코시 응축 판정법
a n a_n a n 의 항들을 [ 2 n , 2 n + 1 ) [2^n, 2^{n+1}) [ 2 n , 2 n + 1 ) 블록으로 묶어 보세요 — 블록 합이 응축 항 2 n a 2 n 2^n a_{2^n} 2 n a 2 n 사이에 끼면서, 원래 급수와 응축된 급수가 운명을 같이합니다.
2 n a 2 n + 1 ≤ ∑ k = 2 n 2 n + 1 − 1 a k ≤ 2 n a 2 n 2^n a_{2^{n+1}} \le \sum_{k=2^n}^{2^{n+1}-1} a_k \le 2^n a_{2^n} 2 n a 2 n + 1 ≤ k = 2 n ∑ 2 n + 1 − 1 a k ≤ 2 n a 2 n
∑ n ≥ 1 1 n p converges ⟺ p > 1 \sum_{n\ge 1}\frac{1}{n^p}\ \text{converges} \iff p>1 n ≥ 1 ∑ n p 1 converges ⟺ p > 1
예제
a n ≥ 0 a_n \ge 0 a n ≥ 0 이 감소수열일 때, ∑ n = 1 ∞ a n \sum_{n=1}^{\infty} a_n ∑ n = 1 ∞ a n 이 수렴하면 ∑ n = 0 ∞ 2 n a 2 n \sum_{n=0}^{\infty} 2^n a_{2^n} ∑ n = 0 ∞ 2 n a 2 n 도 수렴하고 그 역도 성립함을 증명하세요 (코시 응축 판정법).
2 n a 2 n + 1 ≤ ∑ k = 2 n 2 n + 1 − 1 a k ≤ 2 n a 2 n , C n : = 2 n a 2 n 2^n a_{2^{n+1}} \le \sum_{k=2^n}^{2^{n+1}-1} a_k \le 2^n a_{2^n}, \qquad C_n := 2^n a_{2^n} 2 n a 2 n + 1 ≤ k = 2 n ∑ 2 n + 1 − 1 a k ≤ 2 n a 2 n , C n := 2 n a 2 n
n = 2 n=2 n = 2 블록 [ 4 , 8 ) [4, 8) [ 4 , 8 ) : 0.5 = 1 2 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.7595 ≤ C 2 = 1 0.5 = \frac{1}{2}C_3 \le B_2 \approx 0.7595 \le C_2 = 1 0.5 = 2 1 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.7595 ≤ C 2 = 1 — 블록 합이 두 응축 항 사이에 끼어 있습니다.
증명 보기
블록 n n n 은 [ 2 n , 2 n + 1 ) [2^n, 2^{n+1}) [ 2 n , 2 n + 1 ) 구간에 2 n 2^n 2 n 개의 항을 갖습니다. 감소수열이므로 각 항은 a 2 n a_{2^n} a 2 n 이하, a 2 n + 1 a_{2^{n+1}} a 2 n + 1 이상입니다. 따라서 블록 합 B n = ∑ k = 2 n 2 n + 1 − 1 a k B_n = \sum_{k=2^n}^{2^{n+1}-1} a_k B n = ∑ k = 2 n 2 n + 1 − 1 a k 는
1 2 C n + 1 = 2 n a 2 n + 1 ≤ B n ≤ 2 n a 2 n = C n \frac{1}{2}C_{n+1} = 2^n a_{2^{n+1}} \le B_n \le 2^n a_{2^n} = C_n 2 1 C n + 1 = 2 n a 2 n + 1 ≤ B n ≤ 2 n a 2 n = C n 을 만족합니다 (C n : = 2 n a 2 n C_n := 2^n a_{2^n} C n := 2 n a 2 n ).
B j ≤ C j B_j \le C_j B j ≤ C j 를 j = 0 j = 0 j = 0 부터 N N N 까지 더하면 S 2 N + 1 − 1 = ∑ j = 0 N B j ≤ ∑ j = 0 N C j = T N S_{2^{N+1}-1} = \sum_{j=0}^{N} B_j \le \sum_{j=0}^{N} C_j = T_N S 2 N + 1 − 1 = ∑ j = 0 N B j ≤ ∑ j = 0 N C j = T N 입니다. ∑ C j \sum C_j ∑ C j 가 수렴하면 T N T_N T N 이 유계이므로, a k ≥ 0 a_k \ge 0 a k ≥ 0 인 ∑ a n \sum a_n ∑ a n 의 부분합도 유계가 되어 수렴합니다.
