문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

급수 심화 전체 문제

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49문제 · 3 / 3쪽

41.CLP-2 · 3.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

이 문제의 두 부분은 모두 급수 S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 에 관한 것입니다.

(a) 급수 SS 가 절대수렴함을 보이세요. (b) 급수 SS 를 제5 부분합 S5S_5 로 근사한다고 하자. 이 근사로 생기는 오차의 상한을 구하세요.

영어 원문 보기

Both parts of this question concern the series S=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle S = \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3}.

(a) Show that the series SS converges absolutely. (b) Suppose that you approximate the series SS by its fifth partial sum S5S_5. Give an upper bound for the error resulting from this approximation.

정답·풀이 보기

(a)

  • 풀이 1: 다음 급수가 수렴함을 보이면 된다. ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 일반항에서 nn 을 xx 로 바꾸면 f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3} 이고, 이는 적분할 수 있다. (u=x3u=x^3 으로 치환하면 된다.) 따라서 적분판정법을 써 보자. 먼저 f(x)f(x) 가 양이고 감소함을 확인해야 한다. 양인 것은 분명하다. 감소하는지 판단하기 위해 계산하면

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

이고, 이는 x≥1x\ge1 에서 음수이다. 따라서 f(x)f(x) 는 x≥1x\ge1 에서 감소하므로 적분판정법을 적용할 수 있다. 치환 u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x 를 쓰면

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C \end{aligned}

을 얻는다. 그러므로

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

이다. 적분이 수렴하므로 급수 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 은 수렴하고, 따라서 급수 ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} 은 절대수렴한다.

  • 풀이 2: 다른 방법으로, an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3} 으로 놓고 비판정법을 쓸 수 있다. 계산하면

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1 \end{aligned}

이므로 급수는 절대수렴한다.

  • 풀이 3: 또 다른 방법으로, 극한비교판정법을 쓸 수 있다. 먼저 직관을 조금 쌓아 보자. 우리는 ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} 이 수렴함을 보여야 한다는 것을 떠올리자. 이 급수의 nn 번째 항은

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

이다. 이것은 분자와 분모가 모두 nn 에 따라 커지는 비이다. 지수함수는 거듭제곱보다 훨씬 빠르게 커진다는 것이 좋은 경험 법칙이다. 예를 들어 n=10n=10 이면 분자는 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 이고 분모는 약 2×104342\times 10^{434} 이다. 그래서 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 ana_n 이 0 으로 간다고 짐작할 수 있다. 문제는 “ana_n 이 nn 에 따라 우리 급수가 수렴할 만큼 충분히 빠르게 0 으로 가는가?”이다. 예를 들어 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} 은 (p=2p=2 인 pp 판정법에 의해) 수렴한다는 것을 알고 있다. 그러므로 ana_n 이 1n2\frac{1}{n^2} 보다 더 빠르게 0 으로 가면 우리 급수는 수렴한다. 그러면 an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} 과 bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2} 으로 극한비교판정법을 써 보자.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

로피탈의 정리를 두 번 쓰면,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3로피탈의 정리에 의해=lim⁡x→∞32xex3식을 정리함=lim⁡x→∞323x2ex3로피탈의 정리를 다시 적용=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리에 의해} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{식을 정리함} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{로피탈의 정리를 다시 적용} \\ &=0 \end{aligned}

이다. 이제 극한비교판정법에 의해 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n 은 수렴한다.

(b) (a)에서 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} 이 양이고 감소함을 보았다. 이 수열의 극한은 00 이다. ((a)의 풀이 3의 끝에서 했던 것처럼 로피탈의 정리로 보일 수 있다.) 따라서 교대급수판정법을 쓸 수 있고, 무한합 S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} 을 처음 NN 개 항의 합 SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n 으로 근사할 때 생기는 오차는 00 과 처음으로 생략된 항 aN+1a_{N+1} 사이에 있다. 55 개의 항을 쓰면 오차는 다음을 만족한다.

