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49강 — 수열의 극한 (형식적 정의)

엄격한 엡실론-N 수렴의 정의. 기본 정리들: 극한의 유일성, 극한의 대수학, 조임 정리, 단조수열 정리, Bolzano-Weierstrass. 반복 알고리즘과 금융에 응용.

Used in: 2학년 프로그램 (17세) · 일본 수학III 6장 등가 · 독일 Klasse 12 LK 분석 등가 · 싱가포르 H2 수학 수열과 급수

limnan=L    ε>0,  NN:n>NanL<ε\lim_{n \to \infty} a_n = L \iff \forall\,\varepsilon > 0,\; \exists N \in \mathbb{N} : n > N \Rightarrow |a_n - L| < \varepsilon
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

엄격한 정의와 기본 정리

엡실론-N 정의

"We say the sequence (xn)(x_n) converges to a number LL if for every ε>0\varepsilon > 0, there exists an MNM \in \mathbb{N} such that xnL<ε|x_n - L| < \varepsilon for all nMn \geq M." — Lebl, Basic Analysis Vol. I, §2.1

"A sequence (xn)(x_n) is a Cauchy sequence if for every ε>0\varepsilon > 0 there exists an MNM \in \mathbb{N} such that for all n,kMn, k \geq M we have xnxk<ε|x_n - x_k| < \varepsilon." — Lebl, Basic Analysis Vol. I, §2.4

기하학적 해석

na_nL+εL-εLN범위 밖 항모두 내부

수평 띠 (Lε,L+ε)(L - \varepsilon, L + \varepsilon)n>Nn > N 을 만족하는 모든 항을 포함한다. 어떤 띠를 선택하든 (아무리 좁아도), 작동하는 N이 존재한다.

기본 정리들

정리요약된 진술
극한의 대수학lim(an±bn)=liman±limbn\lim(a_n \pm b_n) = \lim a_n \pm \lim b_n; 곱과 몫도 유사 (분모 0\neq 0)
조임 정리anbncna_n \leq b_n \leq c_n 이고 liman=limcn=L\lim a_n = \lim c_n = L 이면 limbn=L\lim b_n = L
Bolzano-Weierstrass모든 유계 수열은 수렴하는 부분수열을 가진다
코시     \iff 수렴ℝ에서: 모든 코시 수열은 수렴한다 (완전성을 정의하는 동치성)

주목할 만한 극한들

limn1np=0  (p>0),limnrn=0  (r<1),limnn1/n=1,limn(1+1n)n=e.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^p} = 0\;(p>0),\quad \lim_{n\to\infty}r^n = 0\;(|r|<1),\quad \lim_{n\to\infty}n^{1/n} = 1,\quad \lim_{n\to\infty}\left(1+\frac{1}{n}\right)^n = e.
what this means · 기본 수열들의 극한으로 암기해야 한다.

성장 계층

lnnnabnn!nn(a>0,  b>1).\ln n \ll n^a \ll b^n \ll n! \ll n^n \quad (a > 0,\; b > 1).
what this means · 왼쪽의 어떤 함수도 오른쪽의 어떤 함수보다 훨씬 더 천천히 자란다.

풀이된 예제들

Exercise list

44 exercises · 11 with worked solution (25%)

Application 27Understanding 5Modeling 8Challenge 2Proof 2
  1. Ex. 49.1Application

    limn1n+1\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n+1} 을 결정하시오. 노트북에서 풀고 n=100n = 100n=10000n = 10000 에서 검증하시오.

  2. Ex. 49.2Application

    limn3n2+nn2+2\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{3n^2 + n}{n^2 + 2} 을 계산하시오.

  3. Ex. 49.3Application

    limnnn2+1\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{n}{n^2 + 1} 을 계산하시오.

  4. Ex. 49.4Application

    limn(1)nn\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{(-1)^n}{n} 을 계산하시오.

  5. Ex. 49.5Application

    limncos2nn\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\cos^2 n}{n} 을 계산하시오.

