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 · 47번대학 수준우리말 번역

f(x)=∫0x1−e−tt dt {\displaystyle f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t} 라고 정의하세요.

(a) f(x)f(x) 의 매클로린 급수가 ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 임을 보이세요. (b) 비판정법을 사용하여 매클로린 급수 ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 이 수렴하는 xx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Define f(x)=∫0x1−e−tt dt {\displaystyle f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t} .

(a) Show that the Maclaurin series for f(x)f(x) is ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n. (b) Use the ratio test to determine the values of xx for which the Maclaurin series ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n converges.

정답·풀이 보기

(a) 알려진 거듭제곱급수 ex=1+x+x22!+x33!+x44!+⋯e^x = 1 + x +\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \cdots 에 x=−tx=-t 를 대입하면 다음을 얻는다.

e−t=1−t+t22!−t33!+t44!−⋯1−e−t=t−t22!+t33!−t44!+⋯1−e−tt=1−t2!+t23!−t34!+⋯∫1−e−tt dt=C+x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯\begin{aligned} e^{-t}&= 1 - t +\frac{t^2}{2!}-\frac{t^3}{3!} + \frac{t^4}{4!} - \cdots \\ 1-e^{-t}&= t - \frac{t^2}{2!}+ \frac{t^3}{3!} - \frac{t^4}{4!} + \cdots \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= 1 - \frac{t}{2!}+ \frac{t^2}{3!} - \frac{t^3}{4!} + \cdots \\ \int \frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t&= C + x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots \end{aligned}

마지막으로 f(0)=0f(0) = 0 이므로(f(0)f(0) 은 00 에서 00 까지의 적분이므로) C=0C=0 이다. 따라서

f(x)=∫0x1−e−tt dt=x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯ .\begin{aligned} f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t = x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots. \end{aligned}

이 계산을 합의 기호만으로 나타낼 수도 있다. ex=∑n=0∞xnn!e^{x}= \displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} 이므로

e−t=∑n=0∞(−t)nn!=1+∑n=1∞(−1)ntnn!1−e−t=−∑n=1∞(−1)ntnn!=∑n=1∞(−1)n−1tnn!1−e−tt=∑n=1∞(−1)n−1tn−1n!f(x)=∫0x1−e−tt dt=∑n=1∞(−1)n−1xnn⋅n!\begin{aligned} e^{-t}&= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-t)^n}{n!} =1+ \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} \\ 1-e^{-t}&= - \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^n}{n!} \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^{n-1}}{n!} \\ f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t &= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n\cdot n!} \end{aligned}

(b) an=Anxn=(−1)n−1n⋅n!xna_n=A_nx^n = \dfrac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 으로 놓고 비판정법을 적용한다.

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(−1)nxn+1/((n+1)⋅(n+1)!)(−1)n−1xn/(n⋅n!)∣=lim⁡n→∞(∣x∣n+1∣x∣nn⋅n!(n+1)⋅(n+1)!)=lim⁡n→∞(∣x∣n(n+1)2)(n+1)!=(n+1) n! 이므로=0\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\Big|\frac{a_{n+1}}{a_n}\Big| &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg|\frac{{(-1)^{n}}x^{n+1}/{((n+1)\cdot (n+1)!)}} {{(-1)^{n-1}}x^n/{(n\cdot n!)}}\bigg| \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( \frac{|x|^{n+1}}{|x|^n} \frac{n\cdot n!}{(n+1)\cdot (n+1)!} \bigg) \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( |x|\frac{n}{(n+1)^2} \bigg) \qquad\text{$(n+1)!=(n+1)\,n!$ 이므로} \\ &=0 \end{aligned}

이 값은 xx 가 무엇이든 11 보다 작다. 따라서 이 급수는 모든 xx 에 대해 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Substituting x=−tx=-t into the known power series ex=1+x+x22!+x33!+x44!+⋯e^x = 1 + x +\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \cdots, we see that:

e−t=1−t+t22!−t33!+t44!−⋯1−e−t=t−t22!+t33!−t44!+⋯1−e−tt=1−t2!+t23!−t34!+⋯∫1−e−tt dt=C+x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯\begin{aligned} e^{-t}&= 1 - t +\frac{t^2}{2!}-\frac{t^3}{3!} + \frac{t^4}{4!} - \cdots \\ 1-e^{-t}&= t - \frac{t^2}{2!}+ \frac{t^3}{3!} - \frac{t^4}{4!} + \cdots \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= 1 - \frac{t}{2!}+ \frac{t^2}{3!} - \frac{t^3}{4!} + \cdots \\ \int \frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t&= C + x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots \end{aligned}

