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대학수학2 3주차

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9. 5
♣
크 래 머 공 식
       ⋯   
      ⋯   
∗   
⋮
⋮
⋮
       ⋯   


 


⋮
 

 ⋯  
 ⋯ 

⋮
⋮
 ⋯  





 



⇔
⋮
⋮

 

 ⋯     
 ⋯ 


⋮
⋮
⋮
 ⋯     


  


 
⋮
  

 

⋮
 
   
⇔   
  

 
⋮
  


계수 행렬  는 정칙(가역) 행렬이라 하자. 방정식    의 양변에  을 곱하면
     ⋯
    ⋯

      
det  ⋮ ⋮
     ⋯

    
  
        ⋯   
       ⋯  

   
det 
⋮
⋮
⋮
    
        ⋯   
 


이 된다. 위 식을   ≤  ≤   번째 성분에 대하여 다시 쓰면,
       ⋯  
  
det 
  의 행렬식이다.
이다. 여기서        ⋯   는 행렬  의  번째 열을  의 성분으로 바꾼 행렬 
det 
 



⋮

⋯   
⋯   
⋮ ⋮
⋯   
   
   
⋮ ⋮
   
⋯
⋯
⋮
⋯


⋮


따라서, 선형계    의 해를
det 

        ⋯  
det 
으로 나타낼 수 있는데, 이를 Cramer 공식(Cramer’s Rule)이라 부른다.
예제
다음 선형계의 해를 크래머 공식을 이용하여 구하시오.
[풀이]
         

 
    

       
:
기본 행연산을 이용하여 계수 행렬을 상삼각화하여 행렬식을 구한다.
  
  
  
det      
  
  

det       
  
  
  
  
 
 
  
  
  




 

  
  
  
  
  
 ⋅   ⋅     
 ⋅   ⋅   
  
  
  

det       
  
  
  
  
  

det       
  
  
  
  

 
 ⋅   ⋅     

 

  
  

 ⋅   ⋅     
크래머 공식에 의해서
det 


       ,
det 

det 


        ,
det 

( 9.3절의 예제 1과 9.4절의 예제 7의 결과와 같다. )
det 


      
det 

■
10장 무 한 급 수
10.1
수열
정의
w (무한) 수열(infinite sequence)이란 정의역(domain)이 자연수(양의 정수) 집합이고 공역(codomain)이 수의 집합인
함수이다. 즉, 수열은 다음과 같은 함수로 나타낼 수 있다.
   →                ⋯ 
 는 어떤 수의 집합인데, 여기서는    (실수의 집합)이다.
w 수열은         ⋯    ⋯ ,    ∞
   , 또는 간단히     으로 나타낸다.
수열의 극한에 관한 엄밀한 정의
♣
수열
   은  에
수렴한다.
⇔
lim   
→∞
∀     ∃      
⇔
주어진 임의의 양수    에 대해 다음을 성립시키는 자연수       이
존재한다. :
♣
수열
   은
발산한다.
⇔
       .
⇔
수열
   은
≥
수렴하지 않는다.
≥
⇒
⇔
⇒
      

∃  ∈   lim   
→∞
정리
만약
lim       이고       이면 (  은
양의 정수 ),
→∞
lim    이다.
→∞
정리 (수열의 극한 성질)
   과    을
수렴하는 (실수) 수열이라 하자. 즉,
lim    , lim    인
→∞
두 실수    이 존재한다고
→ ∞
하자. 그러면, 다음이 성립한다.
1. lim   ±     lim  ± lim     ± 
2. lim        (  ∈  )
3. lim  ⋅    lim ⋅ lim    ⋅
lim 


→∞
4. lim        ≠  

lim  
→∞ 
→∞
→∞
→∞
→∞
→ ∞
→∞
→ ∞
→ ∞
5. lim  
→∞


lim               .
→ ∞
샌드위치 정리 ( 또는 압축 정리 )
   ,   
성립하고,
그리고
   을
(실수) 수열이라 하자. 만약 모든  ≥  (  : 양의 정수 )에 대해  ≤   ≤   가
lim     lim  이라면, lim    이다.
→ ∞
→ ∞
→∞
정리
만약
lim    이고
함수  가  에서 연속이라면,
→ ∞
lim       lim        이다.
→∞
→∞
예제
ln 
ln 

1. lim   lim    ( L’Hospital 법칙을 적용 )이므로 lim    이 된다.

