체자로 정리
수열 버전 로피탈: (bn)이 엄격히 증가하며 무한대로 발산하고 limbn+1−bnan+1−an=L이면 limbnan=L. an=12+⋯+n2, bn=n3에서 차분 비율이 먼저, 전체 비율이 뒤따라 31에 모이는 것을 보세요.
limbn+1−bnan+1−an=L⟹limbnan=L
n→∞limn312+⋯+n2=31
예제
수열 (an)이 an→L로 수렴하면, 그 체자로 평균 na1+⋯+an도 L로 수렴함을 체자로 정리를 써서 증명하세요 (bn=n으로 두세요).
n→∞limna1+⋯+an=L
n=100: 이 장면의 예시에서 차분 비율 r100≈0.3367이 먼저 31에 다가가고 전체 비율 s100≈0.3384가 뒤따릅니다. 체자로 평균은 bn=n인 특별 경우로, 차분 비율이 an+1 자체가 됩니다.
증명 보기
- 부분합 cn=a1+⋯+an과 bn=n을 둡시다. (bn)은 엄격히 증가하고 무한대로 발산하므로 체자로 정리의 가정을 만족합니다.
- 차분 비율은 bn+1−bncn+1−cn=1an+1=an+1→L입니다. 따라서 체자로 정리에서 bncn=na1+⋯+an→L을 얻습니다.
체자로 정리를 써서 n→∞limn312+22+⋯+n2=31임을 증명하세요.
n→∞limn312+22+⋯+n2=31
n=200: r200≈0.3350, s200≈0.3358 — 두 비율이 모두 31에 거의 닿았습니다.
증명 보기
- an=12+⋯+n2, bn=n3이라 둡니다. (bn)은 n≥1에서 엄격히 증가하고 무한대로 발산합니다.
- an+1−an=(n+1)2, bn+1−bn=(n+1)3−n3=3n2+3n+1이므로 차분 비율은 3n2+3n+1(n+1)2=3+3/n+1/n21+2/n+1/n2→31입니다.
- 체자로 정리에 의해 bnan=n312+⋯+n2→31입니다.
1+3+5+⋯+(2n−1)은 처음 n개 홀수의 합입니다. 체자로 정리를 써서 n→∞limn21+3+⋯+(2n−1)=1임을 증명하세요.
k=1∑n(2k−1)=n2,n→∞limn21+3+⋯+(2n−1)=1
n=60: 이 장면의 예시에서 r60≈0.3389, s60≈0.3417 — 홀수합 문제도 같은 기계장치로 풀립니다 (bn=n2, 차분 비율이 정확히 1).
증명 보기
- an=1+3+⋯+(2n−1)이라 두면 수학적 귀납법으로 an=n2입니다: n=1일 때 1=12이고, an=n2이면 an+1=n2+(2n+1)=(n+1)2입니다. bn=n2은 엄격히 증가하고 무한대로 발산합니다.
- an+1−an=2n+1, bn+1−bn=(n+1)2−n2=2n+1이므로 차분 비율은 모든 n에서 2n+12n+1=1로, 극한도 1입니다.
- 체자로 정리에 의해 bnan→1 — 사실 an=bn이므로 모든 n에서 비율이 정확히 1입니다.
2. 수열