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이론/ 급수/ 11.4 무한급수

11.4   수능 핵심

무한급수

Infinite Series

정의 · 공식과 증명

769–770번은 무한급수 자체를 엄밀하게 정의하는 절입니다 ― 769번에서 무한히 많은 항을 형식적으로 나열한 식(아직 실수가 아닌 표기)과 그 부분합 수열을 도입하고, 770번에서 부분합 수열의 n→∞ 극한(ε−N으로 정의)으로 급수의 수렴·발산과 합을 정의합니다. 771번은 수렴하는 급수라면 반드시 만족해야 하는 필요조건(제n항이 0으로 수렴)을 증명하고, 772번은 이 조건이 충분조건은 아니라는 것을 보여주는 대표적인 예(조화급수)를 오렘(Oresme)의 고전적인 논증으로 다룹니다. 773번은 등비수열 rn의 극한을 베르누이 부등식과 조임정리로 확립한 뒤, 774번에서 11.2의 760번(등비수열의 합 공식)과 결합해 무한등비급수의 합 공식을 증명합니다. 마지막으로 775번에서 이를 순환소수를 분수로 나타내는 실용적인 문제에 적용합니다. 수열의 극한은 770번에서 8.2의 극한(629번·637번)과 같은 꼴로 직접 정의하고, 8.2에서 증명한 극한의 성질(632~634번)이 수열에도 그대로 성립함을 770번 뒤의 보조정리에 모아 둡니다.

    769정의무한급수와 부분합 수열(Infinite Series and Sequence of Partial Sums)∞Σk=1ak := a1+a2+a3+…,   Sn := nΣk=1ak

    정의이므로 증명 대상이 아닙니다. 수열 {ak}(11.1의 749번)이 주어졌을 때, 이 수열의 모든 항을 형식적으로 차례로 더한 식

    ∞Σk=1ak := a1+a2+a3+…

    를 무한급수(infinite series)라 하고, ak를 이 급수의 제k항이라 합니다. 무한히 많은 항을 실제로 다 더하는 것은 불가능하므로, 이 단계의 좌변은 아직 하나의 실수를 나타내는 것이 아니라 단지 형식적인 나열 표기일 뿐입니다 ― «더한 결과가 실제로 얼마인가, 또는 애초에 결과가 존재하기는 하는가»는 770번에서 별도로(엄밀하게) 정의합니다.

    이 급수의 처음 n개 항의 합

    Sn := nΣk=1ak (749번의 표기를 그대로 사용)

    로 이루어진 수열 {Sn}을 이 급수의 부분합 수열(sequence of partial sums)이라 합니다. n이 커질 때 부분합이 어디로 가는지(극한)로 급수의 값을 정하는 것이 770번입니다.

    정의에서 바로 S1=a1이고, n≥2인 모든 자연수 n에 대해

    Sn = Sn−1 + an

    이 성립합니다(부분합에서 마지막 항 an을 분리한 것 ― 749번 Σ 표기의 정의를 그대로 풀어 쓴 것). 이 등식은 771번에서 반복적으로 사용됩니다.

    사용 : 11.1의 749번(수열의 정의와 Σ 표기)

    770정의무한급수의 수렴·발산과 합(Convergence, Divergence, and Sum)limn→∞ Sn = S  ⇒  ∞Σk=1ak := S

    정의이므로 증명 대상이 아닙니다. 먼저 수열의 극한을 정하고, 그것으로 급수의 합을 정합니다.