→∞ 
→∞
→∞ 


2. lim sin     sin lim      sin    .
→ ∞
→∞
ln 
ln 



  이 된다.

3. lim 
(
L’Hospital
법칙을
적용
)이므로
lim
lim





→∞ 
→∞ 
→∞ 
정의
   을
실수들의 수열이라 하자.
(i)
   은
(단조)증가(monotone increasing)
<===>
∀ ≥    ≤   
(ii)
   은
(단조)감소(monotone decreasing)
<===>
∀ ≥    ≥   
♣
단조증가하거나 단조감소하는 수열을 단조수열이라 한다.
예제
1.

2.
;
   
  





; (단조)감소


(단조)감소



∵             ∀ ≥  .
     



∵ 함수      
를 고려하자.
  
          
  
 
   ∀   .
 ′   




   
   


      


따라서, ∀ ≥         .
결국,
   은
(단조)감소한다.
정의
   을
실수들의 수열이라 하자.
(i)
   은
위로 유계 (bounded above)
(ii)
   은
아래로 유계 (bounded below)
(iii)
   은
유계 ( bounded ) <===>
<===>
∃  ∀ ≥     ≤  . (  :
<===>
<===>
  
:
   의
∃  ∀ ≥     ≥  . (  :
상계 )
   의
하계 )
위로 유계이고 아래로 유계
∃    ∀ ≥       ≤  .
Recall : 실수의 완비성 공리 ( Axiom of Completeness )
-- 공집합이 아닌 어떤 실수의 부분집합  가 위로 유계이면,  의 최소상계가 존재한다.
단조수열 정리
♣ 임의의 유계인 단조수열은 수렴한다.
<==> (i) 위로 유계인 모든 증가 수열은 최소상계로 수렴한다.
(ii) 아래로 유계인 모든 감소 수열은 최대하계로 수렴한다.
[증명]
   을
위로 유계인 단조증가 수열이라 하자. 그러면, 완비성 공리에 의해 부분집합  
    ≥   의
최소상계  이 존재한다.
w 주어진 임의의 양수    에 대해    은  의 상계가 아니다. => 적당한 양의 정수  에 대해
     가 성립한다.
w 수열
   은
단조증가 수열이므로 ∀     ≥      .
이것은 ∀     ≤     
==>
∀           를 뜻한다.
따라서, 수열의 극한에 대한 엄미한 정의에 의해
lim    이다.
→ ∞
w 아래로 유계이고 단조감소하는 수열
   에
대한 증명도 위의 방법과 비슷하다.
■
정리 10.1.2
   을
단조수열이라 하자. 그러면,
  
:
  
수렴 <===>
:
유계.
예제
1. 수열
   이
   은
[풀이]
다음과 같이 주어졌다. :
수렴함을 보이고, 극한값
  
     
lim  을
   

∀ ≥  .
찾으시오.
→ ∞
  
     
▶
    ∀ ≥ 

  
    
  
  
   ,
그러면,    
  


       ≥   가 성립한다고 해보자.
       가

성립한다. 결국 수학적 귀납법에 의해서
   은
증가한다.
▶    
   

∀ ≥  ==>            ∀ ≥ 
==>
 ≤     ∀ ≥ 
단조
<==>
   은
<==>           ≤   ∀ ≥ 
∀ ≥    ≤  .
==>
따라서,
     ≤   ∀ ≥ 
위로 유계이다.
단조수열 정리 (Monotonic Sequence Theorem)에 의해서 수열
▶
lim    하자.
그러면,
→ ∞
==>
2.
   
lim     lim 
→∞
→ ∞
   은

lim      

→∞
  
   ⇒         ⇔          
 
 
 
lim        lim            lim           .
→∞
→ ∞
→∞

 
( ∵  ≤      
≤

,
lim 
→∞
 

lim 
→∞ 
수렴한다.
     . 샌드위치 정리)
==>
  .
■
10.2
무한급수
정의
∞
w 주어진 수열   에 대해서



         ⋯    ⋯ 형태를 무한급수(infinite series)라 한다.
무한급수는 대수적(algebraic) 합(sum)이 아니다.
w  은 무한급수의  째 항이라 불리며,
   ,
     ,
        ,
      ⋯   ,
⋯
⋯
∞
각 항이 위와 같이 정의된 수열
  을
무한급수