Finally, f(0)=0f(0) = 0 (since f(0)f(0) is an integral from 00 to 00) and so C=0C=0. Therefore

f(x)=∫0x1−e−tt dt=x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯ .\begin{aligned} f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t = x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots. \end{aligned}

We can also do this calculation entirely in summation notation: ex=∑n=0∞xnn!e^{x}= \displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}, and so

e−t=∑n=0∞(−t)nn!=1+∑n=1∞(−1)ntnn!1−e−t=−∑n=1∞(−1)ntnn!=∑n=1∞(−1)n−1tnn!1−e−tt=∑n=1∞(−1)n−1tn−1n!f(x)=∫0x1−e−tt dt=∑n=1∞(−1)n−1xnn⋅n!\begin{aligned} e^{-t}&= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-t)^n}{n!} =1+ \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} \\ 1-e^{-t}&= - \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^n}{n!} \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^{n-1}}{n!} \\ f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t &= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n\cdot n!} \end{aligned}

(b) We set an=Anxn=(−1)n−1n⋅n!xna_n=A_nx^n = \dfrac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n and apply the ratio test.

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(−1)nxn+1/((n+1)⋅(n+1)!)(−1)n−1xn/(n⋅n!)∣=lim⁡n→∞(∣x∣n+1∣x∣nn⋅n!(n+1)⋅(n+1)!)=lim⁡n→∞(∣x∣n(n+1)2)since (n+1)!=(n+1) n!=0\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\Big|\frac{a_{n+1}}{a_n}\Big| &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg|\frac{{(-1)^{n}}x^{n+1}/{((n+1)\cdot (n+1)!)}} {{(-1)^{n-1}}x^n/{(n\cdot n!)}}\bigg| \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( \frac{|x|^{n+1}}{|x|^n} \frac{n\cdot n!}{(n+1)\cdot (n+1)!} \bigg) \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( |x|\frac{n}{(n+1)^2} \bigg) \qquad\text{since $(n+1)!=(n+1)\,n!$} \\ &=0 \end{aligned}

This is smaller than 11 no matter what xx is. So the series converges for all xx.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-2 · 3.6절 · 42번우리말 번역

길이가 0.00020.0002 이하이면서 수

I=∫012x2e−x2 dxI=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x

를 포함하는 구간을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

지수함수를 테일러 급수로 전개하면

I=∫012x2e−x2 dx=∑n=0∞∫012x2(−x2)nn! dx=∑n=0∞(−1)nn!∫012x2n+2 dx=∑n=0∞(−1)nn!(2n+3)122n+3\begin{aligned} I&=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 \frac{{(-x^2)}^n}{n!}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!}\int_0^{\frac{1}{2}} x^{2n+2} \ \mathrm{d}x \\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} \end{aligned}

이 급수에서 이웃한 항의 부호는 번갈아 바뀐다. 또한 nthn^{\rm th} 항의 크기는 nn 이 커질수록 감소한다. 따라서 교대급수 판정법에 의해, 모든 NN 에 대해 II 는 ∑n=0N(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^N \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} 과 ∑n=0N+1(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^{N+1} \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} 사이에 있다. 처음 몇 개의 항을 소수 다섯째 자리까지 나타내면 다음과 같다.

n0123(−1)nn!(2n+3)122n+30.04167-0.006250.00056-0.00004\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline n & \text{0} & \text{1} & \text{2} & \text{3} \\ \hline \dfrac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} & \text{0.04167} & \text{-0.00625} & \text{0.00056} & \text{-0.00004} \\ \hline \end{array}

각 항에 0.0000050.000005 의 반올림 오차가 있다고 보면, II 는

0.04167−0.00625+0.00056+0.000005×3=0.0359950.04167-0.00625+0.00056+0.000005\times 3=0.035995

와

0.04167−0.00625+0.00056−0.00004−0.000005×4=0.0359200.04167-0.00625+0.00056-0.00004-0.000005\times 4=0.035920

사이에 있어야 한다. 여기서 0.0000050.000005 의 배수는 더한 항들에서 누적될 수 있는 반올림 오차의 최댓값이다.

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

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