  6. Ex. 49.6Application

    limnn+1n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{n} 을 계산하시오.

  7. Ex. 49.7Application

    limn(12)n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n 을 계산하시오.

  8. Ex. 49.8ApplicationAnswer key

    limn(1+1n)n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n 을 계산하시오. 노트북에서 처음 10개 항을 스케치하고 ee로의 근사를 그리시오.

  9. Ex. 49.9Application

    limn(1+2n)n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{2}{n}\right)^n 을 계산하시오.

  10. Ex. 49.10ApplicationAnswer key

    limnn1/n\displaystyle\lim_{n \to \infty} n^{1/n} 을 계산하시오.

  11. Ex. 49.11Application

    limn3nn!\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{3^n}{n!} 을 계산하시오.

  12. Ex. 49.12Application

    limnlnnn\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\ln n}{n} 을 계산하시오.

  13. Ex. 49.13ApplicationAnswer key

    limnsinnn\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{\sin n}{n} 을 계산하시오.

  14. Ex. 49.14Application

    limn(n+1n)\displaystyle\lim_{n \to \infty} (\sqrt{n+1} - \sqrt{n}) 을 계산하시오.

  15. Ex. 49.15Application

    limnn(n+1n)\displaystyle\lim_{n \to \infty} n(\sqrt{n+1} - \sqrt{n}) 을 계산하시오.

  16. Ex. 49.16Application

    limn(3n+4n)1/n\displaystyle\lim_{n \to \infty} (3^n + 4^n)^{1/n} 을 계산하시오.

  17. Ex. 49.17Application

    limnnsin ⁣(1n)\displaystyle\lim_{n \to \infty} n \sin\!\left(\frac{1}{n}\right) 을 계산하시오.

  18. Ex. 49.18Understanding

    부분합의 수열 Hn=1+12+13++1nH_n = 1 + \tfrac{1}{2} + \tfrac{1}{3} + \cdots + \tfrac{1}{n} (조화급수): 수렴하나 발산하나?

  19. Ex. 49.19UnderstandingAnswer key

    부분합의 수열 Sn=k=1n1k2S_n = \sum_{k=1}^n \frac{1}{k^2}: 수렴하나? 어떤 값으로?

  20. Ex. 49.20Application

    an=(1)na_n = (-1)^n 이 수렴하나 발산하나를 결정하시오. 엡실론-N 정의 또는 유일성 논증을 사용하여 정당화하시오.

  21. Ex. 49.21Application

    a1=1a_1 = 1 이고 an+1=12 ⁣(an+2an)a_{n+1} = \dfrac{1}{2}\!\left(a_n + \dfrac{2}{a_n}\right) (제곱근 2를 위한 헤론의 방법)이라 하자. liman\lim a_n 을 계산하시오.

  22. Ex. 49.22Application

    a1=1a_1 = 1 이고 an+1=2+ana_{n+1} = \sqrt{2 + a_n} 이라 하자. limnan\lim_{n \to \infty} a_n 을 결정하시오.

  23. Ex. 49.23Application

    a0=0a_0 = 0 이고 an+1=an+32a_{n+1} = \dfrac{a_n + 3}{2} 라 하자. liman\lim a_n 을 결정하시오.

  24. Ex. 49.24ApplicationAnswer key

    FnF_n 을 피보나치 수열이라 하자. limnFn+1Fn\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{F_{n+1}}{F_n} 을 결정하시오.

  25. Ex. 49.25Application

    limn2nn!\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{2^n}{n!} 을 계산하시오.

  26. Ex. 49.26ApplicationAnswer key

    limn(1+3n)n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{3}{n}\right)^n 을 계산하시오.

  27. Ex. 49.27Application

    limn(11n)n\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{1}{n}\right)^n 을 계산하시오.

  28. Ex. 49.28Application

    limn(1+1n)n+1\displaystyle\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^{n+1} 을 계산하시오.