반대로 C j + 1 ≤ 2 B j C_{j+1} \le 2 B_j C j + 1 ≤ 2 B j 를 j = 0 j = 0 j = 0 부터 N N N 까지 더하면 T N + 1 − C 0 = ∑ j = 1 N + 1 C j ≤ 2 ∑ j = 0 N B j = 2 S 2 N + 1 − 1 T_{N+1} - C_0 = \sum_{j=1}^{N+1} C_j \le 2 \sum_{j=0}^{N} B_j = 2 S_{2^{N+1}-1} T N + 1 − C 0 = ∑ j = 1 N + 1 C j ≤ 2 ∑ j = 0 N B j = 2 S 2 N + 1 − 1 입니다. ∑ a n \sum a_n ∑ a n 이 수렴하면 오른쪽이 유계이므로 ∑ C j \sum C_j ∑ C j 의 부분합도 유계가 되어 수렴합니다.
수치 확인 (조화급수 a n = 1 / n a_n = 1/n a n = 1/ n , 블록 n = 2 n = 2 n = 2 ): B 2 = 1 4 + 1 5 + 1 6 + 1 7 ≈ 0.7595 B_2 = \frac{1}{4} + \frac{1}{5} + \frac{1}{6} + \frac{1}{7} \approx 0.7595 B 2 = 4 1 + 5 1 + 6 1 + 7 1 ≈ 0.7595 , C 2 = 4 ⋅ 1 4 = 1 C_2 = 4 \cdot \frac{1}{4} = 1 C 2 = 4 ⋅ 4 1 = 1 , 1 2 C 3 = 8 ⋅ 1 8 ⋅ 1 2 = 0.5 \frac{1}{2}C_3 = 8 \cdot \frac{1}{8} \cdot \frac{1}{2} = 0.5 2 1 C 3 = 8 ⋅ 8 1 ⋅ 2 1 = 0.5 — 캡션의 부등식 0.5 ≤ 0.7595 ≤ 1 0.5 \le 0.7595 \le 1 0.5 ≤ 0.7595 ≤ 1 과 일치합니다.
응축 판정법을 이용해 p p p -급수 ∑ n = 1 ∞ 1 n p \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p} ∑ n = 1 ∞ n p 1 가 p > 1 p > 1 p > 1 일 때 수렴하고 p ≤ 1 p \le 1 p ≤ 1 일 때 발산함을 보이세요.
2 n ⋅ 1 ( 2 n ) p = 2 n ( 1 − p ) = ( 2 1 − p ) n (geometric series) 2^n \cdot \frac{1}{(2^n)^p} = 2^{n(1-p)} = (2^{1-p})^n \quad \text{(geometric series)} 2 n ⋅ ( 2 n ) p 1 = 2 n ( 1 − p ) = ( 2 1 − p ) n (geometric series)
p = 2 p = 2 p = 2 , 블록 [ 4 , 8 ) [4, 8) [ 4 , 8 ) : 0.0625 = 1 2 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.1507 ≤ C 2 = 0.25 0.0625 = \frac{1}{2}C_3 \le B_2 \approx 0.1507 \le C_2 = 0.25 0.0625 = 2 1 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.1507 ≤ C 2 = 0.25 — 응축 항은 공비 1 / 2 1/2 1/2 인 등비급수입니다.
증명 보기
p > 0 p > 0 p > 0 일 때 a n = 1 n p a_n = \frac{1}{n^p} a n = n p 1 는 감소하는 양수열입니다. 응축 항은 C n = 2 n ⋅ 1 ( 2 n ) p = 2 n ⋅ 2 − n p = 2 n ( 1 − p ) = ( 2 1 − p ) n C_n = 2^n \cdot \frac{1}{(2^n)^p} = 2^n \cdot 2^{-np} = 2^{n(1-p)} = (2^{1-p})^n C n = 2 n ⋅ ( 2 n ) p 1 = 2 n ⋅ 2 − n p = 2 n ( 1 − p ) = ( 2 1 − p ) n 으로 공비가 r = 2 1 − p r = 2^{1-p} r = 2 1 − p 인 등비급수입니다.
