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03 실수열의 극한

3.2 극한의 계산

극한의 정의는 수열의 극한이 수렴하거나 발산함을 증명하는 데에 사용되지만 극한의 정의가 수열의 극한을 구 하는 구체적인 방법을 제공하지는 않는다. 그러나 극한의 정의를 이용하여 유리식으로 정의된 수열의 극한을 구하는 공식을 만들 수 있다.

두 수열

,

의 각 항을 사칙계산으로 결합하여 새로운 수열을 만들 수 있다. 이를테면 수열

 

은 두

수열의 각 항을 더하여 얻은 수열이며



은 두 수열의 각 항을 곱하여 얻은 수열이다. 이렇게 얻어진 수 열의 극한이 본래의 수열의 극한과 어떠한 관계가 있는지 살펴보자.

정리 3.2.1 수열의 합과 극한

두 수열

,

이 각각 수렴하면

 

도 수렴하고 다음이 성립한다.

lim

 → ∞

 

lim

 → ∞

lim

 → ∞

(1)

증명

(1)의 양변 모두 극한이다. 그러나 우변은 이미 정해진 값이므로 상수로 생각하고 좌변의 극한이 우변에 수렴함을 증명하면 된다.

에 수렴하고

에 수렴한다고 하자. 그리고 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그러면

도 양수이므로 극한의 정의에 의하여 자연수

이 존재하여  

일 때마다



 

 

이 성립한다. 마찬가지로 극한의 정의에 의하여 자연수

가 존재하여  

일 때마다



 

 

이 성립한다.

≔ max



라고 하자. 그러면  

일 때마다



 

 





 



 



 



 

   

이 성립한다. 따라서

 

에 수렴한다.

두 수열을 곱하여 얻은 수열의 극한의 성질도 이와 비슷하다.

정리 3.2.2 수열의 곱과 극한

두 수열

,

이 각각 수렴하면



도 수렴하고 다음이 성립한다.

 → ∞

lim 



 → ∞

lim



 → ∞

lim

증명 

에 수렴하고

에 수렴한다고 하자. 그리고 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 수렴하 는 수열은 유계이므로 양수

이 존재하여 임의의 에 대하여

을 만족시킨다.

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정리 3.2.6 수열의 몫의 극한

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따름정리

3.2.12 수열 

이 수렴하고  인 항 의 개수가 유한이면

lim

 → ∞

≥ 이다.

증명

따름정리 3.2.11에 의하여

lim

 → ∞

lim

 → ∞

  이다. ■

참고

3.2.13

수렴하는 수열들의 집합을

라고 하자.

의 두 원소  

,  

에 대하여

 ≤  ⇔

 인 의 개수가 유한이다

라고 정의하고 극한이 같은 두 수열을 서로 동치인 것으로 간주하면 〈

 ≤〉는 전순서집합이 된다. 따름정 리 3.2.11에 의하면  ≤ 일 때

lim

lim

이 성립한다. 따라서 수열의 극한은

로부터 ℝ로의 순서

보존사상이다. □

참고

3.2.14

두 수열

,

이 각각

,

에 수렴하고 임의의 에 대하여  일지라도

일 수도 있다. 예를 들어 ≔  , ≔ 이라고 하면 임의의 에 대하여  이지만 두 수열 모두

에 수렴한다. □

정리 3.2.15 조임 정리

세 수열

,

,

이 주어졌다고 하자. 만약 유한 개를 제외한 에 대하여 ≤ ≤ 이 성 립하고

이 동일한 값

에 수렴하면

에 수렴한다.

증명

정리의 조건에 의하여 자연수

가 존재하여  ≥

일 때마다 ≤ ≤ 이 성립한다.

[‘유한 개를 제외한’이 무슨 뜻인지 깊게 생각해보자.]

이제 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그러면 자연수

이 존재하여  

일 때마다



 

 

이 성립한다. 마찬가지로 자연수

가 존재하여  

일 때마다



 

 

이 성립한다.

≔ max



라고 하자. 그러면  

일 때마다

   

≤ 

≤ 

 

이므로



 

 이 성립한다. 따라서

에 수렴한다.

예제

3.2.16

    일 때

lim

 → ∞

 임을 보여라.

풀이

 ≔ 

 이라고 하면   이고     

 이다. 베르누이 부등식에 의하여 자연수 에 대하여

     

 ≤   

  

이 성립한다. 여기서

lim

 → ∞

  ,

lim

 → ∞

  

이므로 조임 정리에 의하여

은 에 수렴한다. □

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