    수열의 극한. 읽는 법은 «n이 한없이 커질 때 an이 일정한 실수 L에 한없이 가까워진다»이고, 정확한 정의는 8.2 629번·637번과 같은 꼴입니다. 수열 {an}(749번)에 대하여, 임의의 양수 ε에 대하여 적당한 자연수 N이 있어서

    n ≥ N인 모든 자연수 n에서  |an−L| < ε

    이면 {an}은 L에 수렴한다고 하고 limn→∞ an = L로 씁니다. 임의의 실수 K에 대하여 자연수 N이 있어서 n≥N인 모든 n에서 an>K이면 limn→∞ an = ∞(양의 무한대로 발산), an<K이면 limn→∞ an = −∞라 씁니다. 어떤 실수로도 수렴하지 않는 수열은 발산한다고 합니다 (±∞로 발산하는 경우와, 1, −1, 1, −1, …처럼 진동하는 경우를 모두 포함). (참고 : 749번의 참고처럼 수열을 정의역이 N인 함수(8.1의 615번)로 보면, 이 정의는 637번 ⑴의 조건 «x>M»을 자연수 n에 대해 «n≥N»으로 쓴 것입니다.)

    급수의 수렴·발산과 합. 무한급수 ∞Σk=1ak(769번)의 부분합 수열 {Sn}이 어떤 실수 S에 수렴할 때, 즉

    limn→∞ Sn = S

    일 때, 무한급수 ∞Σk=1ak는 S에 수렴(converge)한다고 하고, S를 이 급수의 합(sum)이라 하며

    ∞Σk=1ak = S

    로 씁니다 ― 769번에서 형식적인 나열 표기로만 남겨두었던 좌변에, 이제 비로소 실수로서의 의미가 부여됩니다. {Sn}이 발산하면 이 급수는 발산(diverge)한다고 합니다.

    S 1 S1 2 S2 3 S3 4 S4 5 6 7 8 S8 n이 커질수록 부분합이 극한 S에 한없이 가까워짐

    a1=1, r=12인 등비수열의 부분합(774번에서 다시 등장) ― Sn=2(1−(12)n)이 n이 커질수록 점 하나씩 극한 S=2에 한없이 다가가는 모습. 각 점이 S에 도달하지는 않지만, 원하는 만큼 가까워질 수 있다는 것이 수렴의 의미입니다.

    사용 : 11.1의 749번(수열) · 769번

    ·받아들이는 사실아르키메데스 성질모든 실수 M에 대하여 n > M인 자연수 n이 있다

    받아들이는 사실입니다. 아무리 큰 실수 M이 주어져도 그보다 큰 자연수 n이 있습니다. 1.2의 31번은 실수를 «소수로 나타낼 수 있는 수»로 약속했는데, 이 성질은 그 약속과 같은 내용입니다 — M≤0이면 n=1이 M보다 크고, M>0이면 M을 소수로 쓴 정수 부분을 m이라 할 때 M ≤ m+1 < m+2이므로 n=m+2가 M보다 큽니다. 다만 실수를 처음부터 정확하게 세우고 이 성질을 증명하려면 실수의 완비성이 필요하므로(대학 해석학), 이 책에서는 받아들여 씁니다.

    쓰는 곳 : 보조정리 ⑷ · 772번 · 773번

    ·보조정리수열 극한의 기본 성질유일성 · 사칙연산 · 대소 · 조임 · 한 칸 이동 · 수렴하면 유계 · lim 1/n = 0

    증명법 : 직접증명법(770번의 정의를 그대로 확인)

    수열 {an}, {bn}이 limn→∞ an = L, limn→∞ bn = M이라 합시다(770번).

    ⑴ 8.2의 성질이 수열에도 성립 : 극한값은 하나뿐이고, limn→∞(an±bn) = L±M, limn→∞ c·an = cL(c는 상수), limn→∞ anbn = LM이며, 모든 n에서 bn≠0이고 M≠0이면 limn→∞ an/bn = L/M입니다. 또 어떤 N0 이후의 모든 n에서 an≤bn이면 L≤M이고, an≤cn≤bn(N0 이후)이고 L=M이면 limn→∞ cn = L입니다(조임). 증명 : 8.2 629번(유일성)·632번·633번·634번의 증명에서 조건 «0<|x−a|<δ»를 «n≥N»으로, «δ:=min(δ1, δ2, …)»을 «N:=max(N1, N2, …)»로, «x:=a+δ/2를 넣는다»를 «n:=N을 넣는다»로 바꾸면 증명이 한 줄씩 그대로 옮겨집니다. 두 조건 «n≥N1이면 …»과 «n≥N2이면 …»이 n≥max(N1, N2)에서 함께 성립하기 때문입니다. 보기로 합을 적으면 : 양수 ε가 주어지면 N1, N2가 있어 n≥N1이면 |an−L|<ε/2, n≥N2이면 |bn−M|<ε/2이므로, N:=max(N1, N2)로 두면 n≥N에서 |(an+bn)−(L+M)| ≤ |an−L| + |bn−M| < ε입니다 (2.7의 146번, 삼각부등식).

