n \geq 0$, $2+a_n \gt 0$이므로 $a_{n+1} \geq 0$이다. 따라서 $0 \leq a_n \leq 1$이 모든 $n$에 대해 성립한다.

다음으로 $$a_{n+1} - a_n = \frac{1+2a_n}{2+a_n} - a_n = \frac{1+2a_n - a_n(2+a_n)}{2+a_n} = \frac{1-a_n^2}{2+a_n}$$ 인데, $0 \leq a_n \leq 1$이므로 $1-a_n^2 \geq 0$이고 $2+a_n \gt 0$이다. 따라서 $a_{n+1} - a_n \geq 0$이므로 $a_n$은 단조증가수열이다.

$a_n$이 단조증가이고 위로 유계이므로 단조수렴정리에 의해 어떤 $L$로 수렴한다. 재귀식의 양변에 극한을 취하면 $$L = \frac{1+2L}{2+L} \quad\Longleftrightarrow\quad L(2+L) = 1+2L \quad\Longleftrightarrow\quad L^2 = 1$$ 이므로 $L = \pm 1$이다. 그런데 $0 \leq a_n \leq 1$이므로 $L \geq 0$이고, 따라서 $L=1$이다.

$\square$
English

Using the Monotone Convergence Theorem, show that the sequence $a_{n+1} = \dfrac{1 + 2a_n}{2 + a_n}$, $a_1 = 0$ converges, and find its limit.

Proof. We show $0 \leq a_n \leq 1$ for all $n$ by induction. Since $a_1 = 0$, the base case holds. Suppose $0 \leq a_n \leq 1$; then $2+a_n \gt 0$ and $$a_{n+1} - 1 = \frac{1+2a_n}{2+a_n} - 1 = \frac{a_n - 1}{2+a_n} \leq 0,$$ so $a_{n+1} \leq 1$, and since $1+2a_n \geq 0$ and $2+a_n \gt 0$, also $a_{n+1} \geq 0$. Hence $0 \leq a_n \leq 1$ for all $n$.

Next, $$a_{n+1} - a_n = \frac{1+2a_n}{2+a_n} - a_n = \frac{1+2a_n - a_n(2+a_n)}{2+a_n} = \frac{1-a_n^2}{2+a_n},$$ and since $0 \leq a_n \leq 1$, we have $1-a_n^2 \geq 0$ and $2+a_n \gt 0$. Hence $a_{n+1} - a_n \geq 0$, so $a_n$ is monotonically increasing.

Since $a_n$ is increasing and bounded above, by the Monotone Convergence Theorem it converges to some $L$. Taking the limit of both sides of the recurrence, $$L = \frac{1+2L}{2+L} \quad\Longleftrightarrow\quad L(2+L) = 1+2L \quad\Longleftrightarrow\quad L^2 = 1,$$ so $L = \pm 1$. Since $0 \leq a_n \leq 1$, we have $L \geq 0$, so $L=1$.

$\square$
유제 03-4 뉴턴 방법 수열의 수렴
한국어

뉴턴의 방법을 이용해 초깃값을 $x_0 = 1$으로 택하여 $x^2 - 2 = 0$의 근을 찾고자 할 때 얻어지는 수열 $\{x_n\}$이 수렴함을 보이시오.

증명. $f(x) = x^2-2$라 하면 $f'(x) = 2x$이므로 뉴턴의 방법에 의한 점화식은 $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^2-2}{2x_n} = \frac{x_n^2+2}{2x_n} = \frac{1}{2}\left(x_n + \frac{2}{x_n}\right)$$ 이다. $x_0 = 1 \gt 0$이므로 귀납적으로 모든 $n$에 대해 $x_n \gt 0$이다.

또한 $$x_{n+1} - \sqrt2 = \frac{x_n^2+2}{2x_n} - \sqrt2 = \frac{x_n^2 - 2\sqrt2\, x_n + 2}{2x_n} = \frac{(x_n-\sqrt2)^2}{2x_n} \geq 0$$ 이므로 $n \geq 1$에서 $x_n \geq \sqrt2$이다. (실제로 $x_1 = \dfrac12\left(1+2\right) = \dfrac32 \geq \sqrt2$.)

$n \geq 1$일 때 $$x_{n+1} - x_n = \frac{1}{2}\left(x_n+\frac{2}{x_n}\right) - x_n = \frac{2-x_n^2}{2x_n}$$ 인데 $x_n \geq \sqrt2$이므로 $x_n^2 \geq 2$이고 $x_n \gt 0$이므로 $x_{n+1} - x_n \leq 0$이다. 따라서 $\{x_n\}_{n \geq 1}$은 단조감소수열이다.

$\{x_n\}_{n \geq 1}$이 단조감소이고 아래로 유계($\geq \sqrt2$)이므로 단조수렴정리에 의해 수렴한다. (유한 개의 첫 항을 제외해도 수렴성은 변하지 않으므로 $\{x_n\}$ 전체도 수렴한다.) 실제로 극한 $L$은 $L = \dfrac12\left(L+\dfrac2L\right)$을 만족시켜야 하므로 $L = \sqrt2$이다.

