[수학] 기하급수의 합 공식, 어떻게 유도될까?

 

기하급수의 합 공식, 어떻게 유도될까?

학교 수학에서 자주 등장하는 기하급수(geometric series).
공식만 외우고 넘어가는 경우가 많지만, 실제로는 간단한 아이디어로 유도할 수 있습니다.


1. 유한합부터 시작하기

기하급수의 nn항 합은 다음과 같습니다.

Sn=a+ar+ar2+⋯+arn−1S_n = a + ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1}

여기서 aa는 첫째항, rr은 공비입니다.

이제 양변에 rr을 곱해봅시다.

rSn=ar+ar2+⋯+arn−1+arnrS_n = ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1} + ar^n

2. 두 식을 빼기

Sn−rSn=a−arnS_n - rS_n = a - ar^n

즉,

(1−r)Sn=a(1−rn)(1-r)S_n = a(1-r^n)

따라서 r≠1r \neq 1일 때,

Sn=a(1−rn)1−r\boxed{S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}}

👉 이것이 유한한 기하급수의 합 공식입니다.
만약 r=1r=1이라면 단순히 Sn=naS_n = na가 되겠죠.


3. 무한급수로 확장

이제 무한히 더하는 경우를 생각해봅시다.
무한급수의 합은 단순히 “끝까지 더한 값”이 아니라, 부분합의 극한값으로 정의됩니다.

S=lim⁡n→∞Sn=lim⁡n→∞a(1−rn)1−rS = \lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \frac{a(1-r^n)}{1-r}

여기서 핵심은 ∣r∣<1|r| < 1이면 rn→0r^n \to 0이 된다는 점입니다.

따라서,

S=a1−r(∣r∣<1)\boxed{S = \frac{a}{1-r} \quad (|r|<1)}

반대로 ∣r∣≥1|r|\geq 1이면 rnr^n이 0으로 가지 않으므로 합은 존재하지 않습니다(발산).


4. 정리

  • 유한합:

    Sn=a(1−rn)1−r,(r≠1)S_n = \frac{a(1-r^n)}{1-r}, \quad (r \neq 1)
  • 무한합:

    S=a1−r,(∣r∣<1)S = \frac{a}{1-r}, \quad (|r|<1)

즉, 무한히 더해도 특정 값에 “수렴”하는 경우가 존재하며, 그 조건은 바로 ∣r∣<1|r|<1입니다.


👉 결론:
기하급수의 합 공식은 단순한 공식 암기가 아니라, 곱하고 빼는 작은 아이디어에서 시작됩니다.
공식을 외우기보다 유도 과정을 이해하면, 훨씬 직관적으로 다가올 거예요.

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