수열과 급수: 단계별 풀이가 있는 연습 문제

그림, 힌트, 자세한 풀이가 있는 무료 수열과 급수 연습 문제. 매번 새로운 값으로, 세 가지 난이도: 등차급수와 등비급수, 수렴과 멱급수, 테일러 다항식과 매클로린 다항식.

무료 연습 문제쉬움
kak​12345678

등비수열 5, 7.5, 11.25, …의 첫 8개 항의 합 S8을(를) 구하시오.

a₁ = 5r = 1.5n = 8
다음 문제 →
수열과 급수 무료로 연습하기지금 수열과 급수 연습하기매일 무료 문제 5개. 카드 등록이 필요 없습니다.

연습 내용

  1. 쉬움등차급수와 등비급수
  2. 보통수렴과 멱급수
  3. 어려움테일러 다항식과 매클로린 다항식

수열과 급수 문제 푸는 방법

  1. 종류를 파악하세요: 등차(일정한 차), 등비(일정한 비), 표준 급수, 멱급수, 테일러 다항식.
  2. 합에는 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), 또는 |r| < 1일 때 S = a₁/(1 − r)을 쓰세요. a₁은 합의 첫째 항입니다.
  3. 수렴은 먼저 n번째 항 판정법을 쓰고, 그다음 Σ1/kᵖ이나 등비급수와 비교하며, 팩토리얼과 k제곱에는 비율 판정법이나 근 판정법을 쓰세요.
  4. 테일러 다항식은 f(a), f′(a), f″(a), …를 나열하고, k계 도함수를 k!로 나누며, 오차는 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!로 한정하세요.

흔한 실수

  • aₙ = a₁ + (n − 1)d나 a₁rⁿ⁻¹에서 n − 1 대신 n을 쓰는 것.
  • |r| ≥ 1일 때 또는 첫째 항을 잘못 잡고 무한합 공식을 쓰는 것.
  • 항이 0으로 간다는 이유만으로 수렴이라고 결론짓는 것.
  • 비율 판정법의 극한을 뒤집는 것: R = lim |cₖ/cₖ₊₁|이며 그 역수가 아닙니다.
  • 테일러 다항식에서 팩토리얼이나 교대하는 부호를 잊는 것.

핵심 공식

등차수열
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
등비수열
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
무한 등비급수
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-급수
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
비율 판정법
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
수렴 반지름
R = lim |ck/ck+1|
테일러 다항식
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
매클로린 급수
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
라그랑주 오차 한계
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

수열과 급수 처음부터 배우기

먼저 알아 둘 것: 극한, 도함수

1등차수열과 등비수열

수열은 수의 나열 a₁, a₂, a₃, …이고 급수는 그 합입니다. 두 종류가 모든 시험에 나옵니다.

등차수열은 단계마다 같은 차 d를 더합니다: 3, 7, 11, 15, …는 d = 4입니다.

aₙ = a₁ + (n − 1)d Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2

3, 7, 11, …에서 a₂₀ = 3 + 19·4 = 79이고 S₂₀ = 20·(3 + 79)/2 = 820입니다. n − 1에 주의하세요. 첫째 항에서 스무째 항까지는 19단계뿐입니다.

등비수열은 단계마다 같은 비 r을 곱합니다: 2, 6, 18, …는 r = 3입니다.

aₙ = a₁·rⁿ⁻¹ Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
자가 점검 5, 8, 11, 14, …의 10번째 항은 얼마인가?
  1. 29
  2. 30
  3. 32
  4. 35

답: 32. d = 3이므로 a₁₀ = 5 + 9·3 = 32입니다. 9·3 대신 10·3을 쓰면 35가 됩니다.

2무한 등비급수

2 + 1 + 0.5 + 0.25 + …의 항을 계속 더하면 합은 4를 결코 넘지 않고 4에 가까워집니다.

nSₙ4123456789233.5

|r| < 1이면 Sₙ의 rⁿ이 0으로 줄어들어 무한합이 존재합니다.

S = a₁/(1 − r), |r| < 1일 때만

여기서 a₁은 합의 첫째 항입니다. Σk=2∞ 8·(1/2)ᵏ에서 첫째 항은 8·(1/2)² = 2이므로 S = 2/(1 − 1/2) = 4입니다.

|r| ≥ 1이면 항이 줄어들지 않아 급수에 합이 없습니다. 급수는 발산합니다.

