예제·유제 · Examples & Exercises
부분합이 위로 유계가 아님을 이용하여 조화급수(harmonic series) $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$가 발산함을 보이시오.
증명. 부분합을 $\displaystyle s_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k}$이라 하자. 자연수 $k$에 대해 $2^{k-1}$개의 항 $\dfrac{1}{2^{k-1}+1}, \dfrac{1}{2^{k-1}+2}, \ldots, \dfrac{1}{2^k}$은 각각 $\dfrac{1}{2^k}$ 이상이므로 $$s_{2^k} - s_{2^{k-1}} = \sum_{n=2^{k-1}+1}^{2^k} \frac{1}{n} \geq 2^{k-1}\cdot\frac{1}{2^k} = \frac{1}{2}$$ 이다. $s_1=1$이므로 귀납적으로 $$s_{2^k} = s_1 + \sum_{j=1}^k (s_{2^j}-s_{2^{j-1}}) \geq 1 + \frac{k}{2}$$ 이다. $k\to\infty$이면 $1+k/2\to\infty$이므로 부분수열 $\{s_{2^k}\}$은 위로 유계가 아니고, $\{s_n\}$은 증가수열이므로 $\{s_n\}$ 전체도 위로 유계가 아니다. 따라서 조화급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac1n$은 발산한다.
Show that the harmonic series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ diverges by using the fact that its partial sums are not bounded above.
Proof. Let $\displaystyle s_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k}$ denote the $n$th partial sum. For each natural number $k$, the $2^{k-1}$ terms $\dfrac{1}{2^{k-1}+1}, \dfrac{1}{2^{k-1}+2}, \ldots, \dfrac{1}{2^k}$ are each at least $\dfrac{1}{2^k}$, so $$s_{2^k} - s_{2^{k-1}} = \sum_{n=2^{k-1}+1}^{2^k} \frac{1}{n} \geq 2^{k-1}\cdot\frac{1}{2^k} = \frac{1}{2}.$$ Since $s_1=1$, induction gives $$s_{2^k} = s_1 + \sum_{j=1}^k (s_{2^j}-s_{2^{j-1}}) \geq 1 + \frac{k}{2}.$$ As $k\to\infty$, $1+k/2\to\infty$, so the subsequence $\{s_{2^k}\}$ is not bounded above, and since $\{s_n\}$ is increasing, $\{s_n\}$ itself is not bounded above. Hence the harmonic series $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac1n$ diverges.
부분합이 위로 유계임을 이용하여 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$가 수렴함을 보이시오.
증명. 부분합을 $\displaystyle s_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2}$이라 하자. $k\geq2$이면 힌트에 의해 $\dfrac{1}{k^2}\leq\dfrac{1}{k(k-1)}=\dfrac{1}{k-1}-\dfrac1k$이므로 $$s_n = 1+\sum_{k=2}^n \frac{1}{k^2} \leq 1+\sum_{k=2}^n \left(\frac{1}{k-1}-\frac1k\right) = 1+\left(1-\frac1n\right) = 2-\frac1n \lt 2$$ 이다 (마지막 합은 텔레스코핑으로 소거된다). 각 항이 양수이므로 $\{s_n\}$은 증가수열이고 위 부등식에 의해 위로 유계이므로, 단조수렴정리에 의해 $\{s_n\}$은 수렴한다. 따라서 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}$은 수렴한다.
Show that the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ converges by using the fact that its partial sums are bounded above.
Proof. Let $\displaystyle s_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2}$ denote the $n$th partial sum. For $k\geq2$, the hint gives $\dfrac{1}{k^2}\leq\dfrac{1}{k(k-1)}=\dfrac{1}{k-1}-\dfrac1k$, so $$s_n = 1+\sum_{k=2}^n \frac{1}{k^2} \leq 1+\sum_{k=2}^n \left(\frac{1}{k-1}-\frac1k\right) = 1+\left(1-\frac1n\right) = 2-\frac1n \lt 2$$ (the last sum telescopes). Since all terms are positive, $\{s_n\}$ is increasing, and by the inequality above it is bounded above; hence by the Monotone Convergence Theorem $\{s_n\}$ converges. Therefore the series $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}$ converges.
$p$-급수($p$-series) $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}$가 수렴할 필요충분조건은 $p \gt 1$임을 보이시오.
증명. $f(x)=1/x^p$은 $[1,\infty)$에서 양의 값을 갖고 연속이며 단조감소하므로 적분판정법을 적용할 수 있다.
$p\neq1$이면 $$\int_1^{\infty} \frac{1}{x^p}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[\frac{x^{1-p}}{1-p}\right]_1^b = \lim_{b\to\infty}\frac{b^{1-p}-1}{1-p}$$ 이다. $p\gt1$이면 $1-p\lt0$이므로 $b^{1-p}\to0$이고 적분값은 $\dfrac{1}{p-1}$로 수렴하며, $p\lt1$이면 $1-p\gt0$이므로 $b^{1-p}\to\infty$이고 적분은 발산한다. $p=1$이면 $\displaystyle\int_1^\infty \frac1x\,dx=\lim_{b\to\infty}\ln b=\infty$이므로 발산한다.
따라서 $\displaystyle\int_1^\infty \frac{1}{x^p}\,dx$는 $p\gt1$일 때만 수렴하고, 적분판정법에 의해 $p$-급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^p}$도 $p\gt1$일 때만 수렴한다.
Show that the $p$-series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}$ converges if and only if $p \gt 1$.
Proof. The function $f(x)=1/x^p$ is positive, continuous, and monotonically decreasing on $[1,\infty)$, so the Integral Test applies.
For $p\neq1$, $$\int_1^{\infty} \frac{1}{x^p}\,dx = \lim_{b\to\infty}\left[\frac{x^{1-p}}{1-p}\right]_1^b = \lim_{b\to\infty}\frac{b^{1-p}-1}{1-p}.$$ If $p\gt1$, then $1-p\lt0$, so $b^{1-p}\to0$ and the integral converges to $\dfrac{1}{p-1}$; if $p\lt1$, then $1-p\gt0$, so $b^{1-p}\to\infty$ and the integral diverges. If $p=1$, $\displaystyle\int_1^\infty \frac1x\,dx=\lim_{b\to\infty}\ln b=\infty$, so it diverges.
Hence $\displaystyle\int_1^\infty \frac{1}{x^p}\,dx$ converges only when $p\gt1$, and by the Integral Test the $p$-series $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^p}$ also converges only when $p\gt1$.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} n e^{-n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^{\ln n}}$
풀이.
(1) $0\lt \dfrac{1}{n^2+1}\lt\dfrac{1}{n^2}$이고 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2}$은 $p$-급수($p=2\gt1$)로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2+1}$은 수렴한다.
(2) $f(x)=xe^{-x^2}$이라 하면 $f'(x)=e^{-x^2}(1-2x^2)$이므로 $x\geq1$에서 $f$는 양의 값을 갖고 단조감소한다. $$\int_1^\infty xe^{-x^2}\,dx = \left[-\frac12e^{-x^2}\right]_1^\infty = \frac{1}{2e}$$ 로 수렴하므로, 적분판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty ne^{-n^2}$은 수렴한다.
(3) $2^{\ln n}=e^{\ln2\ln n}=n^{\ln2}$이므로 $\dfrac{1}{2^{\ln n}}=\dfrac{1}{n^{\ln2}}$이다. 이는 $p=\ln2\approx0.693\lt1$인 $p$-급수이므로 발산한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} n e^{-n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^{\ln n}}$
Solution.
(1) Since $0\lt \dfrac{1}{n^2+1}\lt\dfrac{1}{n^2}$ and $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2}$ is a $p$-series with $p=2\gt1$, hence convergent, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2+1}$ converges.
(2) Let $f(x)=xe^{-x^2}$; then $f'(x)=e^{-x^2}(1-2x^2)$, so $f$ is positive and monotonically decreasing on $x\geq1$. $$\int_1^\infty xe^{-x^2}\,dx = \left[-\frac12e^{-x^2}\right]_1^\infty = \frac{1}{2e}$$ converges, so by the Integral Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty ne^{-n^2}$ converges.
(3) Since $2^{\ln n}=e^{\ln2\ln n}=n^{\ln2}$, we have $\dfrac{1}{2^{\ln n}}=\dfrac{1}{n^{\ln2}}$, a $p$-series with $p=\ln2\approx0.693\lt1$, so it diverges.
급수 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n(\ln n)^p}$이 수렴하도록 하는 $p$의 범위를 구하여라.
풀이. $f(x)=\dfrac{1}{x(\ln x)^p}$은 $x\geq2$에서 양의 값을 갖고, 분모가 증가하므로 단조감소한다. $u=\ln x$로 치환하면 $du=dx/x$이므로 $$\int_2^\infty \frac{dx}{x(\ln x)^p} = \int_{\ln2}^\infty \frac{du}{u^p}$$ 이다. $\ln2\gt0$이므로 우변은 $p$-적분의 형태이고, $p\gt1$일 때만 수렴한다. 적분판정법에 의해 원래 급수도 $p\gt1$일 때만 수렴한다. 따라서 급수가 수렴하도록 하는 $p$의 범위는 $p\gt1$이다.
Find the range of $p$ for which the series $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n(\ln n)^p}$ converges.
Solution. $f(x)=\dfrac{1}{x(\ln x)^p}$ is positive for $x\geq2$ and monotonically decreasing since its denominator increases. Substituting $u=\ln x$, $du=dx/x$, $$\int_2^\infty \frac{dx}{x(\ln x)^p} = \int_{\ln2}^\infty \frac{du}{u^p}.$$ Since $\ln2\gt0$, the right-hand side is a $p$-integral, which converges only when $p\gt1$. By the Integral Test, the original series also converges only when $p\gt1$. Hence the range of $p$ for which the series converges is $p\gt1$.
$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$을 $\displaystyle\sum_{k=1}^{10} \frac{1}{k^2}$으로 근사한다고 할 때 오차의 한계를 구하시오.