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

(a)

  • Solution 1: We need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. If we replace nn by xx in the summand, we get f(x)=24x2e−x3f(x) = 24x^2 e^{-x^3}, which we can integate. (Just substitute u=x3u=x^3.) So let's try the integral test. First, we have to check that f(x)f(x) is positive and decreasing. It is certainly positive. To determine if it is decreasing, we compute

dfdx=48xe−x3−24×3x4e−x3=24x(2−3x3)e−x3\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x} = 48x e^{-x^3} - 24\times 3 x^4 e^{-x^3} = 24x (2-3x^3) e^{-x^3} \end{aligned}

which is negative for x≥1x\ge1. Therefore f(x)f(x) is decreasing for x≥1x\ge1, and the integral test applies. The substitution u=x3u=x^3, du=3x2  dx\mathrm{d}u=3x^2\,\,\mathrm{d}x, yields

∫f(x) dx=∫24x2e−x3 dx=∫8e−u du=−8e−u+C=−8e−x3+C.\begin{aligned} \int f(x) \,\mathrm{d}x = \int 24x^2 e^{-x^3} \,\mathrm{d}x = \int 8 e^{-u}\,\mathrm{d}u = -8e^{-u} + C = -8e^{-x^3} + C. \end{aligned}

Therefore

∫1∞f(x) dx=lim⁡R→∞∫1Rf(x) dx=lim⁡R→∞[−8e−x3]1R=lim⁡R→∞(−8e−R3+8e−1)=8e−1\begin{aligned} \int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x &= \lim_{R \to \infty} \int_1^R f(x) \,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \bigg[ {-}8 e^{-x^3} \bigg]_1^R \\ &= \lim_{R \to \infty} ( - 8 e^{-R^3} + 8 e^{-1} ) = 8 e^{-1} \end{aligned}

Since the integral is convergent, the series ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges and the series ∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3\displaystyle \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1}24n^2 e^{-n^3} converges absolutely.

  • Solution 2: Alternatively, we can use the ratio test with an=24n2e−n3a_n=24n^2 e^{-n^3}. We calculate

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣24(n+1)2e−(n+1)324n2e−n3∣=lim⁡n→∞((n+1)2n2en3e(n+1)3)=lim⁡n→∞(1+1n)2e−(3n2+3n+1)=1⋅0=0<1,\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| &= \lim_{n\to\infty} \left|\frac{24 (n+1)^2e^{-(n+1)^3}}{24 n^2e^{-n^3}} \right| \\ &= \lim_{n\to\infty} \left( \frac{(n+1)^2}{n^2} \frac{e^{n^3}}{e^{(n+1)^3}} \right) \\ &= \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^2 e^{-(3n^2+3n+1)} = 1\cdot0=0 < 1, \end{aligned}

and therefore the series converges absolutely.

  • Solution 3: Alternatively, alternatively, we can use the limiting comparison test. First a little intuition building. Recall that we need to show that ∑n=1∞24n2e−n3\sum\limits_{n=1}^\infty 24n^2 e^{-n^3} converges. The nthn^{\rm th} term in this series is

an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}}

It is a ratio with both the numerator and denominator growing with nn. A good rule of thumb is that exponentials grow a lot faster than powers. For example, if n=10n=10 the numerator is 2400=2.4×1032400=2.4\times 10^3 and the denominator is about 2×104342\times 10^{434}. So we would guess that ana_n tends to zero as n→∞n\rightarrow\infty. The question is “does ana_n tend to zero fast enough with nn that our series converges?”. For example, we know that ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} converges (by the pp–test with p=2p=2). So if ana_n tends to zero faster than 1n2\frac{1}{n^2} does, our series will converge. So let's try the limiting convergence test with an=24n2e−n3=24n2en3a_n = 24n^2 e^{-n^3} =\frac{24 n^2}{e^{n^3}} and bn=1n2b_n=\frac{1}{n^2}.

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞24n2e−n31/n2=lim⁡n→∞24n4en3\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_n}{b_n} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^2 e^{-n^3}}{1/n^2} =\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{24n^4 }{e^{n^3}} \end{aligned}

By l'Hopital's rule, twice,

lim⁡x→∞24x4ex3=lim⁡x→∞4×24x33x2ex3by l’Hoˆpital=lim⁡x→∞32xex3just cleaning up=lim⁡x→∞323x2ex3by l’Hoˆpital, again=0\begin{aligned} \lim_{x\rightarrow\infty} \frac{24x^4 }{e^{x^3}} &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{4\times 24x^3 }{3 x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32x }{e^{x^3}} &\text{just cleaning up} \\ &=\lim_{x\rightarrow\infty} \frac{32 }{3x^2e^{x^3}} &\text{by l'H\^opital, again} \\ &=0 \end{aligned}

That's it. The limit comparison test now tells us that ∑n=1∞an\sum_{n=1}^\infty a_n converges.