자가 점검 Σk=0∞ 3·(1/4)ᵏ은 얼마인가?
  1. 12
  2. 2.4
  3. 3
  4. 4

답: 4. 첫째 항(k = 0)은 3이고 r = 1/4이므로 S = 3/(1 − 1/4) = 4입니다. 분모에 1 + r을 쓰면 2.4가 됩니다.

3급수는 수렴하는가?

대부분의 급수에는 간단한 합의 공식이 없지만, 합이 유한한지는 판정할 수 있습니다. 판정법을 이 순서로 쓰세요.

  1. n번째 항 판정법: 항이 0으로 가지 않으면 급수는 발산합니다. Σ k/(k + 1)은 항이 1로 가므로 발산합니다.
  2. 표준 급수: Σ1/kᵖ은 p > 1일 때만 수렴합니다(따라서 조화급수 Σ1/k은 발산합니다). Σrᵏ은 |r| < 1일 때만 수렴합니다.
  3. 비교: 1/(k² + 3)은 1/k²보다 작으므로 Σ1/(k² + 3)도 수렴합니다.
  4. 비율 판정법: L = lim |ak+1/ak|. L < 1이면 수렴, L > 1이면 발산, L = 1이면 답이 없습니다. 팩토리얼과 k제곱에 쓰세요.
  5. 교대급수: Σ(−1)ᵏ/k은 항의 부호가 번갈아 바뀌고 0으로 감소하므로 수렴합니다.

예: Σ k/2ᵏ에서 비율은 ((k + 1)/k)·(1/2)이고 L = 1/2 < 1로 가므로 수렴합니다.

자가 점검 다음 급수 중 발산하는 것은 무엇인가?
  1. Σ (2/3)ᵏ
  2. Σ 1/k²
  3. Σ 1/√k
  4. Σ 3ᵏ/k!

답: Σ 1/√k. 1/√k = 1/k1/2은 p = 1/2 ≤ 1인 p-급수이므로 발산합니다. 1/k²은 p = 2이고, (2/3)ᵏ은 r < 1인 등비급수이며, 3ᵏ/k!에는 비율 판정법이 L = 0을 줍니다.

4멱급수와 수렴 반지름

멱급수 Σ ck(x − x₀)ᵏ은 끝이 없는 다항식입니다. 중심 x₀에 충분히 가까운 x에서 수렴합니다.

항 전체에 비율 판정법을 쓰면 수렴 반지름 R이 나옵니다. 급수는 |x − x₀| < R에서 수렴하고 |x − x₀| > R에서 발산합니다.

R = lim |ck/ck+1|

예: Σ xᵏ/(k·3ᵏ)은 ck/ck+1 = 3(k + 1)/k이고 3으로 갑니다. 따라서 R = 3이고 급수는 −3 < x < 3에서 수렴합니다.

두 끝점에서는 판정법이 답을 주지 않습니다. 문제가 전체 구간을 물으면 따로 확인하세요.

5테일러 다항식과 매클로린 다항식

점 a 근처에서 매끄러운 함수는 다항식처럼 보입니다. n차 테일러 다항식은 a에서의 값과 처음 n개의 도함수를 맞춥니다.

Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!

a = 0이면 매클로린 다항식이라고 합니다. 다음 급수들을 외우세요.

eˣ = 1 + x + x²/2! + x³/3! + …
sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …
cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …
ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …
xeˣP₁P₂1

항을 많이 잡을수록 다항식이 함수에 더 오래 가깝게 머뭅니다.

풀이 예제

3차 매클로린 다항식으로 e0.5을 근사하고 오차의 한계를 구하시오.

1

다항식 쓰기

P₃(x) = 1 + x + x²/2 + x³/6
2

x = 0.5 대입하기

P₃(0.5) = 1 + 0.5 + 0.125 + 0.020833 = 1.645833
3

라그랑주 오차 한계

오차는 최대 M·|x|⁴/4!이며, M은 0과 0.5 사이에서 4계 도함수 eᵗ의 최댓값 M = e0.5 ≈ 1.6487입니다.

|R₃| ≤ 1.6487·0.5⁴/24 = 0.0043
4

비교합니다

계산기는 e0.5 = 1.648721을 주므로 실제 오차는 0.0029이며 한계 안에 있습니다.