풀이. $f(x)=1/x^2$은 양의 값을 갖고 단조감소하므로, 적분판정법의 오차 추정에 의해 $$0 \lt \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} - \sum_{k=1}^{10}\frac{1}{k^2} = \sum_{n=11}^\infty \frac1{n^2} \leq \int_{10}^\infty \frac{1}{x^2}\,dx$$ 이 성립한다. $$\int_{10}^\infty \frac{1}{x^2}\,dx = \left[-\frac1x\right]_{10}^\infty = \frac{1}{10}$$ 이므로 오차의 한계는 $\dfrac{1}{10}=0.1$이다.
Find the error bound when $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ is approximated by $\displaystyle\sum_{k=1}^{10} \frac{1}{k^2}$.
Solution. Since $f(x)=1/x^2$ is positive and monotonically decreasing, the error estimate for the Integral Test gives $$0 \lt \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} - \sum_{k=1}^{10}\frac{1}{k^2} = \sum_{n=11}^\infty \frac1{n^2} \leq \int_{10}^\infty \frac{1}{x^2}\,dx.$$ Since $$\int_{10}^\infty \frac{1}{x^2}\,dx = \left[-\frac1x\right]_{10}^\infty = \frac{1}{10},$$ the error bound is $\dfrac{1}{10}=0.1$.
급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left( \frac{a}{n+2} - \frac{1}{n+4} \right)$가 수렴하도록 하는 $a$의 값을 구하시오.
풀이. 일반항을 $t_n=\dfrac{a}{n+2}-\dfrac1{n+4}$라 하면 $n\to\infty$일 때 $$n\,t_n = \frac{an}{n+2}-\frac{n}{n+4} \longrightarrow a-1$$ 이다. $a\neq1$이면 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{t_n}{1/n}=a-1\neq0$이므로 $\sum t_n$은 조화급수 $\sum 1/n$과 같이 발산한다. 따라서 급수가 수렴하려면 $a=1$이어야 한다.
$a=1$이면 $t_n=\dfrac1{n+2}-\dfrac1{n+4}$이고, 부분합은 텔레스코핑으로 $$\sum_{n=1}^N t_n = \sum_{m=3}^{N+2}\frac1m - \sum_{m=5}^{N+4}\frac1m = \frac13+\frac14-\frac1{N+3}-\frac1{N+4} \xrightarrow{N\to\infty} \frac13+\frac14=\frac{7}{12}$$ 이므로 실제로 수렴한다. 따라서 구하는 값은 $a=1$이다.
Find the value of $a$ for which the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left( \frac{a}{n+2} - \frac{1}{n+4} \right)$ converges.
Solution. Let $t_n=\dfrac{a}{n+2}-\dfrac1{n+4}$ be the general term. As $n\to\infty$, $$n\,t_n = \frac{an}{n+2}-\frac{n}{n+4} \longrightarrow a-1.$$ If $a\neq1$, the Limit Comparison Test gives $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{t_n}{1/n}=a-1\neq0$, so $\sum t_n$ diverges just as the harmonic series $\sum 1/n$ does. Hence convergence requires $a=1$.
When $a=1$, $t_n=\dfrac1{n+2}-\dfrac1{n+4}$, and the partial sums telescope: $$\sum_{n=1}^N t_n = \sum_{m=3}^{N+2}\frac1m - \sum_{m=5}^{N+4}\frac1m = \frac13+\frac14-\frac1{N+3}-\frac1{N+4} \xrightarrow{N\to\infty} \frac13+\frac14=\frac{7}{12},$$ so the series does converge in this case. Hence the desired value is $a=1$.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{5}{5n-1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n+\sqrt{n}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n+1}{(n+1)^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n-1}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1+n\ln n}{n^2+5}$
풀이.
(1) $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{5/(5n-1)}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{5n}{5n-1}=1$이므로 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{5}{5n-1}$은 조화급수 $\sum 1/n$과 같이 발산한다.
(2) $a_n=1/n!$이라 하면 $\dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{n!}{(n+1)!}=\dfrac1{n+1}\to0\lt1$이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n!}$은 수렴한다.
(3) $0\lt\dfrac{1}{2^n+\sqrt n}\lt\dfrac1{2^n}$이고 $\sum 1/2^n$은 공비 $1/2$인 등비급수로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{2^n+\sqrt n}$은 수렴한다.
(4) $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{(2n+1)/(n+1)^2}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n(2n+1)}{(n+1)^2}=2$이므로 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2n+1}{(n+1)^2}$은 조화급수와 같이 발산한다.
(5) $n\geq1$이면 $2^n-1\geq2^{n-1}$이므로 $0\lt\dfrac1{2^n-1}\leq\dfrac{1}{2^{n-1}}=2\cdot\dfrac1{2^n}$이고 $\sum 2/2^n$은 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{2^n-1}$은 수렴한다.
(6) $n\geq3$이면 $\ln n\gt1$이므로 $\dfrac{\ln n}{n}\gt\dfrac1n$이고, $\sum 1/n$이 발산하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum\frac{\ln n}{n}$도 발산한다. 한편 $$\lim_{n\to\infty}\frac{(1+n\ln n)/(n^2+5)}{(\ln n)/n} = \lim_{n\to\infty}\frac{n+n^2\ln n}{(n^2+5)\ln n} = 1$$ 이므로 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1+n\ln n}{n^2+5}$은 $\sum(\ln n)/n$과 같이 발산한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{5}{5n-1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n+\sqrt{n}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n+1}{(n+1)^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n-1}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1+n\ln n}{n^2+5}$
Solution.
(1) Since $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{5/(5n-1)}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{5n}{5n-1}=1$, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{5}{5n-1}$ diverges, just like the harmonic series $\sum 1/n$.
(2) Let $a_n=1/n!$; then $\dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{n!}{(n+1)!}=\dfrac1{n+1}\to0\lt1$, so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n!}$ converges.
(3) Since $0\lt\dfrac{1}{2^n+\sqrt n}\lt\dfrac1{2^n}$ and $\sum 1/2^n$ is a geometric series with ratio $1/2$, hence convergent, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{2^n+\sqrt n}$ converges.
(4) Since $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{(2n+1)/(n+1)^2}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n(2n+1)}{(n+1)^2}=2$, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2n+1}{(n+1)^2}$ diverges, like the harmonic series.
(5) For $n\geq1$, $2^n-1\geq2^{n-1}$, so $0\lt\dfrac1{2^n-1}\leq\dfrac{1}{2^{n-1}}=2\cdot\dfrac1{2^n}$, and $\sum 2/2^n$ converges, so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{2^n-1}$ converges.
(6) For $n\geq3$, $\ln n\gt1$, so $\dfrac{\ln n}{n}\gt\dfrac1n$, and since $\sum 1/n$ diverges, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum\frac{\ln n}{n}$ also diverges. Meanwhile, $$\lim_{n\to\infty}\frac{(1+n\ln n)/(n^2+5)}{(\ln n)/n} = \lim_{n\to\infty}\frac{n+n^2\ln n}{(n^2+5)\ln n} = 1,$$ so by the Limit Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1+n\ln n}{n^2+5}$ diverges, just as $\sum(\ln n)/n$ does.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^{3/2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\cos^2 n}{n^{3/2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{\frac{n+1}{n^2+2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{\ln n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \ln\left(1+\frac{1}{n^2}\right)$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\tan^{-1} n}{n^{1.1}}$
풀이.
(1) 로그의 증가율에 의해 $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{\ln n}{n^{1/4}}=0$이므로 충분히 큰 $n$에 대해 $\ln n\lt n^{1/4}$이고, 따라서 $\dfrac{\ln n}{n^{3/2}}\lt\dfrac{n^{1/4}}{n^{3/2}}=\dfrac1{n^{5/4}}$이다. $\sum 1/n^{5/4}$은 $p$-급수($p=5/4\gt1$)로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\ln n}{n^{3/2}}$은 수렴한다.
(2) $0\leq\cos^2n\leq1$이므로 $0\leq\dfrac{\cos^2n}{n^{3/2}}\leq\dfrac1{n^{3/2}}$이고 $\sum 1/n^{3/2}$은 $p$-급수($p=3/2\gt1$)로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\cos^2n}{n^{3/2}}$은 수렴한다.
(3) $$\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{(n+1)/(n^2+2)}}{1/\sqrt n} = \lim_{n\to\infty}\sqrt{\frac{n(n+1)}{n^2+2}} = 1$$ 이므로 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\sqrt{\frac{n+1}{n^2+2}}$은 $\sum 1/\sqrt n$($p=1/2\lt1$)과 같이 발산한다.
(4) 모든 $n\geq2$에 대해 $\ln n\lt n$이므로 $\dfrac1{\ln n}\gt\dfrac1n$이고, $\sum 1/n$이 발산하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac1{\ln n}$도 발산한다.
(5) $\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+x)}{x}=1$이므로 $$\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(1+1/n^2)}{1/n^2}=1$$ 이고, $\sum 1/n^2$이 수렴하므로 극한비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\ln\left(1+\frac1{n^2}\right)$은 수렴한다.
(6) 모든 $n$에 대해 $0\lt\tan^{-1}n\lt\pi/2$이므로 $0\lt\dfrac{\tan^{-1}n}{n^{1.1}}\lt\dfrac{\pi/2}{n^{1.1}}$이고 $\sum(\pi/2)/n^{1.1}$은 $p$-급수($p=1.1\gt1$)로 수렴하므로, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\tan^{-1}n}{n^{1.1}}$은 수렴한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^{3/2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\cos^2 n}{n^{3/2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{\frac{n+1}{n^2+2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{\ln n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \ln\left(1+\frac{1}{n^2}\right)$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\tan^{-1} n}{n^{1.1}}$
Solution.
(1) Since $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{\ln n}{n^{1/4}}=0$ by the growth rate of the logarithm, $\ln n\lt n^{1/4}$ for sufficiently large $n$, so $\dfrac{\ln n}{n^{3/2}}\lt\dfrac{n^{1/4}}{n^{3/2}}=\dfrac1{n^{5/4}}$. Since $\sum 1/n^{5/4}$ is a $p$-series with $p=5/4\gt1$, hence convergent, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\ln n}{n^{3/2}}$ converges.
(2) Since $0\leq\cos^2n\leq1$, we get $0\leq\dfrac{\cos^2n}{n^{3/2}}\leq\dfrac1{n^{3/2}}$, and $\sum 1/n^{3/2}$ is a convergent $p$-series ($p=3/2\gt1$), so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\cos^2n}{n^{3/2}}$ converges.