(b) In part (a) we saw that 24n2e−n324n^2 e^{-n^3} is positive and decreasing. The limit of this sequence equals 00 (as can be shown with l'Hopital's Rule, just as we did at the end of the third solution of part (a)). Therefore, we can use the alternating series test, so that the error made in approximating the infinite sum S=∑n=1∞an=∑n=1∞(−1)n−124n2e−n3S= \sum\limits_{n=1}^\infty a_n = \sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} 24n^2 e^{-n^3} by the sum of its first NN terms, SN=∑n=1NanS_N=\sum\limits_{n=1}^N a_n, lies between 00 and the first omitted term, aN+1a_{N+1}. If we use 55 terms, the error satisfies

∣S−S5∣≤∣a6∣=24×36e−63≈1.3×10−91\begin{aligned} |S - S_5 | \le |a_6| = 24 \times 36 e^{-6^3}\approx 1.3 \times 10^{-91} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 12번
# 절대수렴과 조건수렴증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
42.CLP-2 · 3.4절 · 15번대학 수준우리말 번역

ana_n 을 다음과 같이 정의하세요. an={−en/2 n이 소수이면n2 n이 소수가 아니면a_n=\begin{cases} -e^{n/2} & \text{ $n$이 소수이면}\\ n^2 & \text{ $n$이 소수가 \textbf{아니면}} \end{cases} 급수 ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} 이 수렴함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let ana_n be defined as an={−en/2 if n is primen2 if n is not primea_n=\begin{cases} -e^{n/2} & \text{ if $n$ is prime}\\ n^2 & \text{ if $n$ is \textbf{not} prime} \end{cases} Show that the series ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} converges.

정답·풀이 보기

이 급수의 항은 음수일 때도 있고 양수일 때도 있다. 그러나 엄밀하게 교대로 나타나는 것은 아니므로 교대급수 판정법을 쓸 수 없다. 대신 직접 비교판정법을 사용하여 이 급수가 절대수렴함을 보인다.

nn 이 소수이면 ∣anen∣=∣−en/2en∣=1en/2=(1e)n\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{e^{n/2}}{e^n}\right|=\frac{1}{e^{n/2}}=\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)^n

nn 이 소수가 아니면 ∣anen∣=∣−n2en∣=n2en\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{n^2}{e^n}\right|=\frac{n^2}{e^n} nn 이 충분히 크면 n2<en/2n^2<e^{n/2} 이므로, nn 이 충분히 클 때 n2en≤(1e)n\frac{n^2}{e^n}\le \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n 이다.

e>1e>1 이므로 e>1\sqrt{e}>1 이고, 따라서 등비급수 ∑(1e)n\displaystyle\sum \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n 은 ∣r∣=r=1e<1|r|=r=\frac{1}{\sqrt{e}}<1 이므로 수렴한다. 직접 비교판정법에 의해 ∑n=1∞∣anen∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\dfrac{a_n}{e^n}\right| 도 수렴한다. 그러면 ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} 은 절대수렴하므로 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

The terms of this series are sometimes negative and sometimes positive. But, they are not strictly alternating, so we can't use the alternating series test. Instead, we use a direct comparison test to show the series converges absolutely.

If nn is prime, then ∣anen∣=∣−en/2en∣=1en/2=(1e)n\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{e^{n/2}}{e^n}\right|=\frac{1}{e^{n/2}}=\left(\frac{1}{\sqrt e}\right)^n

If nn is not prime, then ∣anen∣=∣−n2en∣=n2en\left| \frac{a_n}{e^n}\right|=\left|-\frac{n^2}{e^n}\right|=\frac{n^2}{e^n} For nn sufficiently large, n2<en/2n^2<e^{n/2}, so for nn sufficiently large, n2en≤(1e)n.\frac{n^2}{e^n}\le \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n.