답

e0.5 ≈ 1.6458, 오차는 최대 0.0043.

6자주 하는 실수와 시험 문제

  • n번째 항에 n − 1단계가 아니라 n단계를 쓰는 것.
  • 합이 k = 0에서 시작하지 않을 때 첫째 항을 잘못 잡고 a/(1 − r)을 쓰는 것.
  • 항이 0으로 간다는 이유만으로 급수가 수렴한다고 결론짓는 것. Σ1/k이 반례입니다.
  • 테일러 다항식에서 팩토리얼이나 sin, cos의 마이너스 부호를 잊는 것.
  • 오차 한계에 |x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! 대신 |x|ⁿ/n!을 쓰는 것.

쉬움: 등차수열과 등비수열의 합. 보통: 수렴 판정, 비율 판정법, 수렴 반지름. 어려움: 테일러 다항식, 그 계수와 오차 한계.

자가 점검 sin x의 매클로린 급수에서 x³의 계수는 얼마인가?
  1. 1/3
  2. 1/6
  3. −1/3
  4. −1/6

답: −1/6. sin x = x − x³/3! + …이고 3! = 6이므로 계수는 −1/6입니다. 마이너스 부호를 잊으면 1/6이 됩니다.

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예제 풀이

예제 1쉬움
kak​13579111315ε = 0.2

등비수열 aₙ = 5·0.85ⁿ⁻¹은 감소한다. aₙ < 0.2이 되는 첫 번째 지표 n을(를) 구하시오.

a₁ = 5r = 0.85ε = 0.2

구하는 값: n

힌트 보기
  1. 5·0.85ⁿ⁻¹ < 0.2을(를) 로그로 푸세요.
  2. ln 0.85은(는) 음수입니다. 그것으로 나누면 부등호의 방향이 바뀝니다.
  3. n − 1 > ln(0.2/5)/ln 0.85 = 19.81
정답과 단계별 풀이 보기

등차급수와 등비급수: 등차수열은 단계마다 같은 공차 d를 더하며 aₙ = a₁ + (n − 1)d이고 합은 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2입니다. 등비수열은 같은 공비 r을 곱하며 aₙ = a₁·rⁿ⁻¹이고 Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)입니다. |r| < 1이면 항이 충분히 빠르게 줄어들어 무한합이 존재합니다: S = a₁/(1 − r)이며 a₁은 합의 첫째 항입니다.

부등식

5·0.85ⁿ⁻¹ < 0.2 → 0.85ⁿ⁻¹ < 0.04

로그

(n − 1)·ln 0.85 < ln 0.04 → n − 1 > 19.81
n = 21

검산

a20 = 0.227997 ≥ 0.2
a21 = 0.193798 < 0.2

답

n = 21
예제 2보통
kSn​12345678910S = ?

합 S = Σk=1∞ 12/(k(k + 3))을(를) 구하시오.

ak = 12/(k(k + 3))

구하는 값: S

힌트 보기
  1. 부분분수: 1/(k(k + 3)) = (1/3)·(1/k − 1/(k + 3)).
  2. 처음 몇 개의 항을 써 보세요. 대부분 약분됩니다(망원급수).
  3. 남는 것은 (12/3)·(1 + … + 1/3)입니다.
정답과 단계별 풀이 보기

수렴: 항이 0으로 가지 않으면 급수는 발산합니다(n번째 항 판정법). Σ1/kᵖ은 p > 1일 때만, Σrᵏ은 |r| < 1일 때만 수렴합니다. k가 클 때 항이 이들과 비슷하게 행동하면 비교하세요. 비율 판정법: L = lim |ak+1/ak|, 근 판정법: L = lim |ak|1/k. L < 1이면 수렴, L > 1이면 발산, L = 1이면 아무것도 결정하지 못합니다. 멱급수 Σck(x − x₀)ᵏ은 R = lim |ck/ck+1|일 때 |x − x₀| < R에서 수렴합니다. 항이 0으로 감소하는 교대급수는 수렴합니다.

