나뭇잎 교과서

수열의 수렴과 발산

\(1, \frac{1}{2}, \frac{1}{3}, \frac{1}{4}, \cdots\)처럼 끝없이 이어지는 수열은 마지막 항이 없습니다. 그래도 항들이 어디로 향하는지는 말할 수 있습니다. 이 절에서는 \(n\)이 한없이 커질 때 수열의 항이 한 값에 한없이 가까워지는 것을 수렴이라는 말과 \(\lim\) 기호로 정리합니다. 수렴하지 않는 수열은 양의 무한대로 발산, 음의 무한대로 발산, 진동의 세 갈래로 나누어 판정합니다.

먼저 알면 좋은 것 수열과 일반항함수의 극한 \(\lim_{x\to \infty} f(x)\)절댓값 부등식
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수열의 수렴과 발산

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수열 \(1.9, 1.99, 1.999, \ldots\)는 2에 가까워진다고 말한다. 그런데 이 수열은 \(2.5\)에도, \(3\)에도 점점 가까워지고 있다. 거리가 줄어들기만 하면 '가까워진다'고 할 수 있다면, 이 수열의 극한은 2일까, 3일까? '한없이 가까워진다'는 말을 어떻게 정확히 할 수 있을까?

그림 1. 수열 \(a_n = 1 + \dfrac{(-1)^n}{n}\). 오차 \(\varepsilon\)을 아무리 작게 정해도, 어느 번째 항부터는 모든 항이 \(1 \pm \varepsilon\) 띠 안에 들어온다. 이것이 '1로 수렴한다'의 뜻이다.
먼저 알아야 할 것수열과 일반항(대수), 함수의 극한 \(\lim_{x \to \infty} f(x)\)(미적분Ⅰ), 절댓값 부등식 \(|x - a| < \varepsilon\).

1.1.1수렴의 뜻

\(1.9, 1.99, 1.999, \ldots\)는 3과의 거리도 줄어들지만, 그 거리는 1보다 작아지지 않는다. 반면 2와의 거리 \(0.1, 0.01, 0.001, \ldots\)은 어떤 작은 양수보다도 결국 작아진다. '한없이 가까워진다'는 것은 거리가 줄어든다는 뜻이 아니라, 거리가 0에 한없이 가까워진다는 뜻이다.

정의 1.1.1 수열의 수렴

수열 \(\{a_n\}\)에서 \(n\)이 한없이 커질 때 \(a_n\)이 일정한 값 \(\alpha\)에 한없이 가까워지면, 수열은 \(\alpha\)에 수렴한다고 하고 \[\lim_{n \to \infty} a_n = \alpha\] 로 나타낸다. 이때 \(\alpha\)를 수열의 극한값이라 한다.

그림 1의 수열 \(a_n = 1 + \dfrac{(-1)^n}{n}\)은 \(0, 1.5, 0.67, 1.25, \ldots\)처럼 1의 위아래를 오가며 1과의 거리가 \(\dfrac{1}{n}\)이다. 슬라이더로 \(\varepsilon\)을 줄여 보자. 띠가 좁아질수록 띠에 들어오기 시작하는 번째 수 \(N\)은 커지지만, 어떤 \(\varepsilon\)에 대해서도 \(N\)이 존재한다.1

1.1.2발산

수렴하지 않는 수열은 발산한다고 한다. 발산에는 몇 가지 모습이 있다. \(a_n = n^2\)처럼 한없이 커지면 양의 무한대로 발산한다고 하고 \(\lim_{n \to \infty} a_n = \infty\)로 쓴다. \(a_n = -2n\)처럼 음수이면서 절댓값이 한없이 커지면 음의 무한대로 발산한다. \(a_n = (-1)^n\)처럼 \(-1\)과 \(1\)을 번갈아 오가며 어느 한 값에도 가까워지지 않으면 진동한다고 한다.

수렴∞로 발산진동(발산)
그림 2. 수열의 극한은 수렴, 양 또는 음의 무한대로 발산, 진동의 세 가지 모습으로 나타난다.

1.1.3예제 풀이

예제 1.1.2

수열 \(a_n = \dfrac{2n + 1}{n}\)이 2에 수렴함을 보이고, \(|a_n - 2| < 0.001\)이 되려면 \(n\)이 얼마보다 커야 하는지 구하여라.

\(a_n = \dfrac{2n + 1}{n} = 2 + \dfrac{1}{n}\)이므로 \(|a_n - 2| = \dfrac{1}{n}\)이다. \(n\)이 한없이 커지면 \(\dfrac{1}{n}\)은 0에 한없이 가까워지므로 \(\lim_{n \to \infty} a_n = 2\)이다.