Since e>1e>1, then e>1\sqrt{e}>1, so the geometric series ∑(1e)n\displaystyle\sum \left(\frac{1}{\sqrt{e}}\right)^n has ∣r∣=r=1e<1|r|=r=\frac{1}{\sqrt{e}}<1, so it converges. By the direct comparison test, ∑n=1∞∣anen∣\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left|\dfrac{a_n}{e^n}\right| converges as well. Then ∑n=1∞anen\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{a_n}{e^n} converges absolutely, so it converges.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.4절 · 14번
# 절대수렴과 조건수렴증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
43.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 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 16번
# 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)
44.CLP-2 · 3.5절 · 22번대학 수준우리말 번역

{an}\big\{a_n \big\} 은 어떤 실수 C>0C > 0 에 대해 n→∞n \rightarrow\infty 일 때 nanna_n 이 CC 로 감소하는 수열이라고 하자.

(a) ∑n=1∞anxn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_n x^n 의 수렴 반지름을 구하세요. 답의 근거를 꼼꼼히 설명하세요.

(b) 위 거듭제곱급수의 수렴 구간, 즉 (a)의 거듭제곱급수가 수렴하는 모든 xx 를 구하세요. 답의 근거를 꼼꼼히 설명하세요.

영어 원문 보기

Assume {an}\big\{a_n \big\} is a sequence such that nanna_n decreases to CC as n→∞n \rightarrow\infty for some real number C>0C > 0

(a) Find the radius of convergence of ∑n=1∞anxn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_n x^n . Justify your answer carefully.

(b) Find the interval of convergence of the above power series, that is, find all xx for which the power series in (a) converges. Justify your answer carefully.

정답·풀이 보기

(a) 수렴 반지름 RR 은 다음을 만족한다.

1R=lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞nn+1 (n+1)an+1nan=1CC=1\begin{aligned} \frac{1}{R} = \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{n+1}\ \frac{(n+1)a_{n+1}}{na_n} = 1 \frac{C}{C} = 1 \end{aligned}

이는 lim⁡n→∞nan=C\lim\limits_{n\rightarrow\infty} na_n=C 라고 주어졌기 때문이다. 따라서 R=1R=1 이다.

(b) 수렴 반지름이 11 임을 알면, 급수는 ∣x∣<1|x|<1 에서 수렴하고 ∣x∣>1|x|>1 에서 발산한다. 남은 것은 x±1x\pm 1 인 경우이다.

x=+1x=+1 일 때 급수는 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 된다. nanna_n 이 C>0C>0 으로 감소한다고 주어졌으므로 an≥Cna_n\ge \frac{C}{n} 이다. p=1p=1 인 pp-판정법에 의해 발산하는 조화급수 ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n} 과 비교판정법을 쓰면, x=1x=1 일 때 이 급수는 발산한다.

x=−1x=-1 일 때 급수는 ∑n=1∞(−1)nan\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^n a_n 이 된다. nanna_n 이 C>0C>0 으로 감소한다고 주어졌으므로 an>0a_n>0 이고 n→∞n\rightarrow\infty 일 때 ana_n 은 00 으로 수렴한다. 따라서 ∑n=1∞(−1)nan\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^n a_n 은 교대급수판정법에 의해 수렴한다.

결론적으로 ∑n=1∞anxn\sum\limits_{n=1}^\infty a_n x^n 은 −1≤x<1-1\le x< 1 에서 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We know that the radius of convergence RR obeys

1R=lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞nn+1 (n+1)an+1nan=1CC=1\begin{aligned} \frac{1}{R} = \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n}{n+1}\ \frac{(n+1)a_{n+1}}{na_n} = 1 \frac{C}{C} = 1 \end{aligned}

because we are told that lim⁡n→∞nan=C\lim\limits_{n\rightarrow\infty} na_n=C. So R=1R=1.

(b) Just knowing that the radius of convergence is 11, we know that the series converges for ∣x∣<1|x|<1 and diverges for ∣x∣>1|x|>1. That leaves x±1x\pm 1.

When x=+1x=+1, the series reduces to ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n . We are told that nanna_n decreases to C>0C>0. So an≥Cna_n\ge \frac{C}{n}. By the comparison test with the harmonic series ∑n=1∞1n\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n}, which diverges by the pp–test with p=1p=1, our series diverges when x=1x=1.

When x=−1x=-1, the series reduces to ∑n=1∞(−1)nan\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^n a_n . We are told that nanna_n decreases to C>0C>0. So an>0a_n>0 and ana_n converges to 00 as n→∞n\rightarrow\infty. Consequently ∑n=1∞(−1)nan\sum\limits_{n=1}^\infty (-1)^n a_n converges by the alternating series test.