부분분수 전개

12/(k(k + 3)) = (12/3)·(1/k − 1/(k + 3))

취소

S = (12/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 7.333

답

S = 7.333
예제 3어려움

f(x) = cos x을(를) x = 1에서 n차 매클로린 다항식으로 근사한다. 라그랑주 한계 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!과 M = 1를 써서 오차가 1 × 10⁻⁶ 미만임을 보장하는 최소 차수 n을(를) 구하시오.

f(x) = cos xx = 1M = 1ε = 1 × 10⁻⁶

구하는 값: n

힌트 보기
  1. n = 1, 2, 3, …을 시도하며 매번 1·1ⁿ⁺¹/(n + 1)!을 계산하세요.
  2. 팩토리얼이 빠르게 커지므로 몇 단계면 충분합니다.
  3. 한계가 1 × 10⁻⁶ 미만이 되는 첫 번째 n에서 멈추세요.
정답과 단계별 풀이 보기

테일러 다항식: x = a 근처에서 매끄러운 함수는 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!으로 근사되며, a = 0이면 매클로린 다항식입니다. 표준 급수: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. 라그랑주 오차 한계: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!이며, M은 a와 x 사이에서 |f⁽ⁿ⁺¹⁾|의 최댓값입니다.

n(n + 1)!한계011120.5260.16673240.0416741200.00833357200.001389650400.00019847403202.48 × 10⁻⁵83628802.756 × 10⁻⁶936288002.756 × 10⁻⁷

n이 커질 때의 한계

n = 8: 2.756 × 10⁻⁶ ≥ 1 × 10⁻⁶
n = 9: 2.756 × 10⁻⁷ < 1 × 10⁻⁶

최소 차수

n = 9

답

n = 9

질문과 답변

수열과 급수: 무엇인가요?

3, 7, 11, …에서 a₂₀ = 3 + 19·4 = 79이고 S₂₀ = 20·(3 + 79)/2 = 820입니다. n − 1에 주의하세요. 첫째 항에서 스무째 항까지는 19단계뿐입니다.

수열과 급수 문제는 어떻게 단계별로 푸나요?
  1. 종류를 파악하세요: 등차(일정한 차), 등비(일정한 비), 표준 급수, 멱급수, 테일러 다항식.
  2. 합에는 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), 또는 |r| < 1일 때 S = a₁/(1 − r)을 쓰세요. a₁은 합의 첫째 항입니다.
  3. 수렴은 먼저 n번째 항 판정법을 쓰고, 그다음 Σ1/kᵖ이나 등비급수와 비교하며, 팩토리얼과 k제곱에는 비율 판정법이나 근 판정법을 쓰세요.
  4. 테일러 다항식은 f(a), f′(a), f″(a), …를 나열하고, k계 도함수를 k!로 나누며, 오차는 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!로 한정하세요.
수열과 급수에서 자주 하는 실수는?
  • aₙ = a₁ + (n − 1)d나 a₁rⁿ⁻¹에서 n − 1 대신 n을 쓰는 것.
  • |r| ≥ 1일 때 또는 첫째 항을 잘못 잡고 무한합 공식을 쓰는 것.
  • 항이 0으로 간다는 이유만으로 수렴이라고 결론짓는 것.
  • 비율 판정법의 극한을 뒤집는 것: R = lim |cₖ/cₖ₊₁|이며 그 역수가 아닙니다.
  • 테일러 다항식에서 팩토리얼이나 교대하는 부호를 잊는 것.
수열과 급수 연습에서는 무엇을 다루나요?
  • 쉬움: 등차급수와 등비급수
  • 보통: 수렴과 멱급수
  • 어려움: 테일러 다항식과 매클로린 다항식

문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다. 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.

연습 방법

  • 문제마다 값이 새로 바뀌므로 답이 아니라 푸는 방법을 익히게 됩니다.
  • 막혔나요? 먼저 작은 힌트를 열고, 필요할 때만 전체 해설을 보세요.
  • 진행 상황, 틀린 문제, 저장한 문제가 보관되므로 시험 전에 복습할 수 있습니다.

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