(3) Since $$\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{(n+1)/(n^2+2)}}{1/\sqrt n} = \lim_{n\to\infty}\sqrt{\frac{n(n+1)}{n^2+2}} = 1,$$ the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\sqrt{\frac{n+1}{n^2+2}}$ diverges, just like $\sum 1/\sqrt n$ ($p=1/2\lt1$).
(4) For every $n\geq2$, $\ln n\lt n$, so $\dfrac1{\ln n}\gt\dfrac1n$, and since $\sum 1/n$ diverges, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac1{\ln n}$ also diverges.
(5) Since $\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\ln(1+x)}{x}=1$, $$\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(1+1/n^2)}{1/n^2}=1,$$ and since $\sum 1/n^2$ converges, the Limit Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\ln\left(1+\frac1{n^2}\right)$ converges.
(6) For every $n$, $0\lt\tan^{-1}n\lt\pi/2$, so $0\lt\dfrac{\tan^{-1}n}{n^{1.1}}\lt\dfrac{\pi/2}{n^{1.1}}$, and $\sum(\pi/2)/n^{1.1}$ is a convergent $p$-series ($p=1.1\gt1$), so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\tan^{-1}n}{n^{1.1}}$ converges.
- 양항급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$가 수렴하면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{n}$이 수렴함을 보이시오.
- 양항급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$가 수렴하면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n^2$이 수렴함을 보이시오.
- 양항급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$가 수렴하면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sin a_n$이 수렴함을 보이시오.
- 자연수 $n$에 대해 $a_n \gt 0$이고 $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n^2 a_n = 0$이면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴함을 보이시오.
증명.
(1) 모든 $n\geq1$에 대해 $1/n\leq1$이므로 $0\lt\dfrac{a_n}{n}\leq a_n$이다. $\sum a_n$이 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{a_n}{n}$도 수렴한다.
(2) $\sum a_n$이 수렴하므로 $a_n\to0$이고, 따라서 어떤 자연수 $N$이 있어 $n\geq N$이면 $0\lt a_n\lt1$이므로 $a_n^2\lt a_n$이다. $\sum_{n\geq N}a_n$이 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\sum_{n\geq N}a_n^2$이 수렴하고, 유한개의 항을 더해도 수렴성은 바뀌지 않으므로 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n^2$은 수렴한다.
(3) 모든 $x\geq0$에 대해 $\sin x\leq x$이다. $\sum a_n$이 수렴하므로 $a_n\to0$이고, 어떤 자연수 $N$이 있어 $n\geq N$이면 $0\lt a_n\lt\pi/2$이므로 $0\lt\sin a_n\leq a_n$이다. $\sum_{n\geq N}a_n$이 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\sum_{n\geq N}\sin a_n$이 수렴하고, 따라서 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\sin a_n$은 수렴한다.
(4) $\displaystyle\lim_{n\to\infty}n^2a_n=0$이므로 어떤 자연수 $N$이 있어 $n\geq N$이면 $n^2a_n\lt1$, 즉 $a_n\lt1/n^2$이다. $\sum 1/n^2$이 $p$-급수($p=2\gt1$)로 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\sum_{n\geq N}a_n$이 수렴하고, 따라서 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$은 수렴한다.
- Show that if the series of positive terms $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges, then $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{n}$ converges.
- Show that if the series of positive terms $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges, then $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n^2$ converges.
- Show that if the series of positive terms $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges, then $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sin a_n$ converges.
- Show that if $a_n \gt 0$ for every natural number $n$ and $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n^2 a_n = 0$, then $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges.
Proof.
(1) Since $1/n\leq1$ for all $n\geq1$, $0\lt\dfrac{a_n}{n}\leq a_n$. Since $\sum a_n$ converges, the Comparison Test shows $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{a_n}{n}$ converges as well.
(2) Since $\sum a_n$ converges, $a_n\to0$, so there is a natural number $N$ such that $0\lt a_n\lt1$, hence $a_n^2\lt a_n$, for all $n\geq N$. Since $\sum_{n\geq N}a_n$ converges, the Comparison Test gives convergence of $\sum_{n\geq N}a_n^2$, and adding finitely many terms does not affect convergence, so $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n^2$ converges.
(3) For all $x\geq0$, $\sin x\leq x$. Since $\sum a_n$ converges, $a_n\to0$, so there is a natural number $N$ such that $0\lt a_n\lt\pi/2$, hence $0\lt\sin a_n\leq a_n$, for all $n\geq N$. Since $\sum_{n\geq N}a_n$ converges, the Comparison Test gives convergence of $\sum_{n\geq N}\sin a_n$, so $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\sin a_n$ converges.
(4) Since $\displaystyle\lim_{n\to\infty}n^2a_n=0$, there is a natural number $N$ such that $n^2a_n\lt1$, i.e., $a_n\lt1/n^2$, for all $n\geq N$. Since $\sum 1/n^2$ is a convergent $p$-series ($p=2\gt1$), the Comparison Test gives convergence of $\sum_{n\geq N}a_n$, so $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$ converges.
$\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(\ln n)^q}{n^p}$가 수렴하도록 하는 $p$와 $q$의 범위를 구하시오. (단, $p, q \gt 0$)
풀이. $p\gt1$일 때: $\varepsilon=(p-1)/2\gt0$이라 하면, 로그의 증가율에 의해 $(\ln n)^q=o(n^\varepsilon)$이므로 충분히 큰 $n$에 대해 $(\ln n)^q\lt n^\varepsilon$이고, 따라서 $$\frac{(\ln n)^q}{n^p}\lt\frac{n^\varepsilon}{n^p}=\frac1{n^{p-\varepsilon}}, \qquad p-\varepsilon=\frac{p+1}{2}\gt1$$ 이다. $\sum 1/n^{p-\varepsilon}$이 $p$-급수로 수렴하므로 비교판정법에 의해 원래 급수도 수렴한다.
$p=1$일 때: $q\gt0$이므로 충분히 큰 $n$에 대해 $\ln n\gt1$, 즉 $(\ln n)^q\gt1$이다. 따라서 $\dfrac{(\ln n)^q}{n}\gt\dfrac1n$이고, $\sum 1/n$이 발산하므로 비교판정법에 의해 발산한다.
$0\lt p\lt1$일 때: 마찬가지로 충분히 큰 $n$에 대해 $(\ln n)^q\gt1$이므로 $\dfrac{(\ln n)^q}{n^p}\gt\dfrac1{n^p}$이고, $\sum 1/n^p$이 $p$-급수($p\lt1$)로 발산하므로 비교판정법에 의해 발산한다.
따라서 $p,q\gt0$인 범위에서 급수가 수렴하는 것은 $p\gt1$일 때뿐이며 ($q$의 값과 무관), $p\leq1$이면 항상 발산한다.
Find the range of $p$ and $q$ for which $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{(\ln n)^q}{n^p}$ converges. (Here $p, q \gt 0$.)
Solution. Case $p\gt1$: let $\varepsilon=(p-1)/2\gt0$. By the growth rate of the logarithm, $(\ln n)^q=o(n^\varepsilon)$, so for sufficiently large $n$, $(\ln n)^q\lt n^\varepsilon$, and hence $$\frac{(\ln n)^q}{n^p}\lt\frac{n^\varepsilon}{n^p}=\frac1{n^{p-\varepsilon}}, \qquad p-\varepsilon=\frac{p+1}{2}\gt1.$$ Since $\sum 1/n^{p-\varepsilon}$ is a convergent $p$-series, the Comparison Test shows the original series converges.
Case $p=1$: since $q\gt0$, for sufficiently large $n$, $\ln n\gt1$, i.e., $(\ln n)^q\gt1$. Hence $\dfrac{(\ln n)^q}{n}\gt\dfrac1n$, and since $\sum 1/n$ diverges, the Comparison Test shows this case diverges.
Case $0\lt p\lt1$: similarly $(\ln n)^q\gt1$ for sufficiently large $n$, so $\dfrac{(\ln n)^q}{n^p}\gt\dfrac1{n^p}$, and since $\sum 1/n^p$ is a divergent $p$-series ($p\lt1$), the Comparison Test shows this case diverges.
Therefore, among $p,q\gt0$, the series converges precisely when $p\gt1$ (regardless of $q$), and diverges whenever $p\leq1$.
소수 $0.d_1 d_2 d_3 \cdots := \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{d_n}{10^n}$으로 정의된다. 이 급수가 항상 수렴함을 보이시오.
증명. 각 $d_n$은 $0$부터 $9$까지의 숫자이므로 모든 $n$에 대해 $0\leq d_n\leq9$이고, 따라서 $$0\leq\frac{d_n}{10^n}\leq\frac{9}{10^n}$$ 이다. $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{9}{10^n}$은 공비 $1/10$인 등비급수로 $$\sum_{n=1}^\infty\frac{9}{10^n}=9\cdot\frac{1/10}{1-1/10}=1$$ 로 수렴한다. 따라서 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{d_n}{10^n}$은 (음이 아닌 항으로 이루어져 있으므로 절대) 항상 수렴한다.
A decimal $0.d_1 d_2 d_3 \cdots$ is defined by $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{d_n}{10^n}$. Show that this series always converges.
Proof. Each $d_n$ is a digit from $0$ to $9$, so $0\leq d_n\leq9$ for every $n$, and hence $$0\leq\frac{d_n}{10^n}\leq\frac{9}{10^n}.$$ The series $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{9}{10^n}$ is geometric with ratio $1/10$ and converges to $$\sum_{n=1}^\infty\frac{9}{10^n}=9\cdot\frac{1/10}{1-1/10}=1.$$ Hence by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{d_n}{10^n}$ (with nonnegative terms, so absolutely) always converges.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin n}{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n n^2 e^{-n}$
- $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \frac{2^n+5}{3^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n)!}{n!\,n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^2}{2^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n^3}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{1+n}\right)^n$
풀이.
(1) $\sum 1/n^2$이 수렴하므로 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac1{n^2}$은 절대수렴하고, 따라서 수렴한다.
