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1 수열의 극한

이 실수열이고

이 실수라고 하자. 의 값이 커짐에 따라 항 의 값이

에 ‘한없이’ 가까워진다 는 것은 과

의 거리



 

의 값이 에 가까워진다는 뜻이다. 이 값이 에 가까워진다는 것은, 이 임의의 양수일 때



 

 

이 될 수 있다는 뜻이다. 이 부등식이 모든 항 에 대하여 성립해야 하는 것은 아니며 의 값이 클 때 성립하면 충분하다. 이러한 관점에서 수열의 극한을 다음과 같이 정의한다.

정의 1.

이 수열이고

이 실수라고 하자. 만약 임의의 양수 에 대하여 자연수

이 존재하 여  

인 임의의 항번호 에 대하여



 

 이 성립하면, “수열

에 수렴한다.”

라고 말한다.

정의 1을 한정명제로 나타내면 다음과 같다.17)

∀   ∃

∈ℕ ∀ 

 



 

 

극한의 정의를 사용하여 수열

에 수렴한다는 증명을 ‘서술’하는 과정은 다음과 같다.18) 1단계. 양수 이 임의로 주어졌다고 가정한다.

2단계. 적당한

을 정의한다.

3단계.  

을 가정하고



 

 임을 설명한다.

16) Karl Weierstrass, 1815-1897, 독일의 수학자.

17) 이 논리식에서 ‘∀’이 나타내는 의 범위는 ‘수열 의 항번호가 될 수 있는 모든 ’이다. 별다른 언급이 없다면 ‘∀’

이 나타내는 의 범위를 ‘모든 자연수 ’이라고 생각하여도 좋다.

18) 명제를 ‘증명’하는 것과 증명을 ‘서술’하는 것은 다르다.

보기 1.   일 때 극한

lim

 → ∞

 의 증명은 다음과 같다.

양수 이 임의로 주어졌다고 하자.

자연수 집합은 위로 유계가 아니므로

 

 인 자연수

이 존재한다.

 

이라고 가정하면

 

  

 이다.

그러므로

이 에 수렴한다.

수열의 극한을 증명할 때 ‘적당한

’을 찾는 과정이 복잡할 수도 있다. 적당한

을 ‘찾는’ 방법은 다음 과 같다.

∙ 먼저 이 양수라고 가정하고 부등식



 

 을 푼다.

∙ 다음으로 위 부등식이 성립하도록 하는 ‘의 조건’을 구한다.

∙  

일 때 위에서 구한 ‘의 조건’이 성립하도록 하는 자연수

을 구한다.

예제 2.     일 때 

lim

 → ∞

  임을 증명하시오.

생각하는 과정( 을 찾는 과정)

 

 이라고 두고, 이 양수라고 하자.

부등식



 

 을 변형하면 다음과 같다.



  

 

 



  ⇔ 

   ⇔ 

  . 그러므로

≥ 

 인 자연수

을 택하면 충분하다.

증명 양수 이 임의로 주어졌다고 하자.

자연수 집합이 위로 유계가 아니므로

≥ 

 인 자연수

이 존재한다.

 

이라고 가정하면

 



  

 

 

  

  

이다. 그러므로

이  에 수렴한다.

극한의 엄밀한 정의를 사용하여 수열의 극한의 성질을 증명할 수 있다. 여기서는 합의 성질과 조임 정리 의 증명만 살펴보자.

보기 3.

이 수렴하는 수열이고

lim

 → ∞

,

lim

 → ∞

일 때

lim

 → ∞

 

임을 증명해 보자.

양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그러면  도 양수이다.

수열

에 수렴하므로, 자연수

이 존재하여  

인 모든 항번호 에 대하여



 

 

이 성립한다. 마찬가지로 수열

에 수렴하므로, 자연수

가 존재하여  

인 모든 항 번호 에 대하여



 

 

이 성립한다.

 max



라고 하자.19) 그러면

이고

이다.

 

이라고 가정하면,  

이고  

이므로



 

 





 



 



 



 

    이다. 그러므로

 

에 수렴한다.

보기 4. 수열의 극한의 조임 정리를 증명해 보자.

