나뭇잎 교과서

양항급수의 판정법

항이 모두 양수인 급수는 부분합이 늘 커지므로, 부분합이 어떤 수에 막혀 있는지만 알면 수렴을 판정할 수 있습니다. 이 절에서는 급수를 이상적분과 비교하는 적분판정법으로 \(\sum\frac{1}{n^p}\)의 수렴을 판정하고, 비교·비·근판정법 가운데 급수에 맞는 것을 골라 봅니다. 그리고 조화급수가 발산한다는 사실 덕분에 책을 충분히 쌓으면 탁자 밖으로 얼마든지 멀리 내밀 수 있다는 것을 확인합니다.

본문

양항급수의 판정법

본문

똑같은 책을 탁자 끝에 쌓되, 위에서부터 차례로 무게 중심이 바로 아래 책의 끝에 오도록 조금씩 내민다. 맨 위 책은 둘째 책보다 책 길이의 \(1/2\), 둘째 책은 셋째 책보다 \(1/4\), 셋째 책은 넷째 책보다 \(1/6\)만큼 내밀 수 있다. 그러면 \(n\)권을 쌓았을 때 맨 위 책이 탁자 밖으로 나간 길이는 \(\tfrac12\left(1 + \tfrac12 + \tfrac13 + \cdots + \tfrac1n\right)\)이다. 책을 많이 쌓으면 이 길이는 어디까지 커질까? 맨 위 책이 탁자에서 완전히 벗어나려면 몇 권이 필요할까?

탁자 탁자 밖 25/24 ≈ 1.04권 1/21/41/61/8
그림 1. 네 권을 쌓으면 맨 위 책은 탁자 끝에서 책 한 권 길이보다 조금 더 나간다.
먼저 알아야 할 것급수와 부분합, 등비급수, 정적분과 급수의 합, 단조수렴정리(단조수렴정리).

3.2.1항이 0으로 가도 발산할 수 있다

모든 항이 양수인 양항급수는 부분합이 늘어나기만 하므로, 단조수렴정리에 따라 부분합이 어떤 수를 넘지 못하면 수렴하고, 그렇지 않으면 무한대로 발산한다. 조화급수 \(\sum\frac1n\)은 항이 0으로 가지만 발산한다. 항을 \(1, \tfrac12, \tfrac13 + \tfrac14, \tfrac15 + \cdots + \tfrac18, \ldots\)처럼 묶으면 각 묶음이 \(\tfrac12\)보다 크므로, 묶음을 많이 더할수록 부분합이 끝없이 커지기 때문이다. 그래서 항이 0으로 가는 것은 수렴하기 위한 조건일 뿐, 그것만으로 수렴하지는 않는다.

정리 3.2.1 양항급수의 판정법

\(f\)가 \([1, \infty)\)에서 양수이고 감소하며 \(a_n = f(n)\)이면 \(\sum a_n\)과 \(\int_1^\infty f(x)\,dx\)는 함께 수렴하거나 함께 발산한다(적분 판정법). \(0 \le a_n \le b_n\)일 때 \(\sum b_n\)이 수렴하면 \(\sum a_n\)도 수렴한다(비교 판정법). \(\lim a_{n+1}/a_n = \rho\)가 1보다 작으면 수렴하고 1보다 크면 발산한다(비 판정법).

적분 판정법은 급수를 직사각형 넓이의 합으로 보고 곡선 아래 넓이와 비교한 것이다. \(1/n\)의 직사각형들은 곡선 \(y = 1/x\) 아래의 넓이보다 크고, 그 넓이 \(\ln b\)가 끝없이 커지므로 조화급수도 발산한다. 반대로 \(1/n^2\)은 첫 항을 빼면 직사각형들이 곡선 \(y = 1/x^2\) 아래에 들어가고 그 넓이가 1이므로, \(\sum\frac{1}{n^2} < 1 + 1 = 2\)로 수렴한다. 그래서 급수 \(\sum\frac{1}{n^p}\)은 이상적분과 똑같이 \(p > 1\)일 때만 수렴한다.1

3.2.2어떤 판정법을 쓸까

판정법은 급수의 모양을 보고 고른다. \(\sum\frac{1}{n^2 + n}\)처럼 이미 아는 급수와 닮았으면 비교 판정법을 쓴다. \(\sum\frac{n}{2^n}\)이나 \(\sum\frac{1}{n!}\)처럼 거듭제곱이나 계승이 있으면 비 판정법이 편하다. 비 판정법은 \(\rho = 1\)일 때는 아무것도 알려 주지 않는데, \(\sum\frac1n\)과 \(\sum\frac{1}{n^2}\)이 모두 \(\rho = 1\)이면서 하나는 발산하고 하나는 수렴하기 때문이다. 그런 급수에는 적분 판정법이나 비교 판정법을 쓴다.