의
부분합 수열(sequence of partial sums)이라 한다.
그리고,  을  째 부분합(partial sum)이라 한다.
♣
무한급수를 간단히 급수라 부른다.
w 급수의 수렴과 발산 :
∞
lim     ∈ 
<==> 급수
→ ∞


은
수렴하며, 합은  이다.
∞
▶ 급수


∞

부분합 수열
  이
수렴하지 않을 때 급수


은
발산한다고 한다.
♣ 복습
∞
w 기하급수(등비급수)
 
 


lim    

→ ∞
     

 ≠
  ≠   의  째 부분합은     
이므로,      이면





 

이고,    ≥  이면 부분합 수열
∞
 
 
  ≠  :
  은
수렴
발산한다. (여기서  은 공비(common ratio)이다.) 즉,
<===>
  

정리
∞
임의의 자연수  에 대하여


∞

: 수렴
<===>



: 수렴
정리 10.4
∞
급수


이
수렴하면,
lim     이다.
→∞
∞
[증명]


이
수렴 ==> ∃ ∈  
lim    .
→ ∞
lim    lim         lim   lim          .
→∞
→∞
→ ∞
→ ∞
■
따름정리 [ 일반항 판정법 또는 발산 판정법 (Test for Divergence or nth-Term Test) ]
∞
lim  이
극한
존재하지 않거나
→∞
lim  ≠  이면,
급수
→ ∞


은
발산한다.
예제
∞






(i)
∞
(ii)
   



∵ lim   lim   lim        ≠  .


→∞
→ ∞
→ ∞
발산

∵ lim   lim       does not exist.
발산
→∞

∞


(iii)





  
→ ∞





발산 ∵ lim   lim 
≠.
lim











→ ∞
→∞  
→ ∞


정리 [ 급수의 성질 ]
∞


∞

과


∞
 을 수렴하는 급수들이라 하자. 즉, 적당한 두 실수   에 대해
∞
(i) (합/차 규칙)
 

∞

±  
∞
(ii) (상수배 규칙)
 



∞

±



  ±.
∞





     ∈  .


∞
   ,



  이라 하자.
∞

[증명]

∞

과


의
부분합 수열을 각각
 이라
 과 
lim   
  
lim 
이고
→∞
→∞
∞
이며, 급수
 

하자. 그러면 가정에 의해서

±    의  째 부분합  은

 



±   

 ± 




  ± 
  이 된다. 고로,
    lim  ± lim 
    ±  이다. 따라서
lim   lim   ± 
→∞
→∞
→∞
→∞
∞
 


또한, lim
 
→∞   
∞

±  


∞

±


  ±.

∞


 lim 
→∞



 lim     lim     이므로,
→∞
→∞
 


   이다.
■
연습문제
♣ 다음 급수가 수렴하는지 발산하는지 판정하시오.
∞
1.







   



lim    lim
→∞
→∞

 


  lim   
   
→∞
∴
∞







   




 







        ⋯        
   
   





  , 고로 급수는 수렴한다.



■
∞
2.
    ln 
  
  ln
  ln     ln
  ln
   ⋯   ln
    ln
 
lim   lim  ln
→∞

→∞
 lim ln
  ∞.
→∞
∴
∞
급수
    ln 
 는
  ln
발산한다.
■

∞
3.

 .
    
     lim 
lim   lim 


→∞
→ ∞
 → ∞       
    
  
  

  
    
  
   ⋯   
    
      
    
  
lim   lim   
→∞
→∞
∴
 lim 
    
   ∞.
→∞
∞
    
 
  
발산.
■

♣ 아래 각 급수의 합을 구하시오.
∞
1.


         





lim 
lim   lim
→∞
→∞

→∞



   
  


         
    
    
 


 







        ⋯        
    
    
    
    





     .
    

∞


         
∴


∞
2.

 .
■
  
 
ln     
ln     



 




 lim         .
ln     
ln 
ln 
lim   lim
→∞
→∞





    

ln 
ln 
ln 
ln 



 ⋯    
ln     
ln 
 


   
ln     
ln     

→∞
∴
∞


∞
3.
  tan






ln     
ln     


 .
ln 
■

  tan        

lim   lim   tan     tan       tan     tan      ⋯   tan     tan         
→∞
→∞



 lim  tan     tan               .



→∞
∴
∞
  tan




  tan           .