(2) $|\sin n|\leq1$이므로 $\left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right|\leq\dfrac1{n^2}$이고, $\sum 1/n^2$이 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\sin n}{n^2}$은 절대수렴한다.
(3) $|a_n|=n^2e^{-n}$이라 하면 $$\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\left(\frac{n+1}{n}\right)^2e^{-1}\to\frac1e\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^nn^2e^{-n}$은 절대수렴한다.
(4) $a_n=\dfrac{2^n+5}{3^n}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac13\cdot\frac{2^{n+1}+5}{2^n+5}\to\frac13\cdot2=\frac23\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n+5}{3^n}$은 수렴한다.
(5) $a_n=\dfrac{(2n)!}{n!\,n!}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}\to4\gt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(2n)!}{n!\,n!}$은 발산한다.
(6) $a_n=\dfrac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{4(n+1)^2}{(2n+2)(2n+1)}=\frac{2(n+1)}{2n+1}=1+\frac1{2n+1}\gt1$$ 이 모든 $n\geq1$에서 성립하므로 $\{a_n\}$은 증가수열이고, $a_1=2$이므로 $a_n\geq2$이다. 따라서 $a_n\not\to0$이고, 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$은 발산한다.
(7) $a_n=n^2/2^n$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac12\left(\frac{n+1}n\right)^2\to\frac12\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2}{2^n}$은 수렴한다.
(8) $a_n=2^n/n^3$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=2\left(\frac{n}{n+1}\right)^3\to2\gt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2^n}{n^3}$은 발산한다.
(9) $\sqrt[n]{a_n}=\dfrac1{1+n}\to0\lt1$이므로 근판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(\frac1{1+n}\right)^n$은 수렴한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin n}{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n n^2 e^{-n}$
- $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \frac{2^n+5}{3^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n)!}{n!\,n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^2}{2^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n^3}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{1+n}\right)^n$
Solution.
(1) Since $\sum 1/n^2$ converges, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac1{n^2}$ converges absolutely, hence converges.
(2) Since $|\sin n|\leq1$, $\left|\dfrac{\sin n}{n^2}\right|\leq\dfrac1{n^2}$, and $\sum 1/n^2$ converges, so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{\sin n}{n^2}$ converges absolutely.
(3) Let $|a_n|=n^2e^{-n}$; then $$\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\left(\frac{n+1}{n}\right)^2e^{-1}\to\frac1e\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^nn^2e^{-n}$ converges absolutely.
(4) Let $a_n=\dfrac{2^n+5}{3^n}$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac13\cdot\frac{2^{n+1}+5}{2^n+5}\to\frac13\cdot2=\frac23\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{2^n+5}{3^n}$ converges.
(5) Let $a_n=\dfrac{(2n)!}{n!\,n!}$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}\to4\gt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(2n)!}{n!\,n!}$ diverges.
(6) Let $a_n=\dfrac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{4(n+1)^2}{(2n+2)(2n+1)}=\frac{2(n+1)}{2n+1}=1+\frac1{2n+1}\gt1$$ for every $n\geq1$, so $\{a_n\}$ is increasing, and since $a_1=2$, $a_n\geq2$ for all $n$. Hence $a_n\not\to0$, and by the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{4^n\,n!\,n!}{(2n)!}$ diverges.
(7) Let $a_n=n^2/2^n$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac12\left(\frac{n+1}n\right)^2\to\frac12\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^2}{2^n}$ converges.
(8) Let $a_n=2^n/n^3$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=2\left(\frac{n}{n+1}\right)^3\to2\gt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2^n}{n^3}$ diverges.
(9) Since $\sqrt[n]{a_n}=\dfrac1{1+n}\to0\lt1$, by the Root Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(\frac1{1+n}\right)^n$ converges.
아래와 같이 정의된 수열 $\{a_n\}$에 대해 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하는지 판정하시오.
$$a_n = \begin{cases} n/2^n & (n\text{은 홀수}) \\ 1/2^n & (n\text{은 짝수}) \end{cases}$$
풀이. 모든 $n\geq1$에 대해 $a_n\gt0$이고, $n$이 짝수이면 $a_n=1/2^n\leq n/2^n$이므로 항상 $$0\lt a_n\leq\frac{n}{2^n}$$ 이 성립한다. $b_n=n/2^n$이라 하면 $$\frac{b_{n+1}}{b_n}=\frac12\cdot\frac{n+1}n\to\frac12\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\sum n/2^n$은 수렴한다. 따라서 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$은 수렴한다.
Determine whether $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges for the sequence $\{a_n\}$ defined below.
$$a_n = \begin{cases} n/2^n & (n\text{ is odd}) \\ 1/2^n & (n\text{ is even}) \end{cases}$$
Solution. For all $n\geq1$, $a_n\gt0$, and when $n$ is even, $a_n=1/2^n\leq n/2^n$, so $$0\lt a_n\leq\frac{n}{2^n}$$ always holds. Let $b_n=n/2^n$; then $$\frac{b_{n+1}}{b_n}=\frac12\cdot\frac{n+1}n\to\frac12\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\sum n/2^n$ converges. Hence by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$ converges.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(n-1)!}{(n+1)^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(-\ln\left(e^2+\frac{1}{n}\right)\right)^{n+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left(1-\frac{1}{n}\right)^{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{e^n}{n^e}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{(n!)^n}{n^{n^2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(1-\frac{1}{3n}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^{n^2}}{n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1\cdot 3\cdot \cdots \cdot (2n-1)}{[2\cdot 4\cdot \cdots \cdot (2n)](3^n+1)}$
풀이.
(1) $a_n=\dfrac{(n-1)!}{(n+1)^2}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{n!/(n+2)^2}{(n-1)!/(n+1)^2}=n\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^2\to\infty$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(n-1)!}{(n+1)^2}$은 발산한다.
(2) $e^2+1/n\gt e^2$이므로 $\ln(e^2+1/n)\gt\ln(e^2)=2$이고, 따라서 $$\left|\left(-\ln\left(e^2+\frac1n\right)\right)^{n+1}\right|=\left(\ln\left(e^2+\frac1n\right)\right)^{n+1}\gt2^{n+1}\to\infty$$ 이다. 일반항의 절댓값이 $0$으로 수렴하지 않으므로 일반항판정법에 의해 발산한다.
(3) $|a_n|=\left(1-\dfrac1n\right)^{n^2}$이라 하면 $$\sqrt[n]{|a_n|}=\left(1-\frac1n\right)^n\to e^{-1}\lt1$$ 이므로 근판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\left(1-\frac1n\right)^{n^2}$은 절대수렴한다.
(4) $a_n=e^n/n^e$라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=e\left(\frac{n}{n+1}\right)^e\to e\gt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^n}{n^e}$은 발산한다.
(5) $|a_n|=\dfrac{(n!)^n}{n^{n^2}}=\left(\dfrac{n!}{n^n}\right)^n$이라 하면 $\dfrac{n!}{n^n}=\displaystyle\prod_{k=1}^n\frac kn\leq\frac1n\to0$이므로 $$\sqrt[n]{|a_n|}=\frac{n!}{n^n}\to0\lt1$$ 이고, 근판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{(n!)^n}{n^{n^2}}$은 절대수렴한다.
(6) $\left(1-\dfrac1{3n}\right)^n\to e^{-1/3}\neq0$이므로 일반항이 $0$으로 수렴하지 않고, 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(1-\frac1{3n}\right)^n$은 발산한다.
(7) $a_n=2^{n^2}/n!$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{2^{2n+1}}{n+1}\to\infty$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{n^2}}{n!}$은 발산한다.
(8) $c_n=\dfrac{1\cdot3\cdots(2n-1)}{2\cdot4\cdots(2n)}$이라 하면 $\dfrac{c_{n+1}}{c_n}=\dfrac{2n+1}{2n+2}\to1$이고, $a_n=\dfrac{c_n}{3^n+1}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{c_{n+1}}{c_n}\cdot\frac{3^n+1}{3^{n+1}+1}\to1\cdot\frac13=\frac13\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1\cdot3\cdots(2n-1)}{[2\cdot4\cdots(2n)](3^n+1)}$은 수렴한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(n-1)!}{(n+1)^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(-\ln\left(e^2+\frac{1}{n}\right)\right)^{n+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left(1-\frac{1}{n}\right)^{n^2}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{e^n}{n^e}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{(n!)^n}{n^{n^2}}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(1-\frac{1}{3n}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^{n^2}}{n!}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1\cdot 3\cdot \cdots \cdot (2n-1)}{[2\cdot 4\cdot \cdots \cdot (2n)](3^n+1)}$
Solution.
(1) Let $a_n=\dfrac{(n-1)!}{(n+1)^2}$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{n!/(n+2)^2}{(n-1)!/(n+1)^2}=n\left(\frac{n+1}{n+2}\right)^2\to\infty,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(n-1)!}{(n+1)^2}$ diverges.
(2) Since $e^2+1/n\gt e^2$, $\ln(e^2+1/n)\gt\ln(e^2)=2$, so $$\left|\left(-\ln\left(e^2+\frac1n\right)\right)^{n+1}\right|=\left(\ln\left(e^2+\frac1n\right)\right)^{n+1}\gt2^{n+1}\to\infty.$$ Since the magnitude of the general term does not converge to $0$, the Divergence Test shows the series diverges.
(3) Let $|a_n|=\left(1-\dfrac1n\right)^{n^2}$; then $$\sqrt[n]{|a_n|}=\left(1-\frac1n\right)^n\to e^{-1}\lt1,$$ so by the Root Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\left(1-\frac1n\right)^{n^2}$ converges absolutely.
(4) Let $a_n=e^n/n^e$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=e\left(\frac{n}{n+1}\right)^e\to e\gt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{e^n}{n^e}$ diverges.
(5) Let $|a_n|=\dfrac{(n!)^n}{n^{n^2}}=\left(\dfrac{n!}{n^n}\right)^n$. Since $\dfrac{n!}{n^n}=\displaystyle\prod_{k=1}^n\frac kn\leq\frac1n\to0$, $$\sqrt[n]{|a_n|}=\frac{n!}{n^n}\to0\lt1,$$ so by the Root Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{(n!)^n}{n^{n^2}}$ converges absolutely.
