문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

테일러·매클로린 급수

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

CLP-2 · 3.6절 · 34번대학 수준우리말 번역

자연로그에 대한 테일러 급수를 이용하여 lim⁡x→0(1+x+x2)2/x\displaystyle \lim\limits_{x\rightarrow 0}\left(1+x+x^2\right)^{2/x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→0(1+x+x2)2/x\displaystyle \lim\limits_{x\rightarrow 0}\left(1+x+x^2\right)^{2/x} using a Taylor series for the natural logarithm.

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이 극한은 1∞1^{\infty} 꼴의 부정형이다. 로피탈의 법칙을 쓸 때와 마찬가지로, 자연로그를 이용하여 다루기 쉬운 꼴로 바꿀 수 있다.

f(x)=(1+x+x2)2/xlog⁡(f(x))=log⁡[(1+x+x2)2/x]=2xlog⁡(1+x+x2)\begin{aligned} f(x)&=\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\\ \log(f(x))&=\log\left[\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\right]=\frac{2}{x}\log\left(1+x+x^2\right) \end{aligned}

log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n+1ynn\log(1+y)=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}y^n}{n} 임을 떠올리고, y=x+x2y=x+x^2 으로 놓는다. 이 급수는 ∣y∣<1|y|<1 일 때 수렴하며, xx 가 0에 매우 가까운 값만 생각하므로 ∣x+x2∣<1|x+x^2|<1 이라고 가정할 수 있다.

log⁡(f(x))=2xlog⁡(1+(x+x2))=2x∑n=1∞(−1)n+1(x+x2)nn=2x[(x+x2)−(x+x2)22+(x+x2)33−⋯ ]=2+2x−(x+x2)22x+(x+x2)33x−⋯=2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯lim⁡x→0log⁡(f(x))=lim⁡x→0[2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯ ]=2+0+0⋯=2lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0elog⁡f(x)=e2\begin{aligned} \log(f(x))&=\frac{2}{x}\log\left(1+(x+x^2)\right)=\frac{2}{x}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}(x+x^2)^n}{n}\\ &=\frac{2}{x}\left[(x+x^2)-\frac{(x+x^2)^2}{2}+\frac{(x+x^2)^3}{3}-\cdots\right]\\ &=2+2x-\frac{(x+x^2)^2}{2x}+\frac{(x+x^2)^3}{3x}-\cdots\\ &=2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\\ \lim_{x \to 0}\log(f(x))&=\lim_{x \to 0}\left[2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\right] \\ &=2+0+0\cdots=2\\ \lim_{x \to 0} f(x)&=\lim_{x \to 0}e^{\log f(x)}=e^2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Our limit has the indeterminate form 1∞1^{\infty}; as with l'Hopital's rule, we can change it to a friendlier form using the natural logarithm.

f(x)=(1+x+x2)2/xlog⁡(f(x))=log⁡[(1+x+x2)2/x]=2xlog⁡(1+x+x2)\begin{aligned} f(x)&=\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\\ \log(f(x))&=\log\left[\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\right]=\frac{2}{x}\log\left(1+x+x^2\right) \end{aligned}

Recall log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n+1ynn\log(1+y)=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}y^n}{n}, and set y=x+x2y=x+x^2. The series converges when ∣y∣<1|y|<1, and since we only consider values of xx that are very close to 0, we can assume ∣x+x2∣<1|x+x^2|<1.

log⁡(f(x))=2xlog⁡(1+(x+x2))=2x∑n=1∞(−1)n+1(x+x2)nn=2x[(x+x2)−(x+x2)22+(x+x2)33−⋯ ]=2+2x−(x+x2)22x+(x+x2)33x−⋯=2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯lim⁡x→0log⁡(f(x))=lim⁡x→0[2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯ ]=2+0+0⋯=2lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0elog⁡f(x)=e2\begin{aligned} \log(f(x))&=\frac{2}{x}\log\left(1+(x+x^2)\right)=\frac{2}{x}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}(x+x^2)^n}{n}\\ &=\frac{2}{x}\left[(x+x^2)-\frac{(x+x^2)^2}{2}+\frac{(x+x^2)^3}{3}-\cdots\right]\\ &=2+2x-\frac{(x+x^2)^2}{2x}+\frac{(x+x^2)^3}{3x}-\cdots\\ &=2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\\ \lim_{x \to 0}\log(f(x))&=\lim_{x \to 0}\left[2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\right] \\ &=2+0+0\cdots=2\\ \lim_{x \to 0} f(x)&=\lim_{x \to 0}e^{\log f(x)}=e^2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 6.3절 · 40번우리말 번역

다음 연습문제에서 각 함수의 x=1x=1 에서의 테일러 급수를 구하세요.

f(x)=1xf(x)=\frac{1}{x}

다 풀었으면 정답 확인

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

이 문제로 이어서 풀기
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 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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