  29. Ex. 49.29Application

    a1=1a_1 = 1 이고 an+1=11+ana_{n+1} = \dfrac{1}{1 + a_n} 라 하자. liman\lim a_n 을 계산하시오.

  30. Ex. 49.30Understanding

    0<r<10 < r < 1 에 대해, 부분합의 수열 Sn=k=0nrkS_n = \sum_{k=0}^n r^k: 증가하고 위로 유계임을 보여라, 따라서 수렴. 어떤 값으로?

  31. Ex. 49.31ModelingAnswer key

    1년에 대해 연 6% 이율로 nn 배씩 자본화한 R$ 1.000 투자. nn \to \infty 일 때 금액은?

  32. Ex. 49.32ModelingAnswer key

    자산이 월간 R$ 10을 영구적으로 지급 (영구 채권). 월 5% 이율로, 이 흐름의 현재 가치는? 기하급수 공식을 사용하시오.

  33. Ex. 49.33Modeling

    급수 n=0(12)n\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n 은 수렴하나? 그렇다면, 합을 계산하시오.

  34. Ex. 49.34Modeling

    공이 5미터 높이에서 떨어지고 각 점프가 이전 높이의 90%에 도달한다. 이동한 전체 거리는?

  35. Ex. 49.35Modeling

    회사가 월 R$ 100의 배당금을 무기한 지급한다. 월 1% 할인율로, 오늘 회사의 공정한 가치는?

  36. Ex. 49.36Modeling

    R$ 1.000을 연속 자본화로 연 12%에 투자하면 1년 후 얼마? 연간 자본화와 비교하시오.

  37. Ex. 49.37ModelingAnswer key

    경제학에서, 소득의 R$ 1은 를 지출하고 를 저축한다 (한계 소비 성향 ). 소득 초기 증가 R$ 1의 전체 효과 (케인지안 승수)는?

  38. Ex. 49.38ModelingAnswer key

    자금 조달이 월 1%로 월 R$ 500을 무기한 지급한다. 기하급수의 극한을 사용하여 전체 현재 가치를 계산하시오.

  39. Ex. 49.39Understanding

    수열 an=na_n = n 이 수렴하나? 엡실론-N 정의를 사용하여 정당화하시오.

  40. Ex. 49.40Understanding

    부분합의 수열 Sn=k=0n(1/2)kS_n = \sum_{k=0}^n (1/2)^k 이 증가하고 위로 유계임을 증명하라, 따라서 단조수열 정리로 수렴한다.

  41. Ex. 49.41ChallengeAnswer key

    n=0(23)n\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{2}{3}\right)^n 을 계산하시오. 노트북에서 처음 5개 부분합을 계산하여 수렴을 확인하시오.

  42. Ex. 49.42Challenge

    n=11n2\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2} 이 수렴함을 보여라. S10S_{10} 을 계산하고 π2/6\pi^2/6 과 비교하시오.

  43. Ex. 49.43Proof

    엡실론-N을 통해 엄격하게 증명하시오: limn1n=0\displaystyle\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n} = 0.

  44. Ex. 49.44Proof

    극한의 대수학을 증명하시오: 만약 liman=L\lim a_n = Llimbn=M\lim b_n = M, 그러면 lim(an+bn)=L+M\lim (a_n + b_n) = L + M.

출처

  • Lebl — Basic Analysis: Introduction to Real Analysis — Jiří Lebl · CC-BY-NC-SA · §2.1–2.4 (수열). 엡실론-N 정의, 유일성, 코시, Bolzano-Weierstrass. 엄격성의 주요 참고.
  • Active Calculus — Matt Boelkins · 2024 · CC-BY-NC-SA · §8.1 (수열) 과 §8.2 (기하급수). 재귀 수열, 피보나치, 금융 응용 활동.
  • OpenStax Calculus Volume 2 — Strang et al. · CC-BY-NC-SA 4.0 · §5.1 (수열). 주목할 만한 극한, 완전한 해결책과 함께 드릴 연습.

Updated on 2026-05-11 · Author(s): Clube da Matemática

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