[수학] 무한히 더하지 않고도 급수의 수렴을 판단하는 방법

 
무한히 더하지 않고도 급수의 수렴을 판단하는 방법

수학에서 무한급수(無限級數)는 끝없이 이어지는 항들을 더한 것을 의미합니다.
그런데 문제는, 우리는 실제로 무한히 더할 수 없다는 것이죠. 그렇다면 어떻게 “수렴(합이 있음)”인지, 아니면 “발산(합이 없음)”인지를 판별할 수 있을까요?

이럴 때 사용하는 것이 바로 급수의 수렴 판정법(convergence tests) 입니다.


1. 항의 극한 조건 (필수 조건)

limnan=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0

급수가 수렴하려면 항 ana_n이 반드시 0으로 가야 합니다.
만약 항이 0으로 가지 않으면, 무조건 발산합니다.

예시: 1\sum 1, n\sum n → 항이 0으로 안 가므로 발산.

단, an0a_n \to 0이라고 해서 반드시 수렴하는 것은 아닙니다. (예: 조화급수 1n\sum \frac{1}{n}은 발산)


2. 비교 판정법 (Comparison Test)

서로 비교 가능한 급수의 성질을 이용합니다.

  • 0anbn0 \leq a_n \leq b_n이고 bn\sum b_n이 수렴 → an\sum a_n도 수렴

  • 반대로 an\sum a_n이 발산하고 anbna_n \leq b_nbn\sum b_n도 발산

예시: 1n21n\sum \frac{1}{n^2} \leq \sum \frac{1}{n}.
조화급수 1n\sum \frac{1}{n}은 발산 → 따라서 1n2\sum \frac{1}{n^2}는 비교해서 별도 확인 필요 (적분 판정법으로 확인 시 수렴)


3. 비율 판정법 (Ratio Test)

L=limnan+1anL = \lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|
  • L<1L < 1 → 절대수렴

  • L>1L > 1 (또는 \infty) → 발산

  • L=1L = 1 → 판정 불가

예시: 기하급수 rn\sum r^n.
여기서 an+1an=r\frac{a_{n+1}}{a_n} = r.
따라서 r<1|r| < 1 → 수렴, r1|r| \geq 1 → 발산.


4. 근 판정법 (Root Test)

L=limnannL = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|}
  • L<1L < 1 → 절대수렴

  • L>1L > 1 → 발산

  • L=1L = 1 → 판정 불가

비율 판정법과 비슷하지만, nn제곱근을 이용하는 방식.
복잡한 급수에 더 유용할 때가 있음.


5. 적분 판정법 (Integral Test)

만약 an=f(n)a_n = f(n)이고, f(x)f(x)가 양수·연속·감소 함수라면

n=1an1f(x)dx\sum_{n=1}^\infty a_n \quad \text{와} \quad \int_1^\infty f(x)\, dx

은 동시에 수렴/발산합니다.

예시: 1np\sum \frac{1}{n^p}.

  • p>1p > 1 → 수렴

  • p1p \leq 1 → 발산


6. 교대급수 판정법 (Alternating Series Test, Leibniz Test)

교대급수

(1)n+1an\sum (-1)^{n+1} a_n

이 있고,

  1. an0a_n \to 0,

  2. ana_n이 단조 감소

이면 급수는 수렴합니다.

예시: 교대조화급수 (1)n+11n\sum (-1)^{n+1}\frac{1}{n}ln(2)\ln(2)로 수렴.


정리

우리는 무한히 더해볼 수 없기 때문에, 급수의 수렴 여부를 판정하기 위해 위와 같은 수학적 도구를 사용합니다.

  • 항의 극한이 0으로 가는지 확인

  • 비교, 비율, 근, 적분 판정법으로 성질 검증

  • 교대급수는 특별한 판정법 적용

이 과정을 통해 우리는 “무한히 더할 수 없는 것”을 “논리적으로 확인 가능한 것”으로 바꾸게 됩니다.

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