문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

멱급수와 수렴 반경

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-2 · 3.5절 · 18번대학 수준우리말 번역

다음 급수

∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n}

이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지, 발산하는지에 따라 xx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the values of xx for which the series

∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n}

converges absolutely, converges conditionally, or diverges.

정답·풀이 보기

비판정법을 두 번 적용하는 것으로 시작한다.

  • 한 번은 nthn^{\rm th} 항이 an=xn32nlog⁡na_n=\frac{x^n}{3^{2n}\log n} 인 급수에 적용하고,
  • 한 번은 nthn^{\rm th} 항이 an=∣xn32nlog⁡n∣a_n=\big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| 인 급수에 적용한다.

두 급수 모두, 즉 두 ana_n 모두에 대해

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣xn+132(n+1)log⁡(n+1) 32nlog⁡nxn∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32log⁡(n+1)∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32[log⁡(n)+log⁡(1+1/n)]∣=lim⁡n→∞∣x32[1+log⁡(1+1/n)/log⁡(n)]∣=∣x∣9\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{ a_{n+1} }{ a_n } \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x^{n+1}}{3^{2(n+1)}\log(n+1)} \ \frac{3^{2n}\log n}{x^n} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2\log(n+1)} \bigg| =\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2[\log(n)+\log(1+1/n)]} \bigg| \\ &=\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x}{3^2[1+\log(1+1/n)/\log(n)]} \bigg| \\ &=\frac{|x|}{9} \end{aligned}

이다. 따라서 비판정법에 의해 ∣x∣<9|x|<9 일 때 급수 ∑n=2∞∣xn32nlog⁡n∣\sum_{n=2}^\infty \big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| 는 수렴하고 급수 ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} 는 절대수렴하며, ∣x∣>9|x|> 9 일 때 급수 ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} 는 발산한다. 이제 x=±9x=\pm 9 만 남는다.

x=−9x=-9 일 때 ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞(−1)nlog⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{\log n} 이고, 이 급수는 교대급수 판정법에 의해 수렴한다.

x=+9x=+9 일 때 ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} 이고, 이는 ∑n=2∞∣(−1)nlog⁡n∣\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\Big|\frac{(-1)^n}{\log n}\Big| 과 같은 급수이다. 곧 n≥log⁡nn\ge\log n 임을 보일 것이며, 따라서 모든 n≥1n\ge 1 에 대해 1log⁡n≥1n\frac{1}{\log n}\ge \frac{1}{n} 이다. 이로부터 급수 ∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} 은 발산하는 급수 ∑n=2∞1np∣p=1\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^p}\bigg|_{p=1} 과의 비교에 의해 발산한다. 이로써 x=9x=9 일 때의 발산과 x=−9x=-9 일 때 절대수렴하지 않음이 모두 얻어진다.

마지막으로, 모든 n≥1n\ge 1 에 대해 n−log⁡n>0n-\log n > 0 임을 보인다. f(x)=x−log⁡xf(x)=x-\log x 라 하자. 그러면 f(1)=1>0f(1)=1>0 이고

f′(x)=1−1x≥0모든 x≥1f'(x) = 1 -\frac{1}{x} \ge 0\qquad\text{모든 }x\ge 1

이다. 따라서 f(x)f(x) 는 x=1x=1 일 때 (엄밀하게) 양수이고, 모든 x≥1x\ge 1 에 대해 증가한다. 그러므로 f(x)f(x) 는 모든 x≥1x\ge 1 에 대해 (엄밀하게) 양수이다.

원본 교재 풀이(영어)

We'll start by applying the ratio test twice,

  • once for the series whose nthn^{\rm th} term is an=xn32nlog⁡na_n=\frac{x^n}{3^{2n}\log n}, and
  • once for the series whose nthn^{\rm th} term is an=∣xn32nlog⁡n∣a_n=\big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big|.

