적분 판정법
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1. 개요
적분 판정법은 급수의 수렴 여부를 판별하는 데 사용되는 방법으로, 감소하는 양의 실수 값을 갖는 함수와 관련된 급수와 이상 적분의 수렴성을 연결한다. 이 판정법은 급수 ∑f(n) 가 수렴하는 것과 이상 적분 ∫f(x)dx 가 수렴하는 것이 동치임을 보여준다. 또한, p-급수와 일반화된 p-급수와 같은 특정 급수의 수렴성을 판별하는 데 활용되며, 조화 급수와 리만 제타 함수를 예시로 들 수 있다.
| 내용 | 단조 감소하는 양항 수열의 수렴 여부를 판정하는 방법 |
|---|
| 조건 | 함수 f(x)가 구간 [1, ∞)에서 정의되고 단조 감소하며, f(n) = aₙ을 만족해야 함 적분 ∫₁^∞ f(x) dx가 수렴하면 급수 ∑ aₙ도 수렴함 적분 ∫₁^∞ f(x) dx가 발산하면 급수 ∑ aₙ도 발산함 |
|---|
| 주의사항 | 함수 f(x)는 연속 함수여야 함 급수의 첫째항부터가 아니라 유한 개의 항을 제외한 나머지 항에 대해서만 단조 감소해도 판정법을 적용 가능함 |
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| 예시 | 급수 ∑ 1/n^p (p > 1)는 수렴함 급수 ∑ 1/n (p = 1)는 발산함 |
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절대 수렴
절대 수렴은 급수의 각 항에 절댓값을 취한 급수가 수렴하는 경우를 의미하며, 실수 또는 복소수 급수에서 절대 수렴하면 원래 급수도 수렴하고, 바나흐 공간에서는 절대 수렴하는 급수가 수렴한다.
2. 정의와 증명
음이 아닌 실수 값 감소함수
:
:
가 주어졌다고 하자. (특히, 는 임의의 에서 리만 적분 가능하다.) 적분 판정법에 따르면, 다음 두 조건이 서로 동치이다.
* 급수 는 수렴한다.
* 이상 적분 은 수렴한다.
또한, (수렴 여부와 관계 없이) 다음 부등식이 성립한다.
:
음이 아닌 실수 항 급수의 합과 음이 아닌 실수 값 리만 적분 가능 함수의 이상 적분의 값은 음이 아닌 확장된 실수로서 항상 존재하며, 이들의 수렴 여부는 합이나 적분 값의 유한한지 여부와 동치이다. 임의의 및 에 대하여,
:
이다. 위의 리만 적분을 취하면
:
이 된다. 에 대한 급수를 취하면
:
이 된다. 이는
:
임에 따른다. 따라서, 만약
:
라면
:
이며, 만약
:
라면
:
이다. 즉, 수렴 여부가 동치다.
정수 과 무한 구간 에서 정의된 함수 가 주어지며, 이 구간에서 함수는 단조 감소 함수이다. 그러면 무한 급수
:
는 다음의 부정 적분이
:
유한할 필요충분조건으로 실수로 수렴한다. 특히, 적분이 발산하면 급수 또한 발산한다.
적분 판정법의 증명은 비교 판정법을 사용하여 이라는 항을 구간 과 에서 의 적분과 각각 비교한다.
단조 함수 는 거의 어디에서나 연속이다. 이를 증명하기 위해,
:라고 하자.
모든 에 대해, 의 조밀 집합에 의해, 를 만족하는 가 존재한다.
이 집합은 가 에서 불연속일 때 정확히 열린 집합인 비어 있지 않은 구간을 포함한다. 위 조건을 만족하고, 열거 에서 가장 작은 인덱스를 가진 유리수로 를 고유하게 식별할 수 있다. 가 단조 함수이므로, 이는 단사 함수 함수 를 정의하며, 따라서 는 가산 집합이다. 따라서 는 거의 어디에서나 연속이다. 이는 리만 적분 가능성에 충분하다.
가 단조 감소 함수이므로, 다음을 알 수 있다.
:
그리고
:
따라서, 모든 정수 에 대해,
:
그리고, 모든 정수 에 대해,
:
에서 어떤 더 큰 정수 까지의 모든 에 대해 합하면,
:
그리고
:
이 두 추정치를 결합하면 다음과 같다.
:
을 무한대로 보내면, 경계와 결과가 도출된다.
2.1. 상세 증명
음이 아닌 실수 값 감소함수 가 주어졌을 때, 는 임의의 에서 리만 적분 가능하다. 이때, 급수 가 수렴하는 것과 이상 적분 가 수렴하는 것은 서로 동치이다.
음이 아닌 실수 항 급수의 합과 음이 아닌 실수 값 리만 적분 가능 함수의 이상 적분의 값은 음이 아닌 확장된 실수로서 항상 존재하며, 이들의 수렴 여부는 합이나 적분 값의 유한한지 여부와 동치이다. 임의의 및 에 대하여, 이 성립한다. 위의 리만 적분을 취하면, 이 된다. 에 대한 급수를 취하면, 이 된다. 이는
:
임에 따른다.
따라서, 라면 이며, 라면 이다. 즉, 수렴 여부가 동치이다.
또한, (수렴 여부와 관계 없이) 다음 부등식이 성립한다.
:
이 증명은 비교 판정법을 사용하여 이라는 항을 구간 과 에서 의 적분과 각각 비교하여 얻을 수 있다. 가 단조 감소 함수이므로, 다음이 성립한다.
:
:
따라서, 모든 정수 에 대해, 이고, 모든 정수 에 대해, 이다.