,

,

이 실수열이고

이 실수이며

lim

 → ∞

lim

 → ∞

이라고 하자. 또한 모든 항번호 에 대하여  ≤  ≤ 이 성립한다고 하자.

수열

에 수렴함을 증명하자.

양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 수열

에 수렴하므로 자연수

이 존재하여  

모든 항번호 에 대하여



 

 

이 성립한다. 이 부등식을 변형하면 다음을 부등식을 얻는다.

   

 .

마찬가지로 수열

에 수렴하므로 자연수

가 존재하여  

인 모든 항번호 에 대하여



 

 

이 성립한다. 이 부등식을 변형하면 다음 부등식을 얻는다.

   

 .

 max



라고 하자. 그러면

이면서

이다.

 

이라고 가정하면,  

이면서  

이므로,

   ≤ ≤ 

  즉



 

 이다. 그러므로 수열

에 수렴한다.

극한의 정의를 사용하여 수열이 수렴하지 않음을 증명할 수 있다.

19) 집합  가 공집합이 아니고 ℝ의 부분집합이며 최댓값을 가질 때, max 는  의 최댓값을 나타낸다.

정의 1의 부정을 한정명제로 나타내면 다음과 같다.

∃   ∀

∈ℕ ∃ 

 



 

≥ 

즉 극한의 정의를 사용하여 수열

에 수렴하지 않음을 서술하는 과정은 다음과 같다.

1단계. 적당한 양수 을 정의한다.

2단계. 자연수

이 임의로 주어졌다고 가정한다.

3단계. [  

이지만



 

≥ ]인 항번호 이 존재함을 설명한다.

보기 5.   일 때 수열

이  에 수렴하지 않음을 증명해 보자.

  이라고 하자. 그리고 자연수

이 임의로 주어졌다고 하자.

보다 큰 짝수 을 택하자. 그러면  

이지만

  

   

          이다. 그러므로

이  에 수렴하지 않는다.20)

수열이 양의 무한대로 발산하는 경우와 음의 무한대로 발산하는 경우도 엄밀하게 정의할 수 있다.

이 실수열이라고 하자.

이 양의 무한대로 발산한다는 것은 큰 수

가 있더라도

일 수 있다는 뜻이다. 이 부등식이 모든 항 에 대하여 성립해야 하는 것은 아니며 의 값이 클 때 성립하면 충분하다. 음의 무한대로 발산하는 수열에 대해서도 같은 방법으로 생각할 수 있다.

이와 같은 관점에서 양의 무한대로 발산하는 수열의 극한과 음의 무한대로 발산하는 수열의 극한을 다음 과 같이 정의한다.

정의 2.

이 실수열이라고 하자. 이때 다음과 같이 정의한다.

(ⅰ) 만약 임의의 실수

에 대하여 자연수

이 존재하여  

인 임의의 항번호 에 대하여

가 성립하면, “수열

이 양의 무한대로 발산한다.”라고 말한다.

(ⅱ) 만약 임의의 실수

에 대하여 자연수

이 존재하여  

인 임의의 항번호 에 대하여

가 성립하면, “수열

이 음의 무한대로 발산한다.”라고 말한다.

보기 6.  일 때 수열

이 양의 무한대로 발산함을 증명해 보자.

실수

가 임의로 주어졌다고 하자.

자연수 집합은 위로 유계가 아니므로



인 자연수

이 존재한다.

 

이라고 가정하자. 그러면

 

 

≥

이다. 따라서

은 양의 무한대로 발산한다.

20) 이 보기에서는 “이 에 수렴하지 않는다.”라는 사실을 증명하였다. 만약 “이 어느 수에도 수렴하지 않는다.”를 증명하려면 어떻게 해야 할까?

보기 7.  일 때 수열

이 음의 무한대로 발산함을 증명해 보자.

먼저 임의의 자연수 에 대하여  임을 상기하자. 이 부등식을 사용하여 증명하겠다.

실수

가 임의로 주어졌다고 하자.

자연수 집합은 위로 유계가 아니므로

 

인 자연수

이 존재한다.

 

이라고 가정하자. 그러면

   

 

≤

이다. 따라서

은 음의 무한대로 발산한다.