    ⑵ 한 칸 이동 : limn→∞ an−1 = L(n≥2에서 생각). 양수 ε에 대해 N이 있어 n≥N이면 |an−L|<ε입니다. 그러면 n≥N+1일 때 n−1≥N이므로 |an−1−L|<ε이고, 문턱 N+1로 770번의 정의가 성립합니다.

    ⑶ 수렴하면 유계 : 모든 n에서 |an|≤B인 실수 B가 있을 때 {an}을 유계라 합니다. 수렴하는 수열은 유계입니다. ε=1로 정의를 쓰면 N이 있어 n≥N에서 |an−L|<1이고, 삼각부등식으로 |an| ≤ |an−L| + |L| < |L|+1입니다. 그러므로 |a1|, |a2|, …, |aN−1|, |L|+1 가운데 가장 큰 수(유한개이므로 늘 있음)를 B로 두면 모든 n에서 |an|≤B입니다. 대우로, 유계가 아닌 수열은 수렴하지 않습니다.

    ⑷ limn→∞ 1n = 0 : 양수 ε가 주어지면 아르키메데스 성질로 N>1/ε인 자연수 N이 있습니다. n≥N이면 n>1/ε>0이고, 양변에 양수 ε/n을 곱하면 ε>1/n(2.7의 133번), 즉 |1/n−0|<ε입니다.

    사용 : 770번(수열의 극한) · 8.2의 629·632·633·634번 · 2.7의 133·146번 · 아르키메데스 성질

    증명 끝

    771정리급수 수렴의 필요조건(Necessary Condition for Convergence)∞Σk=1ak 수렴  ⇒  limk→∞ak = 0

    증명법 : an=Sn−Sn−1(769번)에 극한을 취함

    ∞Σk=1ak가 어떤 실수 S에 수렴한다고 합시다(770번), 즉 limn→∞Sn=S. 769번에서 확인했듯이 n≥2일 때 an=Sn−Sn−1입니다.

    보조정리 ⑵(한 칸 이동)에 의해 limn→∞ Sn−1 = S입니다. 이제 보조정리 ⑴(차의 법칙)을 적용하면

    limn→∞ an = limn→∞(Sn−Sn−1)769번(an의 정의, n≥2)
    = limn→∞Sn − limn→∞Sn−1보조정리 ⑴(차의 법칙)
    = S − S = 0가정(770번)과 위에서 확인한 lim Sn−1=S

    을 얻습니다.

    주의. 이 정리는 필요조건일 뿐 충분조건이 아닙니다 ― 즉 ak→0이라고 해서 ∞Σk=1ak가 반드시 수렴하는 것은 아닙니다. 대우로 사용할 때 (ak가 0으로 수렴하지 않으면 급수는 발산한다―774번에서 실제로 이렇게 사용됩니다)는 유용하지만, ak→0을 확인한 것만으로 수렴을 결론지을 수는 없습니다. 772번에서 이 사실을 보여주는 가장 유명한 예(조화급수)를 살펴봅니다.