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English

Show that the sequence $\{x_n\}$ obtained by using Newton's method with initial value $x_0 = 1$ to find a root of $x^2 - 2 = 0$ converges.

Proof. Let $f(x) = x^2-2$, so $f'(x) = 2x$. Newton's method gives the recurrence $$x_{n+1} = x_n - \frac{f(x_n)}{f'(x_n)} = x_n - \frac{x_n^2-2}{2x_n} = \frac{x_n^2+2}{2x_n} = \frac{1}{2}\left(x_n + \frac{2}{x_n}\right).$$ Since $x_0 = 1 \gt 0$, induction shows $x_n \gt 0$ for all $n$.

Also, $$x_{n+1} - \sqrt2 = \frac{x_n^2+2}{2x_n} - \sqrt2 = \frac{x_n^2 - 2\sqrt2\, x_n + 2}{2x_n} = \frac{(x_n-\sqrt2)^2}{2x_n} \geq 0,$$ so $x_n \geq \sqrt2$ for $n \geq 1$. (Indeed $x_1 = \dfrac12(1+2) = \dfrac32 \geq \sqrt2$.)

For $n \geq 1$, $$x_{n+1} - x_n = \frac{1}{2}\left(x_n+\frac{2}{x_n}\right) - x_n = \frac{2-x_n^2}{2x_n},$$ and since $x_n \geq \sqrt2$ gives $x_n^2 \geq 2$ and $x_n \gt 0$, we get $x_{n+1} - x_n \leq 0$. Hence $\{x_n\}_{n \geq 1}$ is monotonically decreasing.

Since $\{x_n\}_{n \geq 1}$ is decreasing and bounded below (by $\sqrt2$), the Monotone Convergence Theorem shows it converges. (Convergence is unaffected by dropping finitely many initial terms, so $\{x_n\}$ as a whole converges too.) In fact the limit $L$ must satisfy $L = \dfrac12\left(L+\dfrac2L\right)$, so $L = \sqrt2$.

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문제 · Problems

문제 01 합 점화식의 일반항
한국어

$x_{n+1} = x_1 + x_2 + \cdots + x_n$, $x_1 = 1$으로 정의된 수열 $\{x_n\}$의 일반항을 구하시오.

English

Find the general term of the sequence $\{x_n\}$ defined by $x_{n+1} = x_1 + x_2 + \cdots + x_n$, $x_1 = 1$.

문제 02 연립점화식과 비의 극한
한국어

수열 $\{x_n\}$, $\{y_n\}$을 점화식 $x_{n+1} = x_n + 2y_n$, $y_{n+1} = x_n + y_n$, $x_1 = 1$, $y_1 = 1$로 정의하자.

  1. 자연수 $n$에 대해 $x_n^2 - 2y_n^2 = (-1)^n$이 성립함을 보이시오.
  2. $r_n = x_n/y_n$이라 할 때 $\displaystyle\lim_{n \to \infty} r_n$을 구하시오.
English

Define sequences $\{x_n\}$, $\{y_n\}$ by the recurrence relations $x_{n+1} = x_n + 2y_n$, $y_{n+1} = x_n + y_n$, $x_1 = 1$, $y_1 = 1$.

  1. Show that $x_n^2 - 2y_n^2 = (-1)^n$ for every natural number $n$.
  2. Let $r_n = x_n/y_n$. Find $\displaystyle\lim_{n \to \infty} r_n$.
문제 03 바닥·천장함수와 피타고라스 수
한국어

홀수 $a$에 대해 $b = \left\lfloor \dfrac{a^2}{2} \right\rfloor$, $c = \left\lceil \dfrac{a^2}{2} \right\rceil$라 하자. 다음 물음에 답하시오.

(단, $\lfloor x \rfloor$는 $x$보다 작거나 같은 최대 정수이고 $\lceil x \rceil$는 $x$보다 크거나 같은 최소 정수이다.)

  1. $a^2 + b^2 = c^2$이 성립함을 보이시오.
  2. $\displaystyle\lim_{a \to \infty} \frac{b}{c}$를 구하시오.
English

For an odd integer $a$, let $b = \left\lfloor \dfrac{a^2}{2} \right\rfloor$ and $c = \left\lceil \dfrac{a^2}{2} \right\rceil$. Answer the following questions.

(Here, $\lfloor x \rfloor$ is the greatest integer less than or equal to $x$, and $\lceil x \rceil$ is the least integer greater than or equal to $x$.)

  1. Show that $a^2 + b^2 = c^2$.
  2. Find $\displaystyle\lim_{a \to \infty} \frac{b}{c}$.
문제 04 sin n·cos n 수열의 발산
한국어

자연수 $n$에 대해 $a_n = \sin n$, $b_n = \cos n$이라 정의하자.