■
∞

♣ 급수
가 수렴하는지 발산하는지 판정하시오.




 

[증명]
 


 






 ln      ln         ln  이라 하자. 그러면,  ′         .
.      ln 


따라서    에서  ′      이며,      에서  ′      이 된다. 이는     가    ∞  에서는 단조
증가하고      에서는 단조 감수함을 뜻한다.
      이므로,       이다.

  ⇒    .
결과적으로, ln 


∞


그러므로, 기하급수


 


∞







의 공비 
는  보다 큰 값이어서 급수

∞

는 발산한다.


 

■
10.3
비교판정법과 적분판정법
정의
∞
w



: 양항급수
∞

w 두 급수

<===>
∀ ≥    ≥ 
∞

과


∞
이
양항급수일 때, [모든 자연수  에 대하여  ≤   ]이면 [


∞
이



을 지배한다.]고
한다.
적분판정법 ­ The Integral Test
 를    ∞  에서 연속이고 감소하며, 양의 함숫값을 가지는 함수라 하자. 그리고       이라 하자. 그러면
∞
급수



과 특이적분

∞
     는 동시에 수렴하거나 동시에 발산한다.

∞
즉,



:
수렴
<===>


     :
수렴
     :
발산

∞


∞
:
발산
<===>


∞
[증명]
   일 때 보여보자. (일반적인  에 대한 증명은 이와 유사하다.)
==>

 
     ≤      ⋯   

이고

      ⋯     ≤  

    

이 부등식들은 모든  에 대해 성립하며,  → ∞ 일 때도 성립한다.

∞
     ≤ lim
→∞




∞
     ≤ lim       ⋯     
→∞
∞



 lim        ⋯      ≤ lim   
결과적으로, (i)
→∞

→∞



        
     이 유한(수렴)하면, 두 번째 부등식에 의해서

,
∞
    .



∞



∞
∞

(ii)


 이 유한(수렴)하면, 첫 번째 부등식에 의해서 특이적분

도
유한하다(수렴한다).
∞
     도 유한하다(수렴한다).

뿐만 아니라, 위의 두 부등식에 의해 다음이 성립함을 얻을 수 있다.


∞
∞
     :
발산
<==>



:
발산
■
예제
∞
 -급수 (  -series)
1. 다음이 성립함을 보이시오. :

[증명] w  ≤  ,





    ≥  라고 하자. 그러면   
: 수렴

  .
<===>
∞

 ≥ ⇒
 

 ∞.

∞

w   ,
 
 

w ≠,   ,


∞
∞

   ∞ .

      


   lim
→∞

( 조화급수 harmonic series )





  ∞  위에서 연속이고 감소하며 양의 함숫값을 가지는 함수이다.




  

 lim 
  lim  

→∞     
→∞    
∞
그러므로, 적분판정법에 의해서





: 수렴 <===>

  
  .
 
 if   
     

 ∞  if   
■
2. 다음 급수가 수렴하는지 발산하는지 결정하시오.
∞
(1)



:

  

    
이라 하면,  는   ∞  에서 연속이며 양의 함숫값을 가진다. 뿐만 아니라,

 

  은  가   ∞  에서 감소함을 뜻한다.
 ′    
    
∞










tan
tan






lim
lim




→∞
→∞
  
∞
그러므로, 적분판정법-the integral test에 의해서 급수


∞
(2)


  ln  
:






      and       .




는 수렴한다.

  
■

    
이라 하면,  는   ∞  에서 연속이며 양의 함숫값을 가진다. 뿐만
  ln   
  ln 
  ln  
  는 함수  가   ∞  에서 감소함을 뜻한다.
아니라, 부등식  ′      




∞
   

  lim   lim


ln


 → ∞  ln  
→∞








ln 
ln 
∞
그러므로, 적분판정법-the integral test에 의해서 급수


  이고       .
ln 


  ln  


는 수렴한다.
■
비교판정법 [ The Comparison Test ]
∞


∞

과



을 양항급수라 하자. 그리고, 어떤 자연수  에 대해 다음이 성립한다고 하자.
∞
(1)


∞
이
수렴하면,


∞
도
수렴한다.
(2)


 ≤   ∀ ≥  .
∞
이
발산하면,


도
발산한다.
      ⋯   ,           ⋯   , 
        ⋯    , 그리고
[증명]

