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 · 20번대학 수준우리말 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.

영어 원문 보기

(a) Show that ∑n=0∞nxn=x(1−x)2\displaystyle\sum_{n=0}^\infty nx^n =\frac{x}{(1-x)^2} for −1<x<1-1<x<1.

(b) Express ∑n=0∞n2xn\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n^2x^n as a ratio of polynomials. For which xx does this series converge?

정답·풀이 보기

(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.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Differentiating both sides of

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

gives

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

Now multiplying both sides by xx gives

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

as desired.

(b) Differentiating both sides of the conclusion of part (a) gives

∑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}

Now multiplying both sides by xx gives

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

We know that differentiation preserves the radius of convergence of power series. So this series has radius of convergence 11 (the radius of convergence of the original geometric series). At x=±1x=\pm1 the series diverges by the divergence test. So the series converges for −1<x<1-1<x<1.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.5절 · 16번우리말 번역

x31−x\dfrac{x^3}{1-x} 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

등비급수 ∑n=0∞xn=11−x\sum\limits_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x} 을 이용하면

x31−x=x3∑n=0∞xn=∑n=0∞xn+3=∑n=3∞xn\begin{aligned} \frac{x^3}{1-x} =x^3 \sum_{n=0}^\infty x^n =\sum_{n=0}^\infty x^{n+3} =\sum_{n=3}^\infty x^{n} \end{aligned}

이다.

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

「멱급수와 수렴 반경」 문제 목록으로