책 수 n14312271만 ½ Hₙ (권)0.51.042.013.004.89 Hₙ ≈ ln n + 0.577이어서 끝없이 커지지만 매우 느리다.
그림 2. 조화급수가 발산하므로 책을 충분히 쌓으면 얼마든지 멀리 내밀 수 있지만, 필요한 책 수는 지수적으로 늘어난다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

처음 질문에서 맨 위 책이 탁자에서 완전히 벗어나는 데 필요한 책 수를 구하여라. 적분 판정법의 부등식 \(\ln(n + 1) < H_n < 1 + \ln n\)을 써서, 탁자 밖으로 책 10권 길이만큼 내밀려면 대략 몇 권이 필요한지 어림하여라.

탁자 밖 길이가 1을 넘으려면 \(H_n > 2\)이어야 한다. \(H_3 = 1 + 0.5 + 0.333 = 1.833\), \(H_4 = 2.083\)이므로 네 권이면 \(\tfrac12\times2.083 \approx 1.04\)권 길이만큼 나가 맨 위 책이 탁자에서 완전히 벗어난다.

10권 길이를 내밀려면 \(H_n > 20\)이어야 한다. \(H_n < 1 + \ln n\)이므로 적어도 \(\ln n > 19\), 곧 \(n > e^{19} \approx 1.8\times10^8\)이다. 또 \(H_n > \ln(n + 1)\)이므로 \(n + 1 > e^{20}\)이면 충분해, 대략 2억에서 5억 권 사이가 필요하다. 그래서 조화급수는 분명히 발산하지만 그 속도가 로그처럼 느려서, 실제로 쌓을 수 있는 책으로는 몇 권 길이밖에 내밀 수 없다. 즉 양항급수의 수렴은 부분합이 어떤 수를 넘지 못하는지로 정해지고, 적분 판정법은 급수를 넓이와 비교해 수렴 여부와 부분합의 크기를 함께 알려 준다.

아래 탐구 카드에서 \(\sum\frac{1}{n^2}\)과 \(\sum\frac1n\)을 넓이와 비교해 보고, 여러 급수에 맞는 판정법을 골라 보고, 책을 쌓아 내밀어 보자.

  1. \(\sum\frac{1}{n^2}\)의 정확한 값이 \(\pi^2/6\)이라는 것은 1734년 오일러가 밝혀, 수십 년 동안 풀리지 않던 바젤 문제를 해결했다. 조화급수가 발산한다는 것은 이미 14세기 프랑스의 오렘이 항을 묶는 방법으로 보였다.
마무리

양항급수는 부분합이 늘어나기만 하므로 어떤 수를 넘지 못하면 수렴하며, 항이 0으로 가는 것만으로는 수렴하지 않는다. 적분 판정법은 급수를 곡선 아래 넓이와, 비교 판정법은 아는 급수와, 비 판정법은 이웃한 항의 비와 견주어 판정하고, \(\sum 1/n^p\)은 \(p > 1\)일 때만 수렴한다. 처음 질문의 책 쌓기는 조화급수가 발산하므로 끝없이 멀리 내밀 수 있지만, 한 권 길이는 네 권, 열 권 길이는 수억 권이 필요하다.

탐구 1

\(\sum\frac{1}{n^2}\)은 유한하고 \(\sum\frac{1}{n}\)은 무한한 까닭은?