(6) Since $\left(1-\dfrac1{3n}\right)^n\to e^{-1/3}\neq0$, the general term does not converge to $0$, so by the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(1-\frac1{3n}\right)^n$ diverges.
(7) Let $a_n=2^{n^2}/n!$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{2^{2n+1}}{n+1}\to\infty,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{2^{n^2}}{n!}$ diverges.
(8) Let $c_n=\dfrac{1\cdot3\cdots(2n-1)}{2\cdot4\cdots(2n)}$; then $\dfrac{c_{n+1}}{c_n}=\dfrac{2n+1}{2n+2}\to1$. Letting $a_n=\dfrac{c_n}{3^n+1}$, $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{c_{n+1}}{c_n}\cdot\frac{3^n+1}{3^{n+1}+1}\to1\cdot\frac13=\frac13\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1\cdot3\cdots(2n-1)}{[2\cdot4\cdots(2n)](3^n+1)}$ converges.
수열 $\{a_n\}$에 대해 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하는지 판정하시오.
- $a_{n+1} = \dfrac{1+\tan^{-1} n}{n}\, a_n$, $\ a_1 = 1$
- $a_{n+1} = \sqrt[n]{a_n}$, $\ a_1 = \dfrac{1}{3}$
풀이.
(1) 모든 항이 양수이고 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{1+\tan^{-1}n}{n}\to0\lt1$$ 이다 ($\tan^{-1}n\to\pi/2$로 유계이고 분모가 $\infty$로 발산하므로). 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$은 수렴한다.
(2) $\ln a_{n+1}=\dfrac1n\ln a_n$이므로 반복 적용하면 $$\ln a_{n+1}=\frac1n\cdot\frac1{n-1}\cdots\frac11\ln a_1=\frac1{n!}\ln\frac13=\frac{-\ln3}{n!}$$ 이다. $n\to\infty$이면 $\dfrac{-\ln3}{n!}\to0$이므로 $\ln a_{n+1}\to0$, 즉 $a_n\to e^0=1\neq0$이다. 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$은 발산한다.
Determine whether $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges for the sequence $\{a_n\}$.
- $a_{n+1} = \dfrac{1+\tan^{-1} n}{n}\, a_n$, $\ a_1 = 1$
- $a_{n+1} = \sqrt[n]{a_n}$, $\ a_1 = \dfrac{1}{3}$
Solution.
(1) All terms are positive, and $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{1+\tan^{-1}n}{n}\to0\lt1$$ (since $\tan^{-1}n\to\pi/2$ is bounded while the denominator diverges to $\infty$). By the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$ converges.
(2) Since $\ln a_{n+1}=\dfrac1n\ln a_n$, iterating gives $$\ln a_{n+1}=\frac1n\cdot\frac1{n-1}\cdots\frac11\ln a_1=\frac1{n!}\ln\frac13=\frac{-\ln3}{n!}.$$ As $n\to\infty$, $\dfrac{-\ln3}{n!}\to0$, so $\ln a_{n+1}\to0$, i.e., $a_n\to e^0=1\neq0$. By the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n$ diverges.
각 항이 양수인 수열 $\{b_n\}$이 $\dfrac{4}{5}$로 수렴할 때 다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n^{1/n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{5}{4}\right)^n b_n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1000^n}{n!+b_n}$
풀이.
(1) $b_n\to4/5$이므로 $\ln b_n$은 $\ln(4/5)$로 수렴하여 유계이고, 따라서 $$b_n^{1/n}=e^{(\ln b_n)/n}\to e^0=1\neq0$$ 이다. 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty b_n^{1/n}$은 발산한다.
(2) $$\sqrt[n]{\left(\frac54\right)^nb_n}=\frac54\cdot b_n^{1/n}\to\frac54\cdot1=\frac54\gt1$$ 이므로 근판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(\frac54\right)^nb_n$은 발산한다.
(3) $b_n\gt0$이므로 $n!+b_n\gt n!$이고, 따라서 $$0\lt\frac{1000^n}{n!+b_n}\lt\frac{1000^n}{n!}$$ 이다. $a_n=1000^n/n!$이라 하면 $\dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{1000}{n+1}\to0\lt1$이므로 비판정법에 의해 $\sum 1000^n/n!$은 수렴하고, 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1000^n}{n!+b_n}$도 수렴한다.
Suppose the sequence $\{b_n\}$, all of whose terms are positive, converges to $\dfrac{4}{5}$. Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n^{1/n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{5}{4}\right)^n b_n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1000^n}{n!+b_n}$
Solution.
(1) Since $b_n\to4/5$, $\ln b_n$ converges to $\ln(4/5)$, hence is bounded, so $$b_n^{1/n}=e^{(\ln b_n)/n}\to e^0=1\neq0.$$ By the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty b_n^{1/n}$ diverges.
(2) Since $$\sqrt[n]{\left(\frac54\right)^nb_n}=\frac54\cdot b_n^{1/n}\to\frac54\cdot1=\frac54\gt1,$$ by the Root Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left(\frac54\right)^nb_n$ diverges.
(3) Since $b_n\gt0$, $n!+b_n\gt n!$, so $$0\lt\frac{1000^n}{n!+b_n}\lt\frac{1000^n}{n!}.$$ Let $a_n=1000^n/n!$; then $\dfrac{a_{n+1}}{a_n}=\dfrac{1000}{n+1}\to0\lt1$, so by the Ratio Test, $\sum 1000^n/n!$ converges, and by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{1000^n}{n!+b_n}$ converges as well.
각 항이 양수인 수열 $\{b_n\}$이 $\dfrac{1}{3}$으로 수렴할 때 다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{b_{n+1} b_n}{n\,4^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^n}{n!\,b_1^2 b_2^2 \cdots b_n^2}$
풀이.
(1) $b_n\to1/3$이므로 $\{b_n\}$은 수렴하는 수열이라 유계이고, 어떤 $M\gt0$이 있어 모든 $n$에 대해 $0\lt b_n\leq M$이다. 따라서 $$0\lt\frac{b_{n+1}b_n}{n\cdot4^n}\leq\frac{M^2}{n\cdot4^n}\leq\frac{M^2}{4^n}$$ 이고, $\sum M^2/4^n$은 공비 $1/4$인 등비급수로 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{b_{n+1}b_n}{n\cdot4^n}$은 수렴한다.
(2) $a_n=\dfrac{n^n}{n!\,b_1^2b_2^2\cdots b_n^2}$이라 하면 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{(n+1)^{n+1}/[(n+1)!\prod_{k=1}^{n+1}b_k^2]}{n^n/[n!\prod_{k=1}^nb_k^2]}=\left(\frac{n+1}n\right)^n\cdot\frac1{b_{n+1}^2}=\left(1+\frac1n\right)^n\cdot\frac1{b_{n+1}^2}$$ 이다. $n\to\infty$이면 $(1+1/n)^n\to e$이고 $b_{n+1}\to1/3$이므로 $1/b_{n+1}^2\to9$이다. 따라서 $$\frac{a_{n+1}}{a_n}\to9e\gt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^n}{n!\,b_1^2b_2^2\cdots b_n^2}$은 발산한다.
Suppose the sequence $\{b_n\}$, all of whose terms are positive, converges to $\dfrac{1}{3}$. Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{b_{n+1} b_n}{n\,4^n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^n}{n!\,b_1^2 b_2^2 \cdots b_n^2}$
Solution.
(1) Since $b_n\to1/3$, the sequence $\{b_n\}$ is convergent, hence bounded: there is $M\gt0$ with $0\lt b_n\leq M$ for all $n$. Hence $$0\lt\frac{b_{n+1}b_n}{n\cdot4^n}\leq\frac{M^2}{n\cdot4^n}\leq\frac{M^2}{4^n},$$ and $\sum M^2/4^n$ is a convergent geometric series with ratio $1/4$, so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{b_{n+1}b_n}{n\cdot4^n}$ converges.
(2) Let $a_n=\dfrac{n^n}{n!\,b_1^2b_2^2\cdots b_n^2}$; then $$\frac{a_{n+1}}{a_n}=\frac{(n+1)^{n+1}/[(n+1)!\prod_{k=1}^{n+1}b_k^2]}{n^n/[n!\prod_{k=1}^nb_k^2]}=\left(\frac{n+1}n\right)^n\cdot\frac1{b_{n+1}^2}=\left(1+\frac1n\right)^n\cdot\frac1{b_{n+1}^2}.$$ As $n\to\infty$, $(1+1/n)^n\to e$ and $b_{n+1}\to1/3$, so $1/b_{n+1}^2\to9$. Hence $$\frac{a_{n+1}}{a_n}\to9e\gt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{n^n}{n!\,b_1^2b_2^2\cdots b_n^2}$ diverges.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{10n}{n^2+16}$
풀이.
(1) $c_n=1/n$이라 하면 $c_n\gt0$, $c_{n+1}\lt c_n$, $c_n\to0$이므로 교대급수판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac1n$은 수렴한다. 한편 $\sum 1/n$은 조화급수로 발산하므로 절대수렴하지 않고, 따라서 이 급수는 조건수렴한다.
(2) $c_n=\dfrac{10n}{n^2+16}$이라 하면 $c_n\gt0$이고 $c_n\to0$이다. $f(x)=\dfrac{10x}{x^2+16}$의 도함수는 $$f'(x)=\frac{10(16-x^2)}{(x^2+16)^2}$$ 이므로 $x\gt4$에서 $f'(x)\lt0$, 즉 $c_n$은 $n\geq5$부터 단조감소한다. 교대급수판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{10n}{n^2+16}$은 수렴한다. 한편 $$\lim_{n\to\infty}\frac{10n/(n^2+16)}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{10n^2}{n^2+16}=10$$ 이므로 극한비교판정법에 의해 $\sum c_n$은 조화급수와 같이 발산하고, 이 급수는 절대수렴하지 않으므로 조건수렴한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{10n}{n^2+16}$
Solution.
(1) Let $c_n=1/n$; then $c_n\gt0$, $c_{n+1}\lt c_n$, and $c_n\to0$, so by the Alternating Series Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac1n$ converges. Since $\sum 1/n$ is the divergent harmonic series, this is not absolutely convergent, so the series is conditionally convergent.