  1. $x_{n+1} = \max\{x_n, a_n\}$, $x_1 = a_1$로 정의된 수열 $\{x_n\}$이 수렴하는지 판정하시오.
  2. $\sin(n+1) = \sin n \cos(1) + \cos n \sin(1)$을 이용해 $a_n$이 수렴하면 $b_n$이 수렴함을 보이시오.
  3. $\sin(2n) = 2\sin n \cos n$, $\cos(2n) = \cos^2 n - \sin^2 n$을 이용해 $a_n$은 발산함을 보이시오.
  4. $b_n$도 발산함을 보이시오.
English

For a natural number $n$, define $a_n = \sin n$, $b_n = \cos n$.

  1. Determine whether the sequence $\{x_n\}$ defined by $x_{n+1} = \max\{x_n, a_n\}$, $x_1 = a_1$ converges.
  2. Using $\sin(n+1) = \sin n \cos(1) + \cos n \sin(1)$, show that if $a_n$ converges, then $b_n$ converges.
  3. Using $\sin(2n) = 2\sin n \cos n$ and $\cos(2n) = \cos^2 n - \sin^2 n$, show that $a_n$ diverges.
  4. Show that $b_n$ also diverges.
문제 05 거듭제곱 합의 극한
한국어

주어진 극한을 구하시오.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} (a^n + b^n)^{1/n}$ (단, $a \gt b \gt 0$)
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{\cos(a/n)}{bn}\right)^n$ (단, $b \neq 0$)
English

Find the given limits.

  1. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} (a^n + b^n)^{1/n}$ (where $a \gt b \gt 0$)
  2. $\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{\cos(a/n)}{bn}\right)^n$ (where $b \neq 0$)
문제 06 수렴수열의 코시 조건
한국어

수열 $\{a_n\}$이 수렴하면 임의의 $\epsilon \gt 0$에 대해 자연수 $N$이 있어 $m, n \geq N$이면 $|a_m - a_n| \lt \epsilon$이 성립함을 보이시오.

English

Show that if the sequence $\{a_n\}$ converges, then for every $\epsilon \gt 0$ there exists a natural number $N$ such that $|a_m - a_n| \lt \epsilon$ whenever $m, n \geq N$.

문제 07 수렴하는 수열 고르기 (임용09-23)
한국어

<보기>에서 주어진 $x_n$을 일반항으로 하는 실수열 중 수렴하는 수열을 모두 고른 것은?

ㄱ. $x_n = (n+1)^{\frac{1}{\log(n+1)}}$

ㄴ. $x_n = \dfrac{(n+1)^n}{n!}$

ㄷ. $x_n = \dfrac{1 + na}{(1+a)^n}$ (단, $a$는 양의 실수)

① ㄱ    ② ㄷ    ③ ㄱ, ㄴ    ④ ㄱ, ㄷ    ⑤ ㄴ, ㄷ

English

Which of the following correctly selects all convergent sequences among the real sequences with general term $x_n$ given in <List>?

ㄱ. $x_n = (n+1)^{\frac{1}{\log(n+1)}}$

ㄴ. $x_n = \dfrac{(n+1)^n}{n!}$

ㄷ. $x_n = \dfrac{1 + na}{(1+a)^n}$ (where $a$ is a positive real number)

① ㄱ    ② ㄷ    ③ ㄱ, ㄴ    ④ ㄱ, ㄷ    ⑤ ㄴ, ㄷ

문제 08 유계 증가수열의 극한 (임용04-8)
한국어

아래와 같이 정의된 수열 $\{x_n\}$은 유계인 증가수열임을 보이고, $\displaystyle\lim_{n \to \infty} x_n$의 값을 구하시오. (단, $x_n$은 실수이고 $x_n^k = (x_n)^k$이다.)

$$\begin{cases} x_1 = 3 \\ x_{n+1}^3 = 6x_n^2 - 8x_n \end{cases}$$

English

Show that the sequence $\{x_n\}$ defined below is a bounded increasing sequence, and find the value of $\displaystyle\lim_{n \to \infty} x_n$. (Here, $x_n$ is a real number and $x_n^k = (x_n)^k$.)

$$\begin{cases} x_1 = 3 \\ x_{n+1}^3 = 6x_n^2 - 8x_n \end{cases}$$

문제 09 점화식 수열의 수렴 (임용19B-7)
한국어

실수열 $\{a_n\}$을 $a_1 = 1$, $a_{n+1} = (2a_n^2 + 1)^{\frac{1}{5}}$로 정의하자. 모든 자연수 $n$에 대하여 $1 \leq a_n \leq 2$임을 보이고 수열 $\{a_n\}$이 수렴함을 보이시오.

English

Define a real sequence $\{a_n\}$ by $a_1 = 1$, $a_{n+1} = (2a_n^2 + 1)^{\frac{1}{5}}$. Show that $1 \leq a_n \leq 2$ for every natural number $n$, and show that the sequence $\{a_n\}$ converges.