    사용 : 769번 · 770번 · 보조정리 ⑴·⑵

    증명 끝

    772정리조화급수의 발산(Divergence of the Harmonic Series)∞Σk=11k 발산 (단, limk→∞1/k = 0)

    증명법 : 수학적 귀납법으로 S2n ≥ 1+n/2를 보이고, 유계가 아닌 수열은 수렴하지 않음(보조정리 ⑶)을 씀

    조화수열 ak:=1/k은 771번의 필요조건 limk→∞ak=0을 만족합니다(보조정리 ⑷). 그러나 이 절이 보이려는 것은, 그럼에도 불구하고 이 급수 ∞Σk=1(1/k) 자체는 발산한다는 것입니다 ― 771번의 역은 성립하지 않는다는 것을 보여주는 표준적인 예입니다.

    핵심 부등식. 모든 자연수 n에 대하여 S2n ≥ 1+n2임을 n에 대한 수학적 귀납법으로 보입니다.

    Ⅰn=1일 때, S2 = 1+12이므로 등호로 성립합니다.
    ⅡSm ≥ 1+n2(m:=2n, 귀납법의 가정)라 합시다. 먼저 j=0, 1, …, m에 대하여 Sm+j ≥ Sm + j2m임을 j에 대하여 차례로 보입니다. j=0이면 자명합니다. j<m에서 성립하면, 11.1 749번의 합의 정의에 의해 Sm+j+1 = Sm+j + 1m+j+1이고, 0 < m+j+1 ≤ 2m이므로 1m+j+1 ≥ 12m(양변에 양수 1(m+j+1)·2m을 곱함, 2.7의 133번)입니다. 따라서 Sm+j+1 ≥ Sm + j+12m입니다. j=m을 넣으면 S2n+1 = S2m ≥ Sm + 12 ≥ 1+n+12이므로 n+1에서도 성립합니다.

    Ⅰ·Ⅱ에 의해 모든 자연수 n에서 S2n ≥ 1+n/2입니다.

    참고(묶어서 보기, 오렘의 생각). 위 귀납법은 항을 2m−1개씩 묶어 보는 다음 생각을 정확하게 쓴 것입니다.

    S2n = 1 + 12 + (13+14) + (15+…+18) + … + (12n−1+1+…+12n)

    m=1,…,n에 대해, m번째 괄호는 지표가 2m−1+1부터 2m까지인 2m−1개의 항으로 이루어져 있습니다. 이 괄호 안의 모든 항은 지표 k가 2m 이하이므로 1/k ≥ 12m을 만족하고, 항의 개수가 2m−1개이므로 이 괄호의 합은

    (m번째 괄호) ≥ 2m−1 × 12m = 12

    보다 크거나 같습니다(옆 그림에서, 실제 값으로 이루어진 파랑·빨강 막대가 항상 그 괄호의 최솟값으로 채운 회색 점선 기준 막대보다 높거나 같다는 사실이 바로 이 부등식입니다). 괄호가 n개이므로 S2n은 1+n/2 이상이 되어, 위 귀납법의 결과와 같습니다.

    1 1 1/2 2 1/3 3 1/4 4 1/5 5 1/6 6 1/7 7 1/8 8 1 1/2 ≥ 1/2 ≥ 1/2 조화급수의 그룹별 묶음(Oresme) — 회색 점선은 그룹 최솟값 기준 막대

    그룹1{1}·그룹2{12}는 그 자체로 각각 1, 12이고, 그룹3{13,14}· 그룹4{15,…,18}은 실제 항(파랑·빨강)이 그 그룹의 최솟값으로 채운 기준 막대(회색 점선)보다 높거나 같아 각 그룹의 합이 12 이상임을 보여줍니다.

    이제 {Sn}이 위로 한없이 커짐을 보입니다. 임의의 실수 K가 주어지면 아르키메데스 성질로 n>2(K−1)인 자연수 n을 잡을 수 있고, 그러면 S2n ≥ 1+n/2 > K입니다. 모든 항 1/k가 양수이므로 Sk+1=Sk+1/(k+1)>Sk, 즉 부분합은 증가하고, 따라서 k≥2n인 모든 k에서 Sk ≥ S2n > K입니다. 770번의 정의에 의해 limn→∞ Sn = ∞(양의 무한대로 발산)이고, 특히 {Sn}은 유계가 아닙니다.

