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  • 1/n 의 급수 (부제: 특이적분을 사용한 급수의 수렴 판정)
    수학/미적분 2024. 3. 1. 00:15

    무한급수의 수렴 판정은 경우에 따라 매우 쉽기도 하지만 ( 1+r+r2+r3+ ) , 다음 급수와 같은 경우는 배경 지식에 따라 쉽지 않을 수 있다.

     

    n=11n

    의 수렴 여부를 두 가지 다른 방법으로 보일텐데, 첫 번째는 1n들을 정직하게 사용해서 무한대가 됨을 보이고, 그 다음은 특이적분을 사용해서 같은 결과가 나옴을 보이려고 한다.

     

    1.

    우선 n=11n의 수렴 여부를 판정하기 위해 이 급수를 다음과 같이 다시 쓰자. (사실 다음 식에서 두 번째 괄호 안에는 하나의 항이 있다.)

    (120)+(120+1++121)+(121+1++122)+

     

    맨 처음 항을 제외한 각각의 괄호 안의 항들의 합은 일반적으로 12k+1++12k+1의 형태라서 이 항들의 개수는 2k+12k=2k이다. 즉, 괄호 안의 수들의 합은 2k2k+1=12보다 크기 때문에 전체의 합은 무한대가 된다.

     

    이런 종류의 증명은 이해하기는 쉬우나 직접 생각해내는 것은 그렇지 않고 수렴을 판정하기 위해서는 급수에 따라 각각 다른 방법이 필요하곤 한다.

     

    그에 비해 다음 설명할 두 번 째 방법은 수열과 관련한 함수의 역도함수를 찾는 것으로 수렴을 판정하는 방법인데, 많은 경우 급수마다 새로운 접근을 하는 것에 비해 역도함수를 찾는 것이 더 수월하다는 것이 장점이다.

     

    2.

    아래는 (양수에서 정의된) 1x 함수의 그래프인데, 그것만이 아니라 넓이가 1,12,13,14,직사각형들도 함께 표시되어있다. 이 그래프로 알 수 있는 것은 f(x)=1xx축 사이의 넓이인 정적분 값보다 무한 개의 직사각형들의 넓이의 합인 1+12+13+14+이 더 크다는 점이다. 그런데 빨간색 곡선과 x축 사이의 넓이인 특이적분 11xdxln()ln(1)이고 이 값이 무한대이므로 우리가 관심있는 급수 1+12+13+14+도 발산함을 알 수 있다.

    1/x 그래프와 수열 1/n의 급수

     

    증명은 생략하지만 위의 그래프를 보면 좀 더 일반적인 경우에도 무한급수의 수렴은 적당한 특이적분을 구하여 판정할 수 있겠다는 생각을 할 수 있는데, 여기서 일반적인 경우에 대한 기술은 아래 정리와 같다.

     

    <정리> f(x)x1에서 정의된 연속인 함수일 때, 함수값이 양수이고 단조감소(증가하는 곳이 없이 계속적으로 감소)하면 무한급수 i=1f(i)가 수렴하기 위한 필요충분조건은 1f(x)dx가 수렴하는 것이다.

     

    3. 방법 1에 대한 부연 설명

    위에서 무한급수 n=11n의 수렴 판정을 위한 첫 번째 방법을 처음 생각한 사람은 어떤 과정으로 생각해 냈을지 모르겠지만, 내 경우엔 n=11n이 위의 그래프에서 보이는 것처럼 11xdx와 같은 추세로 증가한다는 점에 착안한 결과이다. 지수/로그함수의 미분에서 설명한 것처럼 1z1xdx는 일종의 지수함수의 역함수이므로 z가 기하급수적으로 증가하면  1z1xdx도 결국 원하는만큼 충분히 커지게 되는 성질이 있다는 사실을 사용하였다.

     

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