(2) Let $c_n=\dfrac{10n}{n^2+16}$; then $c_n\gt0$ and $c_n\to0$. Since $f(x)=\dfrac{10x}{x^2+16}$ has derivative $$f'(x)=\frac{10(16-x^2)}{(x^2+16)^2},$$ $f'(x)\lt0$ for $x\gt4$, so $c_n$ is monotonically decreasing from $n=5$ onward. By the Alternating Series Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{10n}{n^2+16}$ converges. Meanwhile, $$\lim_{n\to\infty}\frac{10n/(n^2+16)}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{10n^2}{n^2+16}=10,$$ so by the Limit Comparison Test, $\sum c_n$ diverges like the harmonic series, so this series is not absolutely convergent, and is therefore conditionally convergent.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \left(\frac{n}{10}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{\ln n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{3\sqrt{n}+1}{\sqrt{n}+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} (-1)^n \frac{\ln n}{n}$
풀이.
(1) $n\to\infty$일 때 $(n/10)^n\to\infty$이므로 일반항이 $0$으로 수렴하지 않는다. 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\left(\frac{n}{10}\right)^n$은 발산한다.
(2) $c_n=1/\ln n$이라 하면 $n\geq2$에서 $c_n\gt0$이고, $\ln n$이 증가하므로 $c_n$은 감소하며 $c_n\to0$이다. 교대급수판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n+1}\frac1{\ln n}$은 수렴한다. $\ln n\lt n$이므로 $1/\ln n\gt1/n$이고 $\sum1/n$이 발산하므로 비교판정법에 의해 절대수렴하지 않는다. 따라서 이 급수는 조건수렴한다.
(3) $n\to\infty$일 때 $$\left|(-1)^{n+1}\frac{3\sqrt n+1}{\sqrt n+1}\right|=\frac{3+1/\sqrt n}{1+1/\sqrt n}\to3\neq0$$ 이므로 일반항이 $0$으로 수렴하지 않는다. 일반항판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac{3\sqrt n+1}{\sqrt n+1}$은 발산한다.
(4) $c_n=\ln n/n$이라 하면 $f(x)=(\ln x)/x$의 도함수는 $f'(x)=\dfrac{1-\ln x}{x^2}$이므로 $x\gt e$에서 $f'(x)\lt0$이고, 따라서 $c_n$은 $n\geq3$부터 단조감소하며 $c_n\to0$이다. 교대급수판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty(-1)^n\frac{\ln n}{n}$은 수렴한다. $n\geq3$에서 $\ln n\gt1$이므로 $c_n\gt1/n$이고 $\sum1/n$이 발산하므로 비교판정법에 의해 절대수렴하지 않는다. 따라서 이 급수는 조건수렴한다.
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \left(\frac{n}{10}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{1}{\ln n}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{3\sqrt{n}+1}{\sqrt{n}+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} (-1)^n \frac{\ln n}{n}$
Solution.
(1) As $n\to\infty$, $(n/10)^n\to\infty$, so the general term does not converge to $0$. By the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\left(\frac{n}{10}\right)^n$ diverges.
(2) Let $c_n=1/\ln n$; then $c_n\gt0$ for $n\geq2$, and since $\ln n$ increases, $c_n$ decreases, with $c_n\to0$. By the Alternating Series Test, $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n+1}\frac1{\ln n}$ converges. Since $\ln n\lt n$, $1/\ln n\gt1/n$, and $\sum1/n$ diverges, so by the Comparison Test this series is not absolutely convergent. Hence it is conditionally convergent.
(3) As $n\to\infty$, $$\left|(-1)^{n+1}\frac{3\sqrt n+1}{\sqrt n+1}\right|=\frac{3+1/\sqrt n}{1+1/\sqrt n}\to3\neq0,$$ so the general term does not converge to $0$. By the Divergence Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}\frac{3\sqrt n+1}{\sqrt n+1}$ diverges.
(4) Let $c_n=\ln n/n$. Since $f(x)=(\ln x)/x$ has derivative $f'(x)=\dfrac{1-\ln x}{x^2}$, $f'(x)\lt0$ for $x\gt e$, so $c_n$ is monotonically decreasing from $n=3$ onward, with $c_n\to0$. By the Alternating Series Test, $\displaystyle\sum_{n=2}^\infty(-1)^n\frac{\ln n}{n}$ converges. For $n\geq3$, $\ln n\gt1$, so $c_n\gt1/n$, and $\sum1/n$ diverges, so by the Comparison Test this series is not absolutely convergent. Hence it is conditionally convergent.
다음 급수의 절대수렴 여부와 조건수렴 여부를 조사하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{\tan^{-1} n}{n^2+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-100)^n}{n!}$
풀이.
(1) $0\lt\tan^{-1}n\lt\pi/2$이므로 $$\left|(-1)^n\frac{\tan^{-1}n}{n^2+1}\right|\lt\frac{\pi/2}{n^2+1}\lt\frac{\pi/2}{n^2}$$ 이고 $\sum(\pi/2)/n^2$이 수렴하므로 비교판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{\tan^{-1}n}{n^2+1}$은 절대수렴한다.
(2) $|a_n|=100^n/n!$이라 하면 $$\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\frac{100}{n+1}\to0\lt1$$ 이므로 비판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-100)^n}{n!}$은 절대수렴한다.
Investigate the absolute and conditional convergence of the following series.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{\tan^{-1} n}{n^2+1}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-100)^n}{n!}$
Solution.
(1) Since $0\lt\tan^{-1}n\lt\pi/2$, $$\left|(-1)^n\frac{\tan^{-1}n}{n^2+1}\right|\lt\frac{\pi/2}{n^2+1}\lt\frac{\pi/2}{n^2},$$ and $\sum(\pi/2)/n^2$ converges, so by the Comparison Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{\tan^{-1}n}{n^2+1}$ converges absolutely.
(2) Let $|a_n|=100^n/n!$; then $$\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\frac{100}{n+1}\to0\lt1,$$ so by the Ratio Test, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-100)^n}{n!}$ converges absolutely.
급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n^p}$의 절대수렴 여부와 조건수렴 여부를 조사하시오. (단, $p \gt 0$)
풀이. $\sum 1/n^p$는 $p$-급수로 $p\gt1$일 때 수렴하고 $0\lt p\leq1$일 때 발산한다.
$p\gt1$일 때: $\sum1/n^p$이 수렴하므로 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}}{n^p}$은 절대수렴한다.
$0\lt p\leq1$일 때: $c_n=1/n^p$이라 하면 $c_n\gt0$이고, $p\gt0$이므로 $c_n$은 단조감소하며 $c_n\to0$이다. 교대급수판정법에 의해 급수는 수렴한다. 그런데 $\sum1/n^p$은 $p\leq1$이므로 발산하여 절대수렴하지 않는다. 따라서 이 경우 급수는 조건수렴한다.
Investigate the absolute and conditional convergence of the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n^p}$. (Here $p \gt 0$.)
Solution. $\sum 1/n^p$ is a $p$-series, convergent for $p\gt1$ and divergent for $0\lt p\leq1$.
For $p\gt1$: since $\sum1/n^p$ converges, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n-1}}{n^p}$ converges absolutely.
For $0\lt p\leq1$: let $c_n=1/n^p$; then $c_n\gt0$, and since $p\gt0$, $c_n$ is monotonically decreasing with $c_n\to0$. By the Alternating Series Test, the series converges. But $\sum1/n^p$ diverges since $p\leq1$, so it is not absolutely convergent. Hence in this case the series is conditionally convergent.
- 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$가 절대수렴하면 $\left| \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n \right| \leq \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} |a_n|$임을 보이시오.
- 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n$이 절대수렴하면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n+b_n)$, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n-b_n)$, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} k a_n$도 절대수렴함을 보이시오. (단, $k$는 상수)
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n$이 수렴하지만 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n$은 발산하는 예시를 하나 찾으시오.
증명.
(1) 각 부분합에 삼각부등식을 적용하면 $$\left|\sum_{n=1}^Na_n\right|\leq\sum_{n=1}^N|a_n|$$ 이다. $\sum a_n$이 절대수렴하므로 좌변은 $N\to\infty$일 때 $\left|\sum_{n=1}^\infty a_n\right|$로, 우변은 $\sum_{n=1}^\infty|a_n|$로 수렴하고, 부등식은 극한에서도 유지되므로 $$\left|\sum_{n=1}^\infty a_n\right|\leq\sum_{n=1}^\infty|a_n|$$ 이다.
(2) 삼각부등식에 의해 $|a_n+b_n|\leq|a_n|+|b_n|$이고 $|a_n-b_n|\leq|a_n|+|b_n|$이다. $\sum|a_n|$, $\sum|b_n|$이 수렴하므로 $\sum(|a_n|+|b_n|)$도 수렴하고, 비교판정법에 의해 $\sum|a_n+b_n|$, $\sum|a_n-b_n|$이 수렴한다. 즉 $\sum(a_n+b_n)$, $\sum(a_n-b_n)$은 절대수렴한다. 또한 $|ka_n|=|k||a_n|$이고 $\sum|k||a_n|=|k|\sum|a_n|$이 수렴하므로 $\sum ka_n$도 절대수렴한다.
(3) $a_n=b_n=\dfrac{(-1)^n}{\sqrt n}$이라 하자. $c_n=1/\sqrt n$은 양수, 단조감소, $c_n\to0$이므로 교대급수판정법에 의해 $\sum a_n$, $\sum b_n$은 모두 수렴한다. 그러나 $$a_nb_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt n}\cdot\frac{(-1)^n}{\sqrt n}=\frac1n$$ 이므로 $\sum a_nb_n=\sum1/n$은 조화급수로 발산한다. 따라서 이 $\{a_n\}$, $\{b_n\}$이 원하는 예시이다.
- Show that if the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges absolutely, then $\left| \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n \right| \leq \displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} |a_n|$.
- Show that if the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ and $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ converge absolutely, then $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n+b_n)$, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n-b_n)$, and $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} k a_n$ also converge absolutely. (Here $k$ is a constant.)
- Find an example in which $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ and $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ converge but $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n$ diverges.
Proof.