\(\dfrac{1}{n} < 0.001\)이려면 \(n > 1000\)이어야 한다. 그러므로 1001번째 항부터는 모든 항이 2와 0.001보다 가깝다. 같은 방법으로 \(\varepsilon = 10^{-6}\)이면 \(n > 10^6\)이면 된다. 어떤 \(\varepsilon\)을 주어도 그에 맞는 번째 수를 찾을 수 있으므로 수렴한다.

처음 몇 항이 어떤 값이든 수렴 여부에는 영향이 없다. 수렴은 \(n\)이 충분히 클 때의 모습만으로 정해진다. 아래 탐구 카드에서 수렴의 뜻과, 처음 몇 항만 보고 판정하면 생기는 함정을 직접 확인해 보자.

  1. 대학에서는 이 생각을 '모든 \(\varepsilon > 0\)에 대하여 \(n \ge N\)이면 \(|a_n - \alpha| < \varepsilon\)이 되는 \(N\)이 존재한다'로 정확히 쓴다. 이를 \(\varepsilon\)-\(N\) 논법이라 한다.
마무리

수열이 \(\alpha\)에 수렴한다는 것은 \(n\)이 커질 때 \(a_n\)과 \(\alpha\)의 거리가 0에 한없이 가까워진다는 뜻이며, 아무리 작은 오차를 정해도 어느 항부터는 모두 그 안에 들어온다. 수렴하지 않으면 무한대로 발산하거나 진동한다. 그래서 처음 질문의 수열 \(1.9, 1.99, \ldots\)는 3과의 거리가 1보다 작아지지 않으므로 극한은 3이 아니라 2이다.

탐구 1

수열이 한 값에 '한없이 가까워진다'는 것은 무엇일까?

수열의 수렴 · 띠 판정
40번째 항
—
\(N\) (이후 모두 띠 안)
—
판정
—

그림은 처음 40개 항만 보여 준다. \(N\)과 판정은 2000번째 항까지 계산한 결과이고, 1001번째 이후에도 띠 밖 항이 있으면 ‘없음’으로 표시한다.

  1. 질문수열 \(1 + \frac{(-1)^n}{n}\)은 1보다 컸다 작았다를 되풀이한다. 그래도 1에 한없이 가까워진다고 말할 수 있을까? 말할 수 있다면 그 말을 무엇으로 확인할까?
  2. 복원수열 \(\{a_n\}\)은 자연수 \(n\)에 수 \(a_n\)을 대응시킨 함수이다. 함수의 극한에서는 \(x\)가 \(a\)에 다가갈 때 \(f(x)\)가 어디로 가는지 보았고, 수열에서는 \(n\)이 한없이 커질 때\((n \to \infty)\) \(a_n\)이 어디로 가는지 본다.
  3. 설명\(n\)이 한없이 커질 때 \(a_n\)의 값이 일정한 값 \(L\)에 한없이 가까워지면 수열 \(\{a_n\}\)은 \(L\)에 수렴한다고 하고, \(L\)을 극한값(극한)이라고 하며, 기호로 \(\lim_{n\to \infty} a_n = L\) 또는 \(n \to \infty\)일 때 \(a_n \to L\)로 쓴다. 한없이 가까워진다는 말은 \(L\) 둘레에 아무리 좁은 띠 \((L - \varepsilon, L + \varepsilon)\)를 그려도 어떤 번호 \(N\)부터 뒤의 항이 모두 그 띠 안에 들어간다는 것으로 확인한다. 띠를 좁히면 \(N\)은 커질 수 있지만 \(N\)이 없어지지는 않으며, 수렴하지 않는 수열은 발산한다고 한다.
  4. 연결상수수열 \(a_n = c\)도 모든 항이 처음부터 띠 안에 있기 때문에 \(c\)에 수렴한다. 또 함수 \(y = f(x)\)에서 \(\lim_{x\to \infty} f(x) = L\)이면 \(a_n = f(n)\)도 \(L\)에 수렴하며, 극한값을 구하는 계산은 다음 절의 성질로 이어진다.
  5. 적용첫 번째 수열에서 \(L = 1\)로 두고 \(\varepsilon\)를 0.5에서 0.01까지 줄이며 \(N\)이 어떻게 바뀌는지 보고, 같은 수열에서 \(L\)을 1.25로 옮기면 \(\varepsilon\)를 줄였을 때 무엇이 달라지는지 확인해 보자. 세 번째 수열 \((-1)^n\)은 \(L\)을 어디에 두어도 \(\varepsilon = 0.5\) 띠 안에 모든 항을 넣을 수 있는지 보고, \(\sqrt{n}\)은 어떤 \(L\)을 골라도 결국 띠 위로 빠져나가는 것도 확인해 보자.
  6. 판단항이 \(L\)에 점점 가까워지면 수렴한다는 말은 부족하다. \(\frac{1}{n} + 1\)도 0에 점점 가까워지지만 0에 수렴하지 않으므로, 가까워지는 정도가 0으로 줄어야 한다. 또 극한값에 도달하지 않는다는 생각도 틀리는데, 상수수열은 처음부터 극한값과 같기 때문이다. 컴퓨터로 2000번째 항까지 계산한 것은 증거일 뿐 증명이 아니고, 증명은 부등식 \(|a_n - L| < \varepsilon\)가 성립하는 \(N\)을 식으로 찾아야 한다.

