[수학] 기하급수와 합: 수렴급수만 가능한 이유
기하급수와 합: 수렴급수만 가능한 이유
수학에서 기하급수(geometric series)는 각 항이 일정한 비율 로 증가하거나 감소하는 급수를 말합니다.
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: 첫 번째 항
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: 공비
1. 기하급수 합 공식
기하급수의 합 공식은 다음과 같습니다.
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중요 조건:
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부분합이 유한한 값에 수렴해야만 공식 적용 가능
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이면 급수는 발산, 합 공식 적용 불가
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2. 합 공식 유도 (증명)
n항 합 를 생각합니다.
공통인수 를 묶고:
이제 과 을 빼면:
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무한급수 합:
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→ →
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→ 이 0으로 수렴하지 않음 → 합 공식 적용 불가
3. 발산급수에서 공식 억지 적용 사례
강하게 발산하는 급수:
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급수를 라고 정의:
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양변에 2를 곱하면:
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원래 에서 2를 빼면?
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따라서 억지로 계산하면:
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문제점: 실제 부분합은 1 → 3 → 7 → 15 → … 끝없이 증가
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공식대로 계산하면 현실과 맞지 않는 결과가 나옴 → 논리적으로 말이 안 됨
4. 직관적 이해
(1) 수렴하는 기하급수 ()
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부분합: 1 → 1.5 → 1.75 → 1.875 → … → 2
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합 공식 적용 가능 →
(2) 발산하는 기하급수 ()
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부분합: 1 → 3 → 7 → 15 → … → 끝없이 커짐
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합 공식 적용 불가 → 억지 적용하면 과 같은 말도 안 되는 결과
5. 핵심 포인트
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기하급수 합 공식은 수렴급수에만 의미가 있다.
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일 때만 부분합이 유한한 값으로 수렴 → 공식 적용 가능
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이면 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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