(1) Applying the triangle inequality to each partial sum, $$\left|\sum_{n=1}^Na_n\right|\leq\sum_{n=1}^N|a_n|.$$ Since $\sum a_n$ converges absolutely, the left side converges to $\left|\sum_{n=1}^\infty a_n\right|$ and the right side to $\sum_{n=1}^\infty|a_n|$ as $N\to\infty$, and the inequality is preserved in the limit, giving $$\left|\sum_{n=1}^\infty a_n\right|\leq\sum_{n=1}^\infty|a_n|.$$
(2) By the triangle inequality, $|a_n+b_n|\leq|a_n|+|b_n|$ and $|a_n-b_n|\leq|a_n|+|b_n|$. Since $\sum|a_n|$ and $\sum|b_n|$ converge, $\sum(|a_n|+|b_n|)$ converges as well, and by the Comparison Test $\sum|a_n+b_n|$ and $\sum|a_n-b_n|$ converge. That is, $\sum(a_n+b_n)$ and $\sum(a_n-b_n)$ converge absolutely. Also $|ka_n|=|k||a_n|$ and $\sum|k||a_n|=|k|\sum|a_n|$ converges, so $\sum ka_n$ converges absolutely too.
(3) Let $a_n=b_n=\dfrac{(-1)^n}{\sqrt n}$. Since $c_n=1/\sqrt n$ is positive, monotonically decreasing, and $c_n\to0$, the Alternating Series Test shows $\sum a_n$ and $\sum b_n$ both converge. However, $$a_nb_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt n}\cdot\frac{(-1)^n}{\sqrt n}=\frac1n,$$ so $\sum a_nb_n=\sum1/n$ is the divergent harmonic series. Hence this $\{a_n\}$, $\{b_n\}$ is the desired example.
급수 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{1}{2^n}$를 $\displaystyle\sum_{n=0}^{8} (-1)^n \frac{1}{2^n}$으로 근사했을 때 오차의 한계를 구하시오.
풀이. $c_n=1/2^n$은 양수, 단조감소, $c_n\to0$이므로 교대급수판정법의 오차 추정에 의해 부분합 $\displaystyle\sum_{n=0}^{8}(-1)^n\frac1{2^n}$의 오차는 생략된 첫 항의 크기를 넘지 않는다. 즉 $$\left|\sum_{n=0}^\infty(-1)^n\frac1{2^n} - \sum_{n=0}^8(-1)^n\frac1{2^n}\right|\leq\frac1{2^9}=\frac1{512}$$ 이므로 오차의 한계는 $\dfrac1{512}$이다.
Find the error bound when the series $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{1}{2^n}$ is approximated by $\displaystyle\sum_{n=0}^{8} (-1)^n \frac{1}{2^n}$.
Solution. Since $c_n=1/2^n$ is positive, monotonically decreasing, and $c_n\to0$, the error estimate for the Alternating Series Test shows that the error of the partial sum $\displaystyle\sum_{n=0}^{8}(-1)^n\frac1{2^n}$ does not exceed the magnitude of the first omitted term. That is, $$\left|\sum_{n=0}^\infty(-1)^n\frac1{2^n} - \sum_{n=0}^8(-1)^n\frac1{2^n}\right|\leq\frac1{2^9}=\frac1{512},$$ so the error bound is $\dfrac1{512}$.
급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{1}{n^2+3}$를 부분합으로 0.001보다 작은 오차를 갖도록 근사할 때 몇 번째 항까지 계산해야 하는지 제시하시오.
풀이. $c_n=\dfrac1{n^2+3}$은 양수, 단조감소, $c_n\to0$이므로 교대급수판정법의 오차 추정에 의해 $N$항까지의 부분합의 오차는 $c_{N+1}=\dfrac1{(N+1)^2+3}$을 넘지 않는다. 오차가 $0.001$보다 작으려면 $$\frac1{(N+1)^2+3}\lt0.001 \iff (N+1)^2\gt997 \iff N+1\gt\sqrt{997}\approx31.58$$ 이어야 하므로 $N+1\geq32$, 즉 $N\geq31$이다. 실제로 $N=31$이면 $c_{32}=\dfrac1{32^2+3}=\dfrac1{1027}\lt0.001$로 조건을 만족하지만, $N=30$이면 $c_{31}=\dfrac1{31^2+3}=\dfrac1{964}\gt0.001$로 이 오차 한계로는 조건을 만족시키지 못한다. 따라서 제31항까지 계산해야 한다.
State up to which term must be computed so that the partial sum of $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{1}{n^2+3}$ approximates the series with an error less than 0.001.
Solution. Since $c_n=\dfrac1{n^2+3}$ is positive, monotonically decreasing, and $c_n\to0$, the error estimate for the Alternating Series Test shows that the error of the partial sum through the $N$th term does not exceed $c_{N+1}=\dfrac1{(N+1)^2+3}$. For the error to be less than $0.001$, $$\frac1{(N+1)^2+3}\lt0.001 \iff (N+1)^2\gt997 \iff N+1\gt\sqrt{997}\approx31.58,$$ so $N+1\geq32$, i.e., $N\geq31$. Indeed, for $N=31$, $c_{32}=\dfrac1{32^2+3}=\dfrac1{1027}\lt0.001$, satisfying the condition, while for $N=30$, $c_{31}=\dfrac1{31^2+3}=\dfrac1{964}\gt0.001$, which fails to satisfy the condition via this error bound. Hence terms must be computed up to the 31st term.
수열 $a_n = \dfrac{(-1)^{n+1}}{n}$에 대해 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n = L$이라 하자.
수열 $\{2a_n\}$의 적당한 재배열 $\{b_n\}$이 있어 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n = L$임을 보이시오.
증명. $a_n=(-1)^{n+1}/n$은 $n$이 홀수이면 $1/n\gt0$, 짝수이면 $-1/n\lt0$이다. $2a_n$의 양의 항들을 순서대로 $p_1,p_2,p_3,\ldots$ ($p_k=2/(2k-1)$), 음의 항들을 순서대로 $q_1,q_2,q_3,\ldots$ ($q_k=-2/(2k)=-1/k$)라 하자.
$\displaystyle\sum_{k=1}^\infty p_k=\sum_{k=1}^\infty\frac2{2k-1}$과 $\displaystyle\sum_{k=1}^\infty|q_k|=\sum_{k=1}^\infty\frac1k$은 각각 조화급수와 비교하여 발산하므로(극한비교판정법으로 확인 가능) 양의 항들의 합은 $+\infty$, 음의 항들의 합은 $-\infty$이다. 또한 $p_k\to0$, $q_k\to0$이다.
이제 재배열 $\{b_n\}$을 다음과 같이 구성한다. 부분합이 처음으로 $L$을 넘어설 때까지 $p_1,p_2,\ldots$를 순서대로 택하고, 그 다음 부분합이 처음으로 $L$ 아래로 내려갈 때까지 아직 쓰이지 않은 $q_1,q_2,\ldots$를 순서대로 택하며, 이를 번갈아 반복한다. $\sum p_k=\infty$, $\sum q_k=-\infty$이므로 이 과정은 각 단계에서 항상 계속될 수 있고, 모든 $p_k$, $q_k$가 결국 재배열에 포함된다.
이렇게 구성된 부분합은 각 전환 시점마다 그 직전 값과 마지막으로 추가한 항 $p_k$ 또는 $q_k$ 사이의 거리만큼만 $L$에서 벗어난다. $p_k\to0$, $q_k\to0$이므로, 임의의 $\varepsilon\gt0$에 대해 충분히 뒤의 전환부터는 그 오차가 $\varepsilon$보다 작아진다. 따라서 재배열 $\{b_n\}$의 부분합은 $L$로 수렴하며, $\{2a_n\}$의 모든 항이 정확히 한 번씩 나타나므로 $\{b_n\}$은 $\{2a_n\}$의 재배열이다. 즉 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty b_n=L$이다.
Let $a_n = \dfrac{(-1)^{n+1}}{n}$ and suppose $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n = L$.
Show that there is a rearrangement $\{b_n\}$ of $\{2a_n\}$ such that $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_n = L$.
Proof. $a_n=(-1)^{n+1}/n$ is $1/n\gt0$ when $n$ is odd and $-1/n\lt0$ when $n$ is even. Let $p_1,p_2,p_3,\ldots$ ($p_k=2/(2k-1)$) denote the positive terms of $\{2a_n\}$ in order, and $q_1,q_2,q_3,\ldots$ ($q_k=-2/(2k)=-1/k$) the negative terms in order.
Both $\displaystyle\sum_{k=1}^\infty p_k=\sum_{k=1}^\infty\frac2{2k-1}$ and $\displaystyle\sum_{k=1}^\infty|q_k|=\sum_{k=1}^\infty\frac1k$ diverge by comparison with the harmonic series (verifiable by the Limit Comparison Test), so the sum of the positive terms is $+\infty$ and the sum of the negative terms is $-\infty$. Also $p_k\to0$ and $q_k\to0$.
Now construct a rearrangement $\{b_n\}$ as follows. Take $p_1,p_2,\ldots$ in order until the partial sum first exceeds $L$; then take unused terms $q_1,q_2,\ldots$ in order until the partial sum first falls below $L$; and repeat this alternation. Since $\sum p_k=\infty$ and $\sum q_k=-\infty$, this process can always continue at each stage, and every $p_k$ and $q_k$ is eventually included in the rearrangement.
At each switch, the partial sum deviates from $L$ by at most the size of the last term $p_k$ or $q_k$ added. Since $p_k\to0$ and $q_k\to0$, for any $\varepsilon\gt0$ this deviation is eventually less than $\varepsilon$ from some switch onward. Hence the partial sums of $\{b_n\}$ converge to $L$, and since every term of $\{2a_n\}$ appears exactly once, $\{b_n\}$ is a rearrangement of $\{2a_n\}$. That is, $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty b_n=L$.
아래와 같이 정의된 수열 $\{a_n\}$에 대해 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n$의 값을 구하시오. (단, $k$는 자연수)
$$a_n = \begin{cases} \left(\dfrac{1}{3}\right)^k & (n = 2k-1) \\[6pt] \left(\dfrac{1}{2}\right)^k & (n = 2k) \end{cases}$$
풀이. $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty|a_n|=\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k+\sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k=\frac12+1=\frac32\lt\infty$이므로 $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n$은 절대수렴하고, 따라서 항의 순서를 재배열·재그룹화하여 계산해도 값이 변하지 않는다.