적분판정법 · \(p\)급수 · 조작
부분합 \(S_N\)
—
\(\int_1^N\frac{dx}{x^p}\)
—
\(1 + \int_1^\infty\frac{dx}{x^p}\)
—
  1. 질문\(1 + \frac{1}{4} + \frac{1}{9} + \cdots\)은 약 1.645에 머물지만 \(1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots\)은 끝없이 커진다. 두 급수 모두 항이 0으로 가는데 왜 다를까? 항을 하나하나 더하지 않고 판정할 방법이 있을까?
  2. 복원\(\int_1^\infty\frac{dx}{x^p}\)은 \(p > 1\)일 때 \(\frac{1}{p - 1}\)로 수렴하고 \(p \le 1\)일 때 발산한다. 양항급수의 부분합은 증가수열이므로 위로 유계이면 수렴한다(단조수렴정리).
  3. 설명높이 \(\frac{1}{n^p}\), 폭 1인 막대를 \([n - 1, n]\)에 놓으면 곡선 \(y = \frac{1}{x^p}\) 아래에 들어가므로 \(\sum_{n=2}^{N}\frac{1}{n^p} \le \int_1^N\frac{dx}{x^p}\)이고, \([n, n + 1]\)에 놓으면 곡선을 덮으므로 \(\sum_{n=1}^{N}\frac{1}{n^p} \ge \int_1^{N+1}\frac{dx}{x^p}\)이다. 그래서 급수와 이상적분은 함께 수렴하거나 함께 발산한다. 이것이 적분판정법이다(\(f\)가 양수이고 감소할 때). 결과적으로 \(p\)급수 \(\sum\frac{1}{n^p}\)은 \(p > 1\)이면 수렴, \(p \le 1\)이면 발산한다.
  4. 연결\(\sum\frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}\)임은 오일러가 1735년 무렵 밝혔다. 적분판정법은 수렴만 알려 주고 합은 알려 주지 않지만, \(S_N\)과 \(1 + \int_1^\infty\)처럼 합이 들어갈 범위를 준다. 다음 카드에서는 비교판정법, 비판정법 같은 다른 판정법을 고르는 연습을 한다.
  5. 적용\(p = 2\)에서 \(N\)을 늘리며 부분합이 \(1 + \int_1^\infty = 2\)를 넘지 않는지 보자. \(p = 1\)로 바꾸면 부분합과 \(\ln N\)이 함께 커지는가? 막대 놓는 방식을 바꿔 두 부등식을 그림으로 확인해 보자.
  6. 판단급수의 합과 적분값은 같지 않다. \(\sum_{n=1}^\infty\frac{1}{n^2} \approx 1.645\)이지만 \(\int_1^\infty\frac{dx}{x^2} = 1\)이다. 적분판정법이 말해 주는 것은 "수렴하느냐"뿐이다. 또 함수가 감소하지 않으면 막대와 곡선의 대소 관계가 깨져 판정법을 쓸 수 없다.

확인조건이 달라지면

\(\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n(\ln n)^2}\)은?

탐구 2

이 급수에는 어떤 판정법이 통할까?

양항급수의 판정법 · 도전

1) 쓸 판정법을 고르세요.

2) 수렴할까요, 발산할까요?

푼 문제
0 / 6
\(S_{100}\)
?
\(S_{100000}\)
?
  1. 질문양항급수의 수렴을 판정하는 방법은 여러 가지이다. 같은 급수라도 어떤 판정법은 한 줄로 끝나고 어떤 판정법은 아무것도 알려 주지 않는다. 급수의 생김새를 보고 알맞은 판정법을 고를 수 있을까?
  2. 복원\(\sum\frac{1}{n^p}\)은 \(p > 1\)일 때만 수렴한다. 등비급수 \(\sum r^n\)은 \(|r| < 1\)일 때만 수렴한다.
  3. 설명모두 \(a_n > 0\)인 급수에 쓴다. 비교판정법은 \(a_n \le b_n\)이고 \(\sum b_n\)이 수렴하면 \(\sum a_n\)도 수렴한다는 것이다(발산은 반대 방향). 극한비교판정법에서는 \(\frac{a_n}{b_n} \to c\ (0 < c < \infty)\)이면 둘이 함께 수렴하거나 발산한다. 비판정법은 \(\frac{a_{n+1}}{a_n} \to L\)이 1보다 작으면 수렴, 크면 발산으로 보고, 근판정법은 \(\sqrt[n]{a_n} \to L\)로 같은 결론을 낸다. 적분판정법은 \(a_n = f(n)\)이고 \(f\)가 양수이고 감소하면 \(\int^\infty f\)와 함께 수렴하거나 발산한다는 것이다. 고르는 요령은 이렇다. \(n\)의 다항식 꼴의 분수이면 \(\frac{1}{n^p}\)과 (극한)비교, 지수나 계승(\(n!\))이 있으면 비판정법, 전체가 \(n\)제곱이면 근판정법, \(\ln\)이 섞이면 적분판정법을 쓴다.
  4. 연결비판정법과 근판정법은 사실 등비급수와 비교하는 것이다. 극한 \(L\)이 1이면 두 판정법은 아무것도 알려 주지 않는다. \(\sum\frac{1}{n}\)과 \(\sum\frac{1}{n^2}\)은 모두 \(L = 1\)이지만 결과가 다르다.
  5. 적용여섯 급수마다 판정법과 결론을 고르자. 판정법은 통하는 것이 여러 개일 수 있다. 맞히면 부분합 그래프가 나타난다. \(\sum\frac{1}{n\ln n}\)의 부분합은 \(n = 10^5\)에서도 3 남짓이다. 이것은 수렴한다는 뜻일까?
  6. 판단컴퓨터로 많이 더해 본 결과는 판정이 아니다. \(\sum\frac{1}{n\ln n}\)의 부분합은 \(\ln(\ln n)\)처럼 자라서, 10을 넘으려면 \(n\)이 약 \(10^{4300}\)은 되어야 한다. 그래도 발산한다.