    따라서 {Sn}은 어떤 실수로도 수렴할 수 없고(수렴한다면 유계여야 하는데 유계가 아니므로), 조화급수 ∞Σk=1(1/k)는 발산합니다. 이것이 바로 771번의 역은 성립하지 않는다는 것을 보여주는 예입니다 ― 항 1/k는 0으로 수렴하지만 급수 자체는 발산합니다.

    사용 : 수학적 귀납법 · 11.1의 749번(합의 정의) · 769번 · 770번 · 771번 · 아르키메데스 성질 · 보조정리 ⑶·⑷ · 2.7의 133번

    증명 끝

    773정리등비수열의 극한(Limit of a Geometric Sequence)|r|<1 ⇒ limn→∞rn = 0;   |r|≥1 (r≠1) ⇒ 발산

    증명법 : 베르누이 부등식(수학적 귀납법) + 조임(보조정리 ⑴)

    ⑴ 보조정리(베르누이 부등식). 모든 실수 h>0과 모든 자연수 n에 대해

    (1+h)n ≥ 1+nh

    가 성립합니다. 수학적 귀납법으로 확인합니다.

    Ⅰn=1일 때, 양변 모두 1+h이므로 등호로 성립합니다.
    Ⅱ(1+h)m ≥ 1+mh(귀납법의 가정)라 합시다. h>0이므로 1+h>0이고, 부등식의 양변에 양수 (1+h)를 곱해도 방향이 바뀌지 않으므로
    (1+h)m+1 = (1+h)m(1+h) ≥ (1+mh)(1+h)귀납법의 가정 × (1+h)>0
    = 1+(m+1)h+mh² ≥ 1+(m+1)hmh²≥0(m≥1, h²≥0)이므로 버려도 부등식 유지

    이므로 n=m+1에서도 성립합니다. Ⅰ·Ⅱ에 의해 모든 자연수 n에서 성립합니다.

    ⑵ 0<r<1인 경우. 1/r>1이므로 h:=1/r−1>0으로 두면 1/r=1+h입니다. ⑴을 적용하면

    (1/r)n = (1+h)n ≥ 1+nh⑴(베르누이 부등식)
    0 < rn ≤ 11+nh역수(0<r<1이므로 rn>0), 1+nh>0이므로 부등식 방향 유지

    h>0이므로 n→∞이면 1+nh→∞이고(양수 ε가 주어지면 아르키메데스 성질로 N>(1/ε−1)/h인 자연수 N을 잡을 수 있고, n≥N이면 1+nh>1/ε, 즉 1/(1+nh)<ε), 따라서

    limn→∞ 11+nh = 0

    입니다. 0 < rn ≤ 1/(1+nh)이고 아래끝(상수 0)과 위끝(1/(1+nh))이 모두 0에 수렴하므로, 보조정리 ⑴(조임)에 의해

    limn→∞ rn = 0 (0<r<1)

    를 얻습니다.

    ⑶ −1<r<0인 경우. 0<|r|<1이므로 ⑵를 |r|에 적용하면 limn→∞|r|n=0입니다. |rn−0|=|rn|=|r|n이므로(770번의 ε−N 서술에서 거리는 절댓값으로 잰다는 사실 그대로), |r|n→0은 곧 rn→0을 뜻합니다. r=0인 경우는 n≥1에서 rn=0으로 자명합니다. ⑵·⑶을 종합하면 |r|<1인 모든 r에서 limn→∞rn=0입니다.

    ⑷ r>1인 경우(발산). k:=r−1>0으로 두면 ⑴에 의해 rn=(1+k)n≥1+nk이고, 실수 K가 주어지면 아르키메데스 성질로 N>(K−1)/k인 자연수 N을 잡을 수 있고, n≥N이면 rn ≥ 1+nk > K입니다. 따라서 770번의 정의에 의해 limn→∞ rn = ∞(양의 무한대로 발산)이고, 특히 {rn}은 유계가 아니므로 보조정리 ⑶에 의해 어떤 실수로도 수렴하지 않습니다.

