항의 합으로 만든 급수가 수렴해도 각각의 급수는 아닐 수 있다

항의 합으로 만든 급수가 수렴해도 각각의 급수는 아닐 수 있다

서로 다른 띠 무늬가 있는 직물의 확대 사진

사진: SEN Heritage Looms – Sophia Tsourinaki · CC BY-SA 4.0 · 원본 출처

an=1,bn=−1+2−n(n≥1).a_n=1,\qquad b_n=-1+2^{-n}\quad(n\ge1).

∑(a_n+b_n)을 두 급수의 합으로 분리해 계산할 수 있는지 검토한다. 먼저 원래 항의 합과 각 급수의 수렴 여부를 확인한다.

a_n+b_n=2^(−n)이므로 원래 급수는 첫째항1/2, 공비1/2인 등비급수이며 합은1이다. 반면 a_n은1, b_n은−1로 가므로 각각의 급수는 수렴하지 않는다.

유한한 부분합에서는 덧셈을 나누어도 정확하다.

∑n=1Nan=N,∑n=1Nbn=−N+1−2−N.\sum_{n=1}^{N}a_n=N,\qquad \sum_{n=1}^{N}b_n=-N+1-2^{-N}.

같은 N에서 두 식을 더하면1−2^(−N)이고 극한은1이다. 그러나 각각의 급수에 유한한 합이 있는 듯이 분리해서 더하는 표현은 정의되지 않는다.

계산의 순서는 각 번호에서 항을 먼저 더한 뒤 그 급수의 부분합을 구하는 것이다. 유한한 합의 분배가 맞는 사실과 두 극한을 따로 정해 더할 수 있는 조건을 구별한다. 급수 계산에서는 항의 식만 아니라 어떤 극한이 실제로 존재하는지도 남긴다.

출처·착안: Lin McMullin, 「Geometric Series – Far Out」. 문항과 풀이는 새로 작성했다.