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급수 심화 전체 문제

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1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.6절 · 52번대학 수준우리말 번역

다음 함수를 생각하세요: f(x)={e−1/x2x≠00x=0f(x)=\begin{cases} e^{-1/x^2} & x \neq 0\\ 0 & x=0 \end{cases}

(a) y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 그리세요. (b) 모든 0 이상의 정수 nn 에 대해 f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 이라고 (증명 없이) 가정합니다. f(x)f(x) 의 매클로린 급수를 구하세요. (c) f(x)f(x) 의 매클로린 급수는 어디에서 수렴하는지 구하세요. (d) xx 의 어떤 값에 대해 f(x)f(x) 가 그 매클로린 급수와 같은지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the following function: f(x)={e−1/x2x≠00x=0f(x)=\begin{cases} e^{-1/x^2} & x \neq 0\\ 0 & x=0 \end{cases}

(a) Sketch y=f(x)y=f(x). (b) Assume (without proof) that f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 for all whole numbers nn. Find the Maclaurin series for f(x)f(x). (c) Where does the Maclaurin series for f(x)f(x) converge? (d) For which values of xx is f(x)f(x) equal to its Maclaurin series?

정답·풀이 보기

(a) y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 그리기 위해 다음을 살펴본다.

  • f(x)f(x) 는 결코 음수가 아니다.
  • lim⁡x→±∞f(x)=e0=1\lim\limits_{x \to \pm \infty} f(x)=e^0=1 이므로, 이 곡선은 양쪽 방향으로 y=1y=1 을 수평 점근선으로 갖는다.
  • lim⁡x→±0f(x)=lim⁡x→±01e1/x2=lim⁡u→+∞1eu=0=f(0)\lim\limits_{x \to \pm 0} f(x)=\lim\limits_{x \to \pm 0} \frac{1}{e^{1/x^2}}=\lim\limits_{u \to +\infty}\frac{1}{e^u}=0=f(0) 이므로, 이 곡선은 x=0x=0 에서 연속이다.
  • x≠0x\neq 0 일 때 f′(x)=2x3e−1/x2f'(x)=\frac{2}{x^3}e^{-1/x^2} 이므로, 이 곡선은 (−∞,0)(-\infty,0) 에서 감소하고 (0,∞)(0,\infty) 에서 증가한다.
  • x≠0x\neq 0 일 때 f′′(x)=2x−6(2−3x2)e−1/x2f''(x)=2x^{-6}(2-3x^2)e^{-1/x^2} 이므로, 이 곡선은 (−2/3,2/3)(-\sqrt{2/3},\sqrt{2/3}) 에서 아래로 볼록이고 그 밖에서는 위로 볼록이다.

그림 (b) 모든 0 이상의 정수 nn 에 대해 f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 이고 (즉, 그래프가 원점에서 매우 평평하고), f(0)=0f(0)=0 이므로, f(x)f(x) 의 매클로린 급수는 ∑n=0∞0n!xn=0\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{0}{n!}x^n=0 이다. (c) 매클로린 급수는 모든 실수 xx 에서 (상수 0 으로) 수렴한다. (d) 임의의 실수 yy 에 대해 ey>0e^y>0 이므로, f(x)=0f(x)=0 인 것은 x=0x=0 일 때뿐이다. 따라서 f(x)f(x) 는 오직 한 점 x=0x=0 에서만 그 매클로린 급수와 같다.

참고: 함수 f(x)f(x) 는 매클로린 급수가 수렴하지만 f(x)f(x) 로 수렴하지는 않는 함수의 예이다! 이러한 성질을 설명하기 위해 f(x)f(x) 를 *해석적이지 않다(비해석적)*고 말한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To sketch y=f(x)y=f(x), we note the following:

  • f(x)f(x) is never negative.
  • lim⁡x→±∞f(x)=e0=1\lim\limits_{x \to \pm \infty} f(x)=e^0=1, so the curve has horizontal asymptotes in both directions at y=1y=1.
  • lim⁡x→±0f(x)=lim⁡x→±01e1/x2=lim⁡u→+∞1eu=0=f(0)\lim\limits_{x \to \pm 0} f(x)=\lim\limits_{x \to \pm 0} \frac{1}{e^{1/x^2}}=\lim\limits_{u \to +\infty}\frac{1}{e^u}=0=f(0), so the curve is continuous at x=0x=0.
  • For x≠0x\neq 0, f′(x)=2x3e−1/x2f'(x)=\frac{2}{x^3}e^{-1/x^2}, so our curve is decreasing on (−∞,0)(-\infty,0) and increasing on (0,∞)(0,\infty)
  • For x≠0x\neq 0, f′′(x)=2x−6(2−3x2)e−1/x2f''(x)=2x^{-6}(2-3x^2)e^{-1/x^2}, so our curve is concave up on (−2/3,2/3)(-\sqrt{2/3},\sqrt{2/3}), and concave down elsewhere.

figure (b) Since f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 for all whole nn (that is, the graph is really quite flat at the origin), and since f(0)=0f(0)=0, the Maclaurin series for f(x)f(x) is ∑n=0∞0n!xn=0\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{0}{n!}x^n=0. (c) The Maclaurin series converges for all real values of xx (to the constant 0). (d) Since ey>0e^y>0 for any real yy, we see f(x)=0f(x)=0 only when x=0x=0. So, f(x)f(x) is only equal to its Maclaurin series at the single point x=0x=0.

Remark: the function f(x)f(x) is an example of a function whose Maclaurin series converges, but not to f(x)f(x)! To describe this behaviour, we say f(x)f(x) is non-analytic.

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