For both series, i.e. for both ana_n's,

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣xn+132(n+1)log⁡(n+1) 32nlog⁡nxn∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32log⁡(n+1)∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32[log⁡(n)+log⁡(1+1/n)]∣=lim⁡n→∞∣x32[1+log⁡(1+1/n)/log⁡(n)]∣=∣x∣9\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{ a_{n+1} }{ a_n } \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x^{n+1}}{3^{2(n+1)}\log(n+1)} \ \frac{3^{2n}\log n}{x^n} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2\log(n+1)} \bigg| =\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2[\log(n)+\log(1+1/n)]} \bigg| \\ &=\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x}{3^2[1+\log(1+1/n)/\log(n)]} \bigg| \\ &=\frac{|x|}{9} \end{aligned}

Therefore, by the ratio test, when ∣x∣<9|x|<9, the series ∑n=2∞∣xn32nlog⁡n∣\sum_{n=2}^\infty \big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| converges and the series ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} converges absolutely, and when ∣x∣>9|x|> 9 the series ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} diverges. That just leaves x=±9x=\pm 9.

For x=−9x=-9, ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞(−1)nlog⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{\log n} which converges by the alternating series test.

For x=+9x=+9, ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} which is the same series as ∑n=2∞∣(−1)nlog⁡n∣\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\Big|\frac{(-1)^n}{\log n}\Big|. We shall shortly show that n≥log⁡nn\ge\log n, and hence 1log⁡n≥1n\frac{1}{\log n}\ge \frac{1}{n} for all n≥1n\ge 1. This implies that the series ∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} diverges by comparison with the divergent series ∑n=2∞1np∣p=1\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^p}\bigg|_{p=1}. This yelds both divergence for x=9x=9 and also the failure of absolute convergence for x=−9x=-9.

Finally, we show that n−log⁡n>0n-\log n > 0, for all n≥1n\ge 1. Set f(x)=x−log⁡xf(x)=x-\log x. Then f(1)=1>0f(1)=1>0 and

f′(x)=1−1x≥0for all x≥1f'(x) = 1 -\frac{1}{x} \ge 0\qquad\text{for all }x\ge 1

So f(x)f(x) is (strictly) positive when x=1x=1 and is increasing for all x≥1x\ge 1. So f(x)f(x) is (strictly) positive for all x≥1x\ge 1.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.5절 · 20번우리말 번역

(a) −1<x<1-1<x<1 에 대해 ∑n=0∞nxn=x(1−x)2\displaystyle\sum_{n=0}^\infty nx^n =\frac{x}{(1-x)^2} 임을 보이세요.

(b) ∑n=0∞n2xn\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n^2x^n 을 다항식의 비로 나타내세요. 이 급수가 수렴하는 xx 의 값의 범위를 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) ∑n=0∞xn=11−x\sum_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x}

의 양변을 미분하면

∑n=0∞nxn−1=1(1−x)2\sum_{n=0}^\infty n x^{n-1}=\frac{1}{(1-x)^2}

이다. 이제 양변에 xx 를 곱하면

∑n=0∞nxn=x(1−x)2\sum_{n=0}^\infty n x^n=\frac{x}{(1-x)^2}

이므로 주어진 등식이 성립한다.

(b) (a)의 결론의 양변을 미분하면

∑n=0∞n2xn−1=(1−x)2−2x(x−1)(1−x)4=(1−x)(1−x+2x)(1−x)4=1+x(1−x)3\sum_{n=0}^\infty n^2 x^{n-1}=\frac{(1-x)^2-2x(x-1)}{(1-x)^4} =\frac{(1-x)(1-x+2x)}{(1-x)^4} =\frac{1+x}{(1-x)^3}

이다. 이제 양변에 xx 를 곱하면

∑n=0∞n2xn=x(1+x)(1−x)3\sum_{n=0}^\infty n^2 x^n=\frac{x(1+x)}{(1-x)^3}

이다.

미분해도 거듭제곱급수의 수렴 반지름은 변하지 않는다. 따라서 이 급수의 수렴 반지름은 11 이다(처음의 등비급수의 수렴 반지름과 같다). x=±1x=\pm1 에서는 발산 판정법에 의해 이 급수가 발산한다. 그러므로 이 급수는 −1<x<1-1<x<1 에서 수렴한다.

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# 멱급수와 수렴 반경계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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