$n$이 홀수($n=2k-1$)이면 $(-1)^{n+1}=1$이고, $n$이 짝수($n=2k$)이면 $(-1)^{n+1}=-1$이므로 $$\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n=\sum_{k=1}^\infty a_{2k-1}-\sum_{k=1}^\infty a_{2k}=\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k-\sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k$$ 이다. 두 급수는 각각 등비급수이므로 $$\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k=\frac{1/3}{1-1/3}=\frac12, \qquad \sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k=\frac{1/2}{1-1/2}=1$$ 이고, 따라서 $$\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n=\frac12-1=-\frac12$$ 이다.
Find the value of $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n$ for the sequence $\{a_n\}$ defined below. (Here $k$ is a natural number.)
$$a_n = \begin{cases} \left(\dfrac{1}{3}\right)^k & (n = 2k-1) \\[6pt] \left(\dfrac{1}{2}\right)^k & (n = 2k) \end{cases}$$
Solution. Since $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty|a_n|=\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k+\sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k=\frac12+1=\frac32\lt\infty$, the series $\displaystyle\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n$ converges absolutely, so its value is unchanged under rearrangement or regrouping of terms.
When $n$ is odd ($n=2k-1$), $(-1)^{n+1}=1$, and when $n$ is even ($n=2k$), $(-1)^{n+1}=-1$, so $$\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n=\sum_{k=1}^\infty a_{2k-1}-\sum_{k=1}^\infty a_{2k}=\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k-\sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k.$$ Both are geometric series: $$\sum_{k=1}^\infty\left(\frac13\right)^k=\frac{1/3}{1-1/3}=\frac12, \qquad \sum_{k=1}^\infty\left(\frac12\right)^k=\frac{1/2}{1-1/2}=1,$$ so $$\sum_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_n=\frac12-1=-\frac12.$$
문제 · Problems
- $y = \dfrac{1}{x}$의 그래프를 이용하여 모든 자연수 $n$에 대해 다음 부등식이 성립함을 보이시오.
$$\ln(n+1) \leq 1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n} \leq 1 + \ln n$$
(Hint. 적분판정법의 증명과정을 참고할 것)
- 수열 $a_n = 1 + \dfrac{1}{2} + \cdots + \dfrac{1}{n} - \ln n$이 수렴함을 보이시오. 이때 극한값은 $\gamma = 0.5772\ldots$이고 오일러 상수(Euler's constant)라 한다.
- Using the graph of $y = \dfrac{1}{x}$, show that the following inequality holds for every natural number $n$.
$$\ln(n+1) \leq 1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n} \leq 1 + \ln n$$
(Hint. Refer to the proof of the Integral Test.)
- Show that the sequence $a_n = 1 + \dfrac{1}{2} + \cdots + \dfrac{1}{n} - \ln n$ converges. The limit value is $\gamma = 0.5772\ldots$, called the Euler's constant.
- 각 항이 양수인 수열 $\{a_n\}$이 단조감소한다고 하자. 이때 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴할 필요충분조건은 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} 2^n a_{2^n}$이 수렴하는 것임을 보이시오.
- 코시 응집 판정법을 이용해 $p$-급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}$의 수렴 여부를 판정하시오.
- Let $\{a_n\}$ be a monotonically decreasing sequence with positive terms. Show that $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges if and only if $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} 2^n a_{2^n}$ converges.
- Using the Cauchy condensation test, determine whether the $p$-series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}$ converges.
- 각 항이 양수인 수열 $\{a_n\}$에 대해 상수 $C$와 유계수열 $\{b_n\}$이 있어
$$\frac{a_n}{a_{n+1}} = 1 + \frac{C}{n} + \frac{b_n}{n^2}$$
가 성립한다고 하자. $C \gt 1$이면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하고 $C \leq 1$이면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 발산함을 보이시오.
(Hint. $C \gt 1$인 경우 적당한 $C' \gt 1$이 있어 충분히 큰 $n$에 대해 $\dfrac{a_n}{a_{n+1}} \geq 1 + \dfrac{C'}{n}$임을 보이시오. 이 부등식은 아래와 같이 정리됨을 이용해 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$의 부분합이 수렴함을 보이시오. $$na_n - (n+1)a_{n+1} \geq (C'-1)a_{n+1} \gt 0$$ $C \lt 1$인 경우도 비슷하게 증명하시오.)
- 각 항이 양수인 수열 $\{a_n\}$에 대해 $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n\left(\frac{a_n}{a_{n+1}} - 1\right) = \rho$라 하자. $\rho \gt 1$이면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하고 $\rho \lt 1$이면 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 발산함을 보이시오.
- 라비 판정법을 이용하여 $u_{n+1} = \dfrac{(2n-1)^2}{(2n)(2n+1)}\, u_n$, $u_1 = 1$로 정의된 수열 $\{u_n\}$에 대해 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} u_n$이 수렴하는지 판정하시오.
- Let $\{a_n\}$ be a sequence with positive terms, and suppose there exist a constant $C$ and a bounded sequence $\{b_n\}$ such that
$$\frac{a_n}{a_{n+1}} = 1 + \frac{C}{n} + \frac{b_n}{n^2}$$
holds. Show that $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges if $C \gt 1$ and diverges if $C \leq 1$.
(Hint. For the case $C \gt 1$, show that there exists a suitable $C' \gt 1$ such that $\dfrac{a_n}{a_{n+1}} \geq 1 + \dfrac{C'}{n}$ for sufficiently large $n$. Using the fact that this inequality rearranges as below, show that the partial sums of the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converge. $$na_n - (n+1)a_{n+1} \geq (C'-1)a_{n+1} \gt 0$$ Prove the case $C \lt 1$ similarly.)
- Let $\{a_n\}$ be a sequence with positive terms, and suppose $\displaystyle\lim_{n\to\infty} n\left(\frac{a_n}{a_{n+1}} - 1\right) = \rho$. Show that $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges if $\rho \gt 1$ and diverges if $\rho \lt 1$.
- Using Raabe's test, determine whether $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} u_n$ converges for the sequence $\{u_n\}$ defined by $u_{n+1} = \dfrac{(2n-1)^2}{(2n)(2n+1)}\, u_n$, $u_1 = 1$.
다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \tanh n$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{\log_n(n!)}{n^3}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ (단, $a_{n+1} = \dfrac{1}{1+a_n}$, $a_1 = 1$)
Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \tanh n$
- $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{\log_n(n!)}{n^3}$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ (Here $a_{n+1} = \dfrac{1}{1+a_n}$, $a_1 = 1$.)
급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$가 수렴할 때 다음 급수의 수렴 여부를 판정하시오.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1+\sin a_n}{2}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{1-a_n}$ (단, 자연수 $n$에 대해 $a_n \gt 0$, $a_n \neq 1$)
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \ln(1-a_n)$ (단, 자연수 $n$에 대해 $0 \lt a_n \lt 1$)
Suppose the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges. Determine whether the following series converge.
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1+\sin a_n}{2}\right)^n$
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{1-a_n}$ (Here $a_n \gt 0$, $a_n \neq 1$ for every natural number $n$.)
- $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \ln(1-a_n)$ (Here $0 \lt a_n \lt 1$ for every natural number $n$.)
각 항이 양수인 단조감소수열 $\{a_n\}$에 대해 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{2^n}$가 발산한다고 가정하자. 이때 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{n}$가 발산함을 보이시오. 이를 이용하여 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n\ln n}$이 발산함을 보이시오.
Let $\{a_n\}$ be a monotonically decreasing sequence with positive terms, and suppose the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{2^n}$ diverges. Show that the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{a_n}{n}$ diverges. Using this, show that $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n\ln n}$ diverges.
무한급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n!}{(n+1)^n}$의 수렴, 발산을 판정하시오.
Determine whether the infinite series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n!}{(n+1)^n}$ converges or diverges.
교대급수판정법을 기술하고, 교대급수판정법을 이용하여 무한급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{(2n-1)!}{(2^n \cdot n!)^2}$가 수렴함을 보이시오. (단, $\dfrac{(2n-1)!}{(2^n \cdot n!)^2} = \dfrac{1}{2} \times \dfrac{3}{4} \times \cdots \times \dfrac{2n-1}{2n} \times \dfrac{1}{2n}$이다.)
State the Alternating Series Test, and use it to show that the infinite series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{(2n-1)!}{(2^n \cdot n!)^2}$ converges. (Here $\dfrac{(2n-1)!}{(2^n \cdot n!)^2} = \dfrac{1}{2} \times \dfrac{3}{4} \times \cdots \times \dfrac{2n-1}{2n} \times \dfrac{1}{2n}$.)
모든 항이 양수인 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴할 때, 수렴하는 급수만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?
ㄱ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n$
ㄴ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{a_n^2+1}$
ㄷ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(e^{a_n}-1\right)$
① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ
Suppose the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_n$, all of whose terms are positive, converges. Which choice below lists exactly the series among <List> that converge?
ㄱ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n$
ㄴ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{a_n^2+1}$
ㄷ. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \left(e^{a_n}-1\right)$
① ㄱ ② ㄷ ③ ㄱ, ㄴ ④ ㄱ, ㄷ ⑤ ㄴ, ㄷ
수열 $\{a_n\}$이 $a_n = \displaystyle\int_0^1 (1-x^2)^n\,dx$일 때, $a_{n+1} = f(n) a_n$을 만족시키는 $f(n)$을 구하고, $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n)^{\alpha}$이 수렴하는 실수 $\alpha$의 범위를 풀이 과정과 함께 쓰시오.
다음 식은 필요하다면 증명 없이 사용할 수 있다.
For the sequence $\{a_n\}$ defined by $a_n = \displaystyle\int_0^1 (1-x^2)^n\,dx$, find $f(n)$ satisfying $a_{n+1} = f(n) a_n$, and find the range of real numbers $\alpha$ for which $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} (a_n)^{\alpha}$ converges, together with your solution process.
The following inequality may be used without proof if needed.