등비급수는 r < 1 r < 1 r < 1 일 때 수렴하고 r ≥ 1 r \ge 1 r ≥ 1 일 때 발산합니다. r = 2 1 − p < 1 r = 2^{1-p} < 1 r = 2 1 − p < 1 은 1 − p < 0 1 - p < 0 1 − p < 0 , 즉 p > 1 p > 1 p > 1 과 동치입니다 (p = 1 p = 1 p = 1 이면 r = 1 r = 1 r = 1 로 조화급수가 됩니다).
응축 판정법에 따라 ∑ 1 n p \sum \frac{1}{n^p} ∑ n p 1 는 응축된 급수와 운명을 같이하므로, p > 1 p > 1 p > 1 에서 수렴하고 p ≤ 1 p \le 1 p ≤ 1 에서 발산합니다 (p ≤ 0 p \le 0 p ≤ 0 인 경우는 일반항이 0 0 0 으로 가지 않으므로 따로 발산합니다).
수치 확인 (p = 2 p = 2 p = 2 , 블록 n = 2 n = 2 n = 2 ): B 2 = 1 16 + 1 25 + 1 36 + 1 49 ≈ 0.1507 B_2 = \frac{1}{16} + \frac{1}{25} + \frac{1}{36} + \frac{1}{49} \approx 0.1507 B 2 = 16 1 + 25 1 + 36 1 + 49 1 ≈ 0.1507 , C 2 = 4 ⋅ 1 16 = 0.25 C_2 = 4 \cdot \frac{1}{16} = 0.25 C 2 = 4 ⋅ 16 1 = 0.25 , 1 2 C 3 = 1 2 ⋅ 8 ⋅ 1 64 = 0.0625 \frac{1}{2}C_3 = \frac{1}{2} \cdot 8 \cdot \frac{1}{64} = 0.0625 2 1 C 3 = 2 1 ⋅ 8 ⋅ 64 1 = 0.0625 — 캡션의 0.0625 ≤ 0.1507 ≤ 0.25 0.0625 \le 0.1507 \le 0.25 0.0625 ≤ 0.1507 ≤ 0.25 와 일치하고, 응축 항은 정확히 2 − n 2^{-n} 2 − n 입니다.
∑ n = 2 ∞ 1 n ln n \sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n \ln n} ∑ n = 2 ∞ n l n n 1 은 발산하지만 ∑ n = 2 ∞ 1 n ( ln n ) 2 \sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n (\ln n)^2} ∑ n = 2 ∞ n ( l n n ) 2 1 는 수렴함을 응축 판정법으로 보이세요.
2 n ⋅ 1 2 n ln 2 n = 1 n ln 2 = 1 ln 2 ⋅ 1 n 2^n \cdot \frac{1}{2^n \ln 2^n} = \frac{1}{n \ln 2} = \frac{1}{\ln 2}\cdot\frac{1}{n} 2 n ⋅ 2 n ln 2 n 1 = n ln 2 1 = ln 2 1 ⋅ n 1
2 n ⋅ 1 2 n ( ln 2 n ) 2 = 1 ( ln 2 ) 2 ⋅ 1 n 2 2^n \cdot \frac{1}{2^n (\ln 2^n)^2} = \frac{1}{(\ln 2)^2}\cdot\frac{1}{n^2} 2 n ⋅ 2 n ( ln 2 n ) 2 1 = ( ln 2 ) 2 1 ⋅ n 2 1
블록 [ 4 , 8 ) [4, 8) [ 4 , 8 ) : 0.2404 = 1 2 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.4710 ≤ C 2 = 1 2 ln 2 ≈ 0.7213 0.2404 = \frac{1}{2}C_3 \le B_2 \approx 0.4710 \le C_2 = \frac{1}{2\ln 2} \approx 0.7213 0.2404 = 2 1 C 3 ≤ B 2 ≈ 0.4710 ≤ C 2 = 2 l n 2 1 ≈ 0.7213 — 응축된 급수는 조화급수의 상수배라 발산합니다.