    ⑸ r≤−1인 경우(발산). r=−1이면 rn은 1,−1,1,−1,…로 진동합니다 ― 짝수 번째 항은 항상 1, 홀수 번째 항은 항상 −1이므로, 만약 {rn}이 어떤 L로 수렴한다면(770번의 ε−N 정의에 의해 충분히 큰 모든 n에서 rn이 L에 원하는 만큼 가까워져야 하는데), 짝수 번째 항은 항상 1이고 홀수 번째 항은 항상 −1이므로 ε=1로 잡으면 L에서 거리가 1 미만인 구간 안에 1과 −1이 동시에 들어올 수는 없어(두 수 사이의 거리가 2이므로) 모순입니다. r<−1이면 |r|>1이므로 ⑷를 |r|에 적용해 |rn|=|r|n→∞, 즉 {rn}은 부호를 바꿔가며 크기가 한없이 커집니다. 따라서 {rn}은 유계가 아니므로 보조정리 ⑶에 의해 수렴하지 않습니다(발산).

    ⑵–⑸를 종합하면, r=1(항상 1이므로 자명하게 1로 수렴―|r|<1의 범위 밖이라 이 정리의 결론과는 별개)을 제외하면, |r|<1일 때만 {rn}이 0으로 수렴하고, 그 밖의 모든 경우(r>1, r=−1, r<−1)에는 발산합니다.

    사용 : 선행학습 수학적 귀납법 · 770번(수열의 극한) · 아르키메데스 성질 · 보조정리 ⑴·⑶

    증명 끝

    774정리무한등비급수의 합 공식(Sum of an Infinite Geometric Series)|r|<1 ⇒ ∞Σk=1a1rk−1 = a11−r;   |r|≥1 ⇒ 발산

    증명법 : |r|<1은 11.2 760번+773번(극한), |r|≥1은 771번(필요조건의 대우)

    {ak}가 11.2 756번의 등비수열(첫째항 a1≠0, 공비 r≠0)이라 합시다.

    ⑴ |r|<1인 경우(수렴). |r|<1이면 특히 r≠1이므로, 11.2 760번⑴에 의해

    Sn = a1(1−rn)1−r

    입니다. 773번에 의해 |r|<1이면 limn→∞rn=0이므로, 보조정리 ⑴(상수배·차)을 적용하면

    limn→∞ Sn = limn→∞ a1(1−rn)1−r = a1(1−0)1−r773번(lim rn=0) + 보조정리 ⑴
    = a11−r정리

    를 얻습니다. 770번의 정의에 의해 이는 급수가 수렴하고 그 합이 a1/(1−r)이라는 뜻입니다.

    ⑵ |r|≥1인 경우(발산). 756번에 의해 ak=a1rk−1이고 a1≠0입니다. |r|≥1이면 |r|k−1≥1(k≥1)이므로

    |ak| = |a1|·|r|k−1 ≥ |a1| > 0 (모든 k)

    입니다. 즉 ak는 항상 0으로부터 적어도 |a1|만큼 떨어져 있어 0에 가까워질 수 없습니다 ― 만약 ak→0이면 ε=|a1|에 대해 |ak|<|a1|인 k가 있어야 하므로 모순이고, 따라서 ak는 0으로 수렴하지 않습니다. 771번(필요조건)의 대우 ― ak가 0으로 수렴하지 않으면 급수는 발산한다 ― 에 의해, 이 경우 급수 ∞Σk=1ak는 발산합니다(r=1, r=−1, |r|>1을 모두 한 번에 처리합니다).

    1 1/3 0 0.5 1.0 1.5 S1=1 S2=4/3 S=3/2 1 + 1/3 + 1/9 + 1/27 + ⋯ = 3/2 (a1=1, r=1/3)

    a1=1, r=13인 예 ― 부분합 S1=1, S2=43, …이 극한 S=32에 다가가는 모습을, 각 항의 실제 폭(1, 13, 19, 127, …)을 그대로 누적한 막대로 시각화. 남은 폭(회색 점선)은 0으로 수렴합니다.

