수렴 판정법 도구상자
비율 rk=ak+1/ak가 극한 L<1로 모이면 급수가 수렴합니다 — 두 급수에서 비율이 0과 21로 내려가는 모습을, 비교 판정법에서는 k2+11이 k21 아래에 깔리는 모습을 확인합니다.
rk=akak+1→L<1 ⇒ ∑ak converges
k2+11<k21,k=1∑∞k21=6π2
예제
비율 판정법을 진술하고, ∑k=1∞k!1가 수렴함을 증명하세요.
rk=akak+1=k+11→0<1
n=12: r12=1/13≈0.0769 — 0을 향해 빠르게 떨어집니다.
증명 보기
- 비율 판정법: ak>0이고 rk=akak+1→L<1이면 ∑ak는 수렴합니다. 실제로 L<ρ<1인 ρ를 잡으면 충분히 큰 k에서 rk≤ρ이므로, ak+1≤ρak가 반복되어 꼬리가 수렴하는 기하급수 ∑ρk 아래에 깔립니다.
- ak=k!1이면 rk=(k+1)!k!=k+11→0입니다: r1=21,r2=31,r3=41,r4=51,r5=61.
- L=0<1이므로 비율 판정법으로 수렴합니다. (합은 e−1≈1.71828입니다 — k=0인 항이 1이므로.)
∑k=1∞2kk가 비율 판정법으로 수렴함을 증명하세요.
rk=2kk+1→21<1
n=12: r12=13/24≈0.5417 — 21를 향해 내려갑니다.
증명 보기
- ak=2kk>0입니다. rk=akak+1=2k+1k+1⋅k2k=2kk+1입니다.
- 2kk+1=21+2k1→21입니다: r1=1,r2=43,r3=32,r4=85,r5=53에서 시작해 21로 내려갑니다.
- L=21<1이므로 비율 판정법으로 수렴합니다. (합이 2라는 것은 기하급수 장면에서 보였습니다.)
비교 판정법을 진술하고, ∑k=1∞k2+11의 수렴을 증명하세요.
k2+11<k21,k=1∑∞k21=6π2
n=12: 모든 막대에서 k2+11<k21 — 수렴하는 급수 아래에 깔리므로 수렴합니다.
증명 보기
- 비교 판정법: 0≤ak≤bk이고 ∑bk가 수렴하면 ∑ak도 수렴합니다 — 부분합이 단조증가하면서 ∑bk의 합으로 유계이기 때문입니다.
- 모든 k≥1에서 분모가 더 크므로 k2+11<k21입니다.
- ∑k=1∞k21=6π2은 수렴합니다 (바젤 장면의 결과). 따라서 비교 판정법으로 ∑k=1∞k2+11도 수렴합니다.
6. 급수