증명 보기
a n = 1 n ln n a_n = \frac{1}{n \ln n} a n = n l n n 1 는 n ≥ 2 n \ge 2 n ≥ 2 에서 감소하는 양수열입니다. 응축하면 ln 2 n = n ln 2 \ln 2^n = n \ln 2 ln 2 n = n ln 2 를 이용해 C n = 2 n ⋅ 1 2 n ⋅ n ln 2 = 1 ln 2 ⋅ 1 n C_n = 2^n \cdot \frac{1}{2^n \cdot n \ln 2} = \frac{1}{\ln 2}\cdot\frac{1}{n} C n = 2 n ⋅ 2 n ⋅ n l n 2 1 = l n 2 1 ⋅ n 1 이 되므로, 응축된 급수는 조화급수의 1 ln 2 \frac{1}{\ln 2} l n 2 1 배 — 발산합니다. 따라서 ∑ n = 2 ∞ 1 n ln n \sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n \ln n} ∑ n = 2 ∞ n l n n 1 도 발산합니다.
반면 b n = 1 n ( ln n ) 2 b_n = \frac{1}{n (\ln n)^2} b n = n ( l n n ) 2 1 는 C n = 2 n ⋅ 1 2 n ( n ln 2 ) 2 = 1 ( ln 2 ) 2 ⋅ 1 n 2 C_n = 2^n \cdot \frac{1}{2^n (n \ln 2)^2} = \frac{1}{(\ln 2)^2}\cdot\frac{1}{n^2} C n = 2 n ⋅ 2 n ( n l n 2 ) 2 1 = ( l n 2 ) 2 1 ⋅ n 2 1 로 응축됩니다. 1 ( ln 2 ) 2 ≈ 2.0814 \frac{1}{(\ln 2)^2} \approx 2.0814 ( l n 2 ) 2 1 ≈ 2.0814 는 상수이므로, 응축된 급수는 수렴하는 ∑ 1 n 2 \sum \frac{1}{n^2} ∑ n 2 1 의 상수배 — 실제로 1 ( ln 2 ) 2 ⋅ π 2 6 ≈ 2.0814 ⋅ 1.6449 ≈ 3.4237 \frac{1}{(\ln 2)^2}\cdot\frac{\pi^2}{6} \approx 2.0814 \cdot 1.6449 \approx 3.4237 ( l n 2 ) 2 1 ⋅ 6 π 2 ≈ 2.0814 ⋅ 1.6449 ≈ 3.4237 로 수렴합니다. 따라서 ∑ n = 2 ∞ 1 n ( ln n ) 2 \sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n (\ln n)^2} ∑ n = 2 ∞ n ( l n n ) 2 1 는 수렴합니다.
수치 확인 (첫 번째 급수, 블록 n = 2 n = 2 n = 2 ): B 2 = ∑ k = 4 7 1 k ln k ≈ 0.4710 B_2 = \sum_{k=4}^{7} \frac{1}{k \ln k} \approx 0.4710 B 2 = ∑ k = 4 7 k l n k 1 ≈ 0.4710 , C 2 = 1 2 ln 2 ≈ 0.7213 C_2 = \frac{1}{2\ln 2} \approx 0.7213 C 2 = 2 l n 2 1 ≈ 0.7213 , 1 2 C 3 = 1 6 ln 2 ≈ 0.2404 \frac{1}{2}C_3 = \frac{1}{6\ln 2} \approx 0.2404 2 1 C 3 = 6 l n 2 1 ≈ 0.2404 — 캡션의 0.2404 ≤ 0.4710 ≤ 0.7213 0.2404 \le 0.4710 \le 0.7213 0.2404 ≤ 0.4710 ≤ 0.7213 과 일치합니다. ln \ln ln 의 거듭제곱 한 칸이 수렴·발산을 가르는 경계입니다.
6. 급수