절대수렴 정리
절댓값을 씌운 급수가 수렴하면 원래 급수도 수렴합니다 — 두 부분합 곡선 Sn과 Tn이 함께 안착하는 모습과, 조화급수처럼 절댓값은 발산해도 부호 덕분에 수렴하는 경우를 견주어 확인합니다.
∑∣ak∣ converges ⇒ ∑ak converges
k=1∑∞k2(−1)k=−12π2,k=1∑∞k(−1)k=−ln2
예제
∑k=1∞k2(−1)k가 절대수렴함을 증명하세요.
k=1∑∞k2(−1)k=k=1∑∞k21=6π2<∞
n=60: S60≈−0.82233, T60≈1.62841 — 절댓값 급수가 π2/6≈1.64493 아래에서 수렴합니다.
증명 보기
- k2(−1)k=k21입니다.
- ∑k=1∞k21=6π2≈1.64493은 수렴합니다 (바젤 장면의 결과).
- 따라서 원래 급수는 절대수렴합니다. 참고로 합은 −12π2≈−0.822467이고, n=60에서 S60≈−0.82233으로 소수 셋째 자리까지 맞습니다.
절대수렴하면 수렴함을 코시 판정법으로 증명하세요.
k=n+1∑mak≤k=n+1∑m∣ak∣<ε
n=60: 절댓값 부분합 Tn이 코시 수열이므로 Sn도 코시 수열입니다.
증명 보기
- ∑∣ak∣가 수렴한다고 가정합니다. 부분합 Um=∑k=1m∣ak∣는 수렴하므로 코시 수열입니다: ε>0마다 m>n≥N이면 ∣Um−Un∣=∑k=n+1m∣ak∣<ε인 N이 존재합니다.
- 원래 급수의 부분합 Sm에 대해, 삼각부등식으로 ∣Sm−Sn∣=∑k=n+1mak≤∑k=n+1m∣ak∣<ε입니다. 따라서 (Sn)도 코시 수열입니다.
- 실수는 완비적입니다 — 모든 코시 수열이 수렴합니다 (상한 장면의 완비성 공리, 극한 챕터). 따라서 ∑ak는 수렴합니다.
∑k=1∞k(−1)k가 조건수렴함을 증명하세요.
k=1∑∞k(−1)k=k=1∑∞k1=∞,but k=1∑∞k(−1)k converges
n=60: S60≈−0.68488은 −ln2≈−0.69315로 가지만, T60=H60≈4.67987은 끝없이 자랍니다.
증명 보기
- ∑k(−1)k=∑k1는 조화급수이므로 발산합니다 (조화 장면의 오레스메 증명). n=60에서 이미 T60=H60≈4.67987입니다.
- 한편 bk=k1↓0이므로 교대급수 판정법으로 ∑k(−1)k는 수렴합니다 (라이프니츠 장면의 교대급수 추정). 합은 −ln2≈−0.693147이며, S60≈−0.68488입니다.
- 수렴하지만 절대수렴하지 않으므로 조건수렴입니다 — 이것이 바로 재배열이 합을 바꿀 수 있는 경우입니다.
7. 거듭제곱급수