             ⋯    이라 하자.
∞

♣

: 수렴 ==> ∃  ∈    ∞  

lim   lim       ⋯       .
→ ∞
==>
→ ∞
lim           ⋯            ⋯        ∈  .
→ ∞
 ≤   ∀ ≥  이므로 lim           ⋯     ≤   이고, ∃   ∈   ∞   lim     .
→ ∞
따라서,
→∞
lim   lim       ⋯             ⋯       ∈    ∞  .
→∞
→∞
∞

고로,

은
수렴한다.
∞
♣



: 발산
==>
lim   ∞
→∞
==>
lim   ∞
==>
→∞
lim   ∞
→∞
==>
lim   ∞ .
→∞
∞
고로,


은
발산한다.
■
예제
∞
1.




      
:

 
∀ ≥   
≤
이고,

 
      

     에 의해서 수렴한다.
∞
 
 ∞ 

  
 은  -급수 판정법




 


∞
그러므로, 급수


∞
의해서 급수


∞
2.


ln 
:



은 급수

      


ln 
 ∞ 이며,


∞
고로,


 
을 지배하므로 비교판정법(Comparison Test)에
  




은 수렴한다.

      
∞
ln 

∀ ≥    ≥  , 그리고


∞
∞
∞








■
∞

         ∞ .
∞
ln 
ln 
ln 




  ∞.


 

ln 
는 발산한다.


■
극한비교판정법 ( Limit Comparison Test )
모든  ≥  에 대해       이라 하자.
1.
→∞
2.


 ∞ 이고
lim 

→∞




  이고
lim 

→∞
3.
∞

    이면,
lim 


∞
과


∞


수렴하면,



∞

모두 수렴하거나 모두 발산한다.

∞
이
도
수렴한다.
∞

발산하면,
따라서, 비교판정법에 의해서



도
발산한다.
[증명]
1.


 
lim 
→ ∞  


==> 주어진    에 대해,














⇔     



∞
따라서, 비교판정법에 의해서


2.


 
lim 
→∞ 
==>
과


은

3.


 ∞
lim 
→∞ 
==>

수렴 ==>




 ≤ 

∞

둘 다 수렴하거나, 둘 다 발산한다.
∞
∃  ∀ ≥ 
고로, 비교판정법에 의해서












 

   ≤  ⇔       .

∞

⇔
∞
∃  ∀ ≥ 
고로, 비교판정법에 의해서
∃  ∀ ≥ 

수렴.
⇔    ≤  .
∞

발산 ==>



발산.
예제
∞
1.


  
:

     
  




  

이고
이라 하자. 그러면




     


   
  
 lim 

 .
lim 
lim



→ ∞  
→∞       
 → ∞     
■
∞

 ∞ 이므로, 극한비교판정법에 의해서 급수



 

∞
2.


   ln 
:

  
극한비교판정법에 의해서


∞
4.


ln 

 
   ln 
은 발산한다.

 

ln 
:




■
∞


은
발산함을

   ln  
  ln    
 lim 

  이므로,
lim 
lim


→∞  
→∞
→∞
    ln 
    
∞
3.
  
은 발산한다.

    
ln 
   ln 
 ln 


  

이고
이라 하자. 위 예제에서 급수




  

밝혔다. 그리고
∞
∞

■
연습문제 10.3
∞
∞

25. 양항급수

 이 수렴할 때



[풀이] ∀ ≥    ≤  ≤  이고,

∞
26. 양항급수


[풀이] Fact :

은 수렴하는 급수인지 아닌지를 밝히시오.


∞


∞

 이 수렴하므로 비교판정법에 의해서 급수


은 수렴한다.


■
∞
이
수렴할 때
 sin 

은
수렴하는 급수인지 아닌지를 밝히시오.
sin

 .
lim 

→
sin 
 이 수렴하므로 lim    이다. 고로, Fact에 의해서 lim    이다.

→∞
→ ∞

∞
급수

또한, 충분히 큰 자연수  이 존재해서 ∀ ≥  에 대해      가 성립하여 sin    가 성립한다.
∞


∞
이
수렴하므로

 
∞
 도 수렴하며, 극한비교판정법에 의해서 급수

 
sin  은 수렴한다.
∞
수렴하는 급수에 유한 개의 항을 추가해도 수렴성은 변하지 않으므로
 sin 


또한 수렴한다.
■
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