[수학] 기하급수와 합: 수렴급수만 가능한 이유

 

기하급수와 합: 수렴급수만 가능한 이유

수학에서 기하급수(geometric series)는 각 항이 일정한 비율 rr로 증가하거나 감소하는 급수를 말합니다.

a+ar+ar2+ar3+a + ar + ar^2 + ar^3 + \cdots
  • aa : 첫 번째 항

  • rr : 공비


1. 기하급수 합 공식

기하급수의 합 공식은 다음과 같습니다.

S=a1r,r<1S = \frac{a}{1-r}, \quad |r| < 1
  • 중요 조건: r<1|r| < 1

    • 부분합이 유한한 값에 수렴해야만 공식 적용 가능

    • r1|r| \ge 1이면 급수는 발산, 합 공식 적용 불가


2. 합 공식 유도 (증명)

n항 합 SnS_n를 생각합니다.

Sn=a+ar+ar2++arn1S_n = a + ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1}

공통인수 aa를 묶고:

Sn=a(1+r+r2++rn1)S_n = a(1 + r + r^2 + \cdots + r^{n-1})

이제 SnS_nrSnr S_n을 빼면:

SnrSn=1rnSn=1rn1rS_n - r S_n = 1 - r^n \quad \Rightarrow \quad S_n = \frac{1 - r^n}{1-r}
  • 무한급수 합: nn \to \infty

S=limnSn=limna(1rn)1rS = \lim_{n\to\infty} S_n = \lim_{n\to\infty} \frac{a(1 - r^n)}{1 - r}
  • r<1|r| < 1 → rn0r^n \to 0 → S=a1rS = \frac{a}{1-r}

  • r1|r| \ge 1 → rnr^n이 0으로 수렴하지 않음 → 합 공식 적용 불가


3. 발산급수에서 공식 억지 적용 사례

강하게 발산하는 급수:

1+2+4+8+1 + 2 + 4 + 8 + \cdots
  1. 급수를 SS라고 정의:

S=1+2+4+8+S = 1 + 2 + 4 + 8 + \cdots
  1. 양변에 2를 곱하면:

2S=2+4+8+16+2S = 2 + 4 + 8 + 16 + \cdots
  1. 원래 SS에서 2를 빼면?

2SS=(2+4+8+)(1+2+4+)=12S - S = (2 + 4 + 8 + \cdots) - (1 + 2 + 4 + \cdots) = -1
  1. 따라서 억지로 계산하면:

S=1S = -1
  • 문제점: 실제 부분합은 1 → 3 → 7 → 15 → … 끝없이 증가

  • 공식대로 계산하면 현실과 맞지 않는 결과가 나옴 → 논리적으로 말이 안 됨


4. 직관적 이해

(1) 수렴하는 기하급수 (r<1|r|<1)

1+12+14+18+1 + \frac12 + \frac14 + \frac18 + \cdots
  • 부분합: 1 → 1.5 → 1.75 → 1.875 → … → 2

  • 합 공식 적용 가능 → S=1/(11/2)=2S = 1/(1-1/2) = 2

(2) 발산하는 기하급수 (r1|r|\ge 1)

1+2+4+8+1 + 2 + 4 + 8 + \cdots
  • 부분합: 1 → 3 → 7 → 15 → … → 끝없이 커짐

  • 합 공식 적용 불가 → 억지 적용하면 S=1S=-1과 같은 말도 안 되는 결과


5. 핵심 포인트

  1. 기하급수 합 공식은 수렴급수에만 의미가 있다.

  2. r<1|r| < 1일 때만 부분합이 유한한 값으로 수렴 → 공식 적용 가능

  3. r1|r| \ge 1이면 급수는 발산 → 합 공식 적용하면 논리적으로 말이 안 되는 결과 발생


💡 한 문장 요약:

기하급수는 끝없이 더해도 안정적으로 수렴할 때만 합을 구할 수 있으며, 발산급수에는 공식 적용이 불가능하다.

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