[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)
급수가 수렴하려면 항 이 반드시 0으로 가야 합니다.
만약 항이 0으로 가지 않으면, 무조건 발산합니다.
예시: , → 항이 0으로 안 가므로 발산.
단, 이라고 해서 반드시 수렴하는 것은 아닙니다. (예: 조화급수 은 발산)
2. 비교 판정법 (Comparison Test)
서로 비교 가능한 급수의 성질을 이용합니다.
-
이고 이 수렴 → 도 수렴
-
반대로 이 발산하고 → 도 발산
예시: .
조화급수 은 발산 → 따라서 는 비교해서 별도 확인 필요 (적분 판정법으로 확인 시 수렴)
3. 비율 판정법 (Ratio Test)
-
→ 절대수렴
-
(또는 ) → 발산
-
→ 판정 불가
예시: 기하급수 .
여기서 .
따라서 → 수렴, → 발산.
4. 근 판정법 (Root Test)
-
→ 절대수렴
-
→ 발산
-
→ 판정 불가
비율 판정법과 비슷하지만, 제곱근을 이용하는 방식.
복잡한 급수에 더 유용할 때가 있음.
5. 적분 판정법 (Integral Test)
만약 이고, 가 양수·연속·감소 함수라면
은 동시에 수렴/발산합니다.
예시: .
-
→ 수렴
-
→ 발산
6. 교대급수 판정법 (Alternating Series Test, Leibniz Test)
교대급수
이 있고,
-
,
-
이 단조 감소
이면 급수는 수렴합니다.
예시: 교대조화급수 은 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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