에서 어떤 더 큰 정수 까지의 모든 에 대해 합하면,
:
:
이 두 추정치를 결합하면 이다. 을 무한대로 보내면, 경계와 결과가 도출된다.
2.2. 추가 설명
많은 교과서에서는 함수 f가 양수일 것을 요구하지만, f가 음수이고 감소할 때 Σf(n)과 ∫f(x)dx 둘 다 발산하므로 이 조건은 실제로 필요하지 않다. 함수 f(x)가 증가하면 함수 -f(x)는 감소하므로 위의 정리가 적용된다.
3. 활용
적분 판정법은 다양한 급수의 수렴 여부를 판정하는 데 활용된다.
==== 예시 1: p-급수 ====
급수
:
는 p-급수(p-series영어)라고 불린다. 이 급수는 이면 자명하게 발산하며, 인 경우 적분 판정법을 통해 수렴 여부를 판별할 수 있다.
적분 판정법에 따르면, p-급수의 수렴 여부는 이상 적분
:
의 수렴 여부와 동치이다.
* 일 경우,
:
이므로 발산한다.
* 일 경우,
:
이므로, 일 때 수렴하고 일 때 발산한다.
따라서 p-급수는 일 때 수렴하고, 일 때 발산한다. 비 판정법이나 근 판정법으로는 이 급수의 수렴 여부를 판별할 수 없다. 라베 판정법의 증명은 이 결과를 바탕으로 한다.
예를 들어 조화 급수
:
는 인 경우이므로 발산한다. 반면,
:
(리만 제타 함수 참조)는 에 대해 이므로 수렴한다.
==== 예시 2: 일반화된 p-급수 ====
급수
:
를 생각하자. 일 때 수렴하며, 일 때 발산한다. 이 급수는 비교 판정법에 의하여, 이면 수렴, 이면 발산한다.
인 경우, 적분 판정법에 따라, 급수의 수렴 여부는 이상 적분
:
의 수렴 여부와 같다.
이는
:
임에 따른다. 만약 이라면,
:
이다. 만약 이라면,
:
이다.
따라서, 이 급수는 이거나 , 일 때 수렴하며, , 이거나 일 때 발산한다. 비 판정법·근 판정법·라베 판정법은 이 급수의 수렴 여부를 알아낼 수 없다. 베르트랑 판정법의 증명은 이 급수의 에 따른 수렴 여부에 기반한다.
마찬가지로, 급수
:
의 수렴 여부 또한 적분 판정법을 통하여 구할 수 있다. 위의 사전식 순서를 로 적을 때, 이 급수는 일 때 수렴하며, 일 때 발산한다.
==== 예시 3: 발산과 수렴의 경계 ====
조화 급수
:
는 자연 로그, 그 부정적분, 미적분학의 기본 정리를 사용하여 다음과 같이 발산한다.
:
반면에, 급수
:
(cf. 리만 제타 함수)
는 모든 에 대해 수렴한다.
3.1. 예시 1: p-급수
급수
:
는 p-급수(p-series영어)라고 불린다. 이 급수는 이면 자명하게 발산하며, 인 경우 적분 판정법을 통해 수렴 여부를 판별할 수 있다.
적분 판정법에 따르면, p-급수의 수렴 여부는 이상 적분
:
의 수렴 여부와 동치이다.
* 일 경우,
:
이므로 발산한다.
* 일 경우,
:
이므로, 일 때 수렴하고 일 때 발산한다.
따라서 p-급수는 일 때 수렴하고, 일 때 발산한다. 비 판정법이나 근 판정법으로는 이 급수의 수렴 여부를 판별할 수 없다. 라베 판정법의 증명은 이 결과를 바탕으로 한다.
예를 들어 조화 급수
:
는 인 경우이므로 발산한다. 반면,
:
(리만 제타 함수 참조)는 에 대해 이므로 수렴한다.
3.2. 예시 2: 일반화된 p-급수
급수
:
를 생각하자. 일 때 수렴하며, 일 때 발산한다. 이 급수는 비 판정법에 의하여, 이면 수렴, 이면 발산한다.
인 경우, 적분 판정법에 따라, 급수의 수렴 여부는 이상 적분
:
의 수렴 여부와 같다.
만약 이라면,
:
이다. 만약 이라면,
:
이다.
따라서, 이 급수는 이거나 , 일 때 수렴하며, , 이거나 일 때 발산한다. 비 판정법·근 판정법·라베 판정법은 이 급수의 수렴 여부를 알아낼 수 없다. 베르트랑 판정법의 증명은 이 급수의 에 따른 수렴 여부에 기반한다.
마찬가지로, 급수
:
의 수렴 여부 또한 적분 판정법을 통하여 구할 수 있다.
3.3. 예시 3: 발산과 수렴의 경계
적분 판정법은 형태의 급수처럼, 수렴과 발산의 경계에 있는 급수들의 수렴 여부를 판정하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 여기서 는 자연 로그의 -중첩 합성을 나타내며, 는 을 만족하는 최소의 자연수이다.
이러한 급수의 예로, 모든 자연수 에 대해 다음 급수
:
는 발산하며,
:
는 모든 에 대해 수렴한다.
위 급수들의 발산과 수렴은 적분 판정법을 통해 보일 수 있다. 급수의 발산은 연쇄 법칙을 반복 적용하여 확인할 수 있으며, 급수의 수렴은 거듭제곱 규칙, 연쇄 법칙 및 적분 판정법을 사용하여 증명할 수 있다.
4. 역사
5. 한국의 관점
6. 같이 보기