확인조건이 달라지면

수열 \(a_n = \frac{3n + 1}{n}\)은 3에 수렴한다. \(|a_n - 3| < 0.01\)이 \(n \ge N\)인 모든 \(n\)에서 성립하는 가장 작은 자연수 \(N\)은?

탐구 2

처음 몇 항만 보고 수렴·발산을 판정해도 될까?

수열의 발산 · 양의 무한대 · 음의 무한대 · 진동

1단계 · \(n \le 10\)만 보고 예상을 고르세요.

\(a(10)\)
—
\(a(11)\)
—
내 예상
—
판정
—

진한 점은 \(n \le 10\)인 항이다. 범위가 넓으면 항을 고르게 골라 찍고, 짝수 번째와 홀수 번째를 함께 찍는다.

  1. 질문수열 \(\frac{100n}{n^2 + 100}\)의 처음 열 항은 약 \(0.99, 1.92, 2.75, \cdots, 5\)로 점점 커진다. 이 수열은 양의 무한대로 발산할까?
  2. 복원수열이 \(L\)에 수렴한다는 것은 \(L\) 둘레의 아무리 좁은 띠에도 어떤 번호부터 뒤의 항이 모두 들어간다는 뜻이고, 수렴하지 않으면 발산한다고 한다.
  3. 설명발산하는 수열은 세 갈래로 나눈다. \(a_n\)의 값이 한없이 커지면 양의 무한대로 발산한다고 하고 \(\lim_{n\to \infty} a_n = \infty\)로 쓰며, 음수이면서 절댓값이 한없이 커지면 음의 무한대로 발산한다고 하고 \(\lim_{n\to \infty} a_n = -\infty\)로 쓴다. 수렴하지도 않고 양의 무한대나 음의 무한대로 발산하지도 않으면 진동한다고 한다. 이때 \(\infty\)는 수가 아니라 한없이 커지는 상태를 나타내는 기호이므로, \(\lim a_n = \infty\)라고 써도 극한값이 있다는 뜻이 아니다.
  4. 연결판정은 \(n\)이 한없이 커질 때의 모습으로만 하므로, 처음 유한 개의 항을 바꾸거나 지워도 수렴, 발산과 극한값은 바뀌지 않는다. 그래서 식을 \(n\)이 클 때 중요한 부분과 덜 중요한 부분으로 나누어 보는 방법이 다음 절에서 쓰인다.
  5. 적용네 수열마다 \(n \le 10\)만 보고 예상을 먼저 고른 다음, 범위를 \(10^6\)까지 넓히고 판정을 확인해 보자. \(\log_{10} n\)은 \(n\)이 10배가 될 때 1씩만 커지는데, 이 수열이 어떤 값에 수렴하지 않는 이유를 띠로 설명해 보자. 그리고 \((-1)^n \cdot \frac{n}{n + 1}\)에서 짝수 번째 항만 모으면 어디로 가는지 보자.
  6. 판단진동은 오르내린다는 뜻이 아니다. \(\frac{(-1)^n}{n}\)은 부호가 번갈아 바뀌지만 0에 수렴하고, 반대로 \(1 - \frac{1}{n}\)처럼 커지기만 하는 수열도 수렴할 수 있다. 또 화면에서 \(10^6\)까지 본 것도 유한 개의 항이므로 판정의 근거는 식이어야 한다. 예를 들어 \(\log_{10} n > M\)은 \(n > 10^M\)이면 성립하므로, 어떤 큰 수 \(M\)도 결국 넘는다.

확인조건이 달라지면

수열 \(a_n = n - 1000\)은 처음 999개 항이 모두 음수이다. 이 수열의 수렴·발산은?

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