확인조건이 달라지면

\(\sum\frac{3^n}{n!}\)에 비판정법을 쓰면?

탐구 3

책을 쌓아 맨 위 책을 탁자 밖으로 얼마나 내밀 수 있을까?

조화급수의 발산 · 활용 · 예측 → 확인

먼저 예측하세요. 맨 위 책이 탁자 모서리에서 책 두 권 길이만큼 완전히 벗어나려면 몇 권이 필요할까요?

맨 위 책의 돌출
—
\(H_n = \sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k}\)
—
돌출 2를 넘는 최소 권수
?

책의 길이를 1로 둔다. 돌출은 탁자 모서리에서 맨 위 책의 바깥 끝까지의 거리이다. 책을 60권까지 쌓으면 최소 권수가 나타난다.

  1. 질문같은 책을 탁자 모서리에 한 권씩 어긋나게 쌓는다. 무너지지 않게 쌓으면 맨 위 책을 얼마나 멀리 내밀 수 있을까? 탁자 밖으로 완전히 벗어나게 할 수도 있을까?
  2. 복원물체들이 넘어지지 않으려면 위에 있는 것들 전체의 무게중심이 아래에서 받치는 면 위에 있어야 한다. 조화급수 \(\sum\frac{1}{k}\)은 발산한다.
  3. 설명위에서부터 센다. 맨 위 책은 둘째 책 위에서 \(\frac{1}{2}\)만큼 내밀 수 있다. 위의 두 권의 무게중심은 셋째 책 위에서 \(\frac{1}{4}\)만큼, 위의 \(k\)권의 무게중심은 그 아래 책 위에서 \(\frac{1}{2k}\)만큼 내밀 수 있다. 그래서 \(n\)권의 돌출은 \[\frac{1}{2}\left(1 + \frac{1}{2} + \cdots + \frac{1}{n}\right) = \frac{H_n}{2}\]이다. 조화급수가 발산하므로 책만 충분하면 돌출은 얼마든지 커진다. 하지만 \(H_n\)은 \(\ln n\)처럼 아주 느리게 커진다.
  4. 연결돌출 1(맨 위 책이 탁자 밖으로 완전히 벗어남)에는 \(H_n > 2\), 곧 4권이면 된다. 돌출 2에는 \(H_n > 4\)로 31권, 돌출 3에는 227권이 필요하다. 적분판정법에서 본 \(H_n \approx \ln n + 0.577\)로 어림할 수 있다.
  5. 적용예측을 정한 뒤 책을 한 권씩 쌓아 보자. 돌출 2를 넘는 최소 권수는 예측과 얼마나 다른가? 돌출 10을 원하면 책이 대략 몇 권 필요할지 \(\ln\)으로 어림해 보자.
  6. 판단이 계산은 한 층에 한 권씩만 쌓는다는 조건에서 가장 멀리 내미는 방법이다. 한 층에 여러 권을 놓아 균형을 맞추면 훨씬 적은 책으로 더 멀리 내밀 수 있다는 연구(패터슨과 츠윅, 2006)도 있다. 또 실제 책은 조금만 흔들려도 무너지므로, 한계에 딱 맞춰 쌓는 것은 이상화한 모형이다.

확인조건이 달라지면

길이가 20 cm인 책 4권을 이 방법으로 쌓으면 맨 위 책의 돌출은 약 몇 cm인가?

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