x=1: 부분합 ∑k≤Nsin(kx)이 1/sin(0.5)≈2.0858 아래에 갇혀 있습니다.증명 보기
x가 2π의 배수가 아니면 sin(x/2)=0이다. 곱-합 공식 2sin2xsin(kx)=cos(k−21)x−cos(k+21)x를 k=1부터 N까지 더하면 망원급수가 되어 ∑k=1Nsin(kx)=2sin2xcos2x−cos(N+21)x=sin2xsin2Nxsin2(N+1)x이다.
분자의 두 인자는 각각 절댓값이 1 이하이므로, 부분합은 N과 무관하게 ∑k=1Nsin(kx)≤∣sin(x/2)∣1로 유계이다. x=1이면 1/sin(0.5)≈2.0858 — 캡션의 수치와 일치한다.
bn=1/n은 단조 감소하며 0으로 간다. an=sin(nx)의 부분합이 유계이므로 디리클레 판정법(부분합에 의한 합산 변환)에 의해 ∑n=1∞anbn=∑n=1∞nsin(nx)이 수렴한다. (실제로 x∈(0,2π)에서 이 급수는 (π−x)/2이다.)
라이프니츠 교대급수 판정법이 디리클레 판정법의 따름정리임을 보이세요.
n=1∑N(−1)n≤1
교대 부호의 부분합 ∑n≤N(−1)n은 1 이하 — 라이프니츠 판정법이 디리클레 판정법의 따름정리입니다.증명 보기
an=(−1)n이라 두면 부분합은 N이 짝수일 때 0, 홀수일 때 −1이다. 따라서 모든 N에 대해 ∑n=1Nan≤1 — 디리클레 판정법의 유계 조건이 성립한다.
라이프니츠 판정법의 가정은 bn↓0이다. 디리클레 판정법을 (an,bn) 쌍에 적용하면 ∑n=1∞(−1)nbn의 수렴이 바로 따라 나온다 — 교대급수 판정법은 디리클레 판정법에서 an=(−1)n인 경우이다.
∑n=1∞(−1)nn2+1n이 수렴함을 보이세요.
bn=n2+1n,bn>bn+1⟺n2+n−1>0
b1=0.5>b2=0.4>⋯: bn=n2+1n은 n≥1에서 단조 감소하며 0으로 갑니다.증명 보기
an=(−1)n의 부분합은 모든 N에 대해 절댓값이 1 이하이다(앞 문제와 같음). bn=n2+1n은 0<bn<n1이므로 bn→0이다.
bn의 단조성: bn>bn+1은 통분하면 n((n+1)2+1)>(n+1)(n2+1)과 동치이고, 이는 n3+2n2+2n>n3+n2+n+1, 즉 n2+n−1>0과 동치이다. n=1에서 12+1−1=1>0이므로 모든 n≥1에서 성립한다. 따라서 bn↓0.
b1=21=0.5>b2=52=0.4 — 캡션의 수치와 일치한다. 디리클레 판정법에 의해 ∑n=1∞(−1)nn2+1n은 수렴한다.