    수치 검산(활용). a1=1, r=13인 경우 ⑴의 공식은 11−13=123=32를 줍니다. 직접 부분합을 계산해도 S4=1+13+19+127=4027≈1.481로, 실제로 32=1.5에 빠르게 가까워지고 있음을 확인할 수 있습니다. 반대로 a1=1, r=2(11.2 761번의 예)는 |r|=2≥1이므로 ⑵에 의해 발산합니다 ― 실제로 761번에서 이 급수의 부분합은 2n−1로 한없이 커짐을 이미 확인했습니다.

    사용 : 11.2의 756번(등비수열의 정의) · 760번(등비수열의 합 공식) · 761번 · 770번(수렴·합의 정의) · 771번(필요조건) · 773번(등비수열의 극한) · 보조정리 ⑴

    증명 끝

    775정리활용 ― 순환소수를 분수로 나타내기(Repeating Decimals as Fractions)0.d = d/9,   0.ab = (10a+b)/99

    증명법 : 순환소수를 무한등비급수로 풀어 쓴 뒤 774번을 적용

    ⑴ 한 자리 순환(0.d, d∈{1,…,9}). 소수의 뜻 : 1.2의 29~31번에서 써 온 소수 0.d1d2d3…(각 dk는 0~9의 숫자)의 값은 급수 d110+d2100+d31000+…의 합(770번)으로 정합니다. 순환소수 0.ddd…는 이 뜻에 따라

    0.d = d10 + d100 + d1000 + … = ∞Σk=1 d10·110k−1

    이는 첫째항 a1=d/10, 공비 r=110(|r|=110<1)인 무한등비급수이므로, 774번⑴을 적용하면

    0.d = d/101−110 = d/10910774번⑴(a1=d/10, r=110)
    = d9분모·분자에 10을 곱해 약분

    를 얻습니다. 예를 들어 0.7=0.777…=7/9입니다.

    ⑵ 두 자리 순환(0.ab). 두 자리 블록이 나타내는 정수를 N:=10a+b(0≤N≤99)라 하면, 완전히 같은 방식으로

    0.ab = N100 + N10000 + … = ∞Σk=1 N100·1100k−1

    는 a1=N/100, r=1100인 무한등비급수이고, 774번⑴에 의해

    0.ab = N/1001−1100 = N/10099100 = N99 = 10a+b99

    를 얻습니다. 같은 방법으로 L자리 순환마디가 나타내는 정수가 N이면 0.(L자리) = N/(10L−1)이 됨을 완전히 같은 논증(a1=N/10L, r=110L)으로 일반화할 수 있습니다.

    ⑶ 활용 예 : 0.34를 분수로. a=3, b=4이므로 N=34이고, ⑵에 의해 0.34=34/99입니다. 검산 : 34÷99를 직접 나눗셈하면 0.343434…가 되어 일치합니다.

    ⑷ 활용 예 : 0.999… = 1(놀랍지만 엄밀한 사실). ⑴에 d=9를 대입하면 0.9=99=1입니다. 이는 역설이 아니라 774번을 그대로 적용한 결과입니다 ― 0.999…는 «1에 아주 가깝지만 1은 아닌 어떤 수»가 아니라, 부분합 0.9, 0.99, 0.999,…의 극한(770번)으로 정의된 하나의 실수이고, 그 극한값이 정확히 1이라는 뜻입니다.

    덧붙임. 같은 방법(⑵의 일반화)으로, 소수점 바로 아래부터 순환하는 소수는 모두 분수(유리수)입니다. 1.2의 29번이 받아들인 «유리수 ⇔ 유한소수 또는 순환소수» 가운데 «순환소수이면 유리수» 쪽을 이 경우에 증명한 것입니다.

    사용 : 770번(급수의 합, 소수의 뜻) · 774번(무한등비급수의 합 공식)

    증명 끝

chapter:11-series section:11.4