In conclusion ∑n=1∞anxn\sum\limits_{n=1}^\infty a_n x^n converges when −1≤x<1-1\le x< 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 18번
# 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)
45.CLP-2 · 3.5절 · 24번대학 수준우리말 번역

f(x)=∑n=0∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}A_n(x-c)^n 이라 하자. 여기서 cc 는 어떤 상수이고 {An}\{A_n\} 은 상수로 이루어진 수열이다. 또한 f(x)f(x) 는 양의 수렴 반지름을 갖는다고 하자.

A1=0A_1=0 이면 y=f(x)y=f(x) 가 x=cx=c 에서 임계점을 가짐을 보이세요. 그 점에서 그래프의 모양과 A2A_2 의 값 사이에는 어떤 관계가 있는지 설명하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=∑n=0∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}A_n(x-c)^n, for some constant cc and a sequence of constants {An}\{A_n\}. Further, let f(x)f(x) have a positive radius of convergence.

If A1=0A_1=0, show that y=f(x)y=f(x) has a critical point at x=cx=c. What is the relationship between the behaviour of the graph at that point and the value of A2A_2?

정답·풀이 보기

먼저 미분한다.

f(x)=∑n=0∞An(x−c)nf′(x)=∑n=0∞nAn(x−c)n−1=∑n=1∞nAn(x−c)n−1f′(c)=∑n=1∞nAn⋅0n−1=A1⋅1+2A2⋅0+3A3⋅0+⋯=A1\begin{aligned} f(x)&=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}A_n(x-c)^n\\ f'(x)&=\sum_{n=0}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ &=\sum_{n=1}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ f'(c)&=\sum_{n=1}^\infty nA_n\cdot 0^{n-1}\\ &=A_1\cdot 1 + 2A_2\cdot0+3A_3\cdot0+\cdots\\ &=A_1 \end{aligned}

따라서 A1=0A_1=0 이면 f′(c)=0f'(c)=0 이다. 즉, f(x)f(x) 는 x=cx=c 에서 임계점을 갖는다.

이 임계점에서의 그래프의 모양을 알아보기 위해 이계도함수 판정법을 이용한다.

f′(x)=∑n=1∞nAn(x−c)n−1f′′(x)=∑n=1∞n(n−1)An(x−c)n−2=∑n=2∞n(n−1)An(x−c)n−2f′′(c)=∑n=2∞n(n−1)An⋅0n−2=2(1)A2⋅00+3(2)A3⋅01+4(3)A4⋅02+⋯=2A2\begin{aligned} f'(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ f''(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}n(n-1)A_n(x-c)^{n-2}\\ &=\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)A_n(x-c)^{n-2}\\ f''(c)&=\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)A_n\cdot 0^{n-2}\\ &=2(1)A_2\cdot 0^0+3(2)A_3\cdot 0^1+4(3)A_4\cdot 0^2+\cdots\\ &=2A_2 \end{aligned}

이계도함수 판정법에 따라, A2<0A_2<0 이면 x=cx=c 는 극댓값을 갖는 위치이고, A2>0A_2>0 이면 극솟값을 갖는 위치이다. (A2=0A_2=0 이면 그 임계점은 극값일 수도 있고 아닐 수도 있다.)

원본 교재 풀이(영어)

First, we differentiate.

f(x)=∑n=0∞An(x−c)nf′(x)=∑n=0∞nAn(x−c)n−1=∑n=1∞nAn(x−c)n−1f′(c)=∑n=1∞nAn⋅0n−1=A1⋅1+2A2⋅0+3A3⋅0+⋯=A1\begin{aligned} f(x)&=\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}A_n(x-c)^n\\ f'(x)&=\sum_{n=0}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ &=\sum_{n=1}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ f'(c)&=\sum_{n=1}^\infty nA_n\cdot 0^{n-1}\\ &=A_1\cdot 1 + 2A_2\cdot0+3A_3\cdot0+\cdots\\ &=A_1 \end{aligned}

So, if A1=0A_1=0, then f′(c)=0f'(c)=0. That is, f(x)f(x) has a critical point at x=cx=c.

To determine the behaviour of this critical point, we use the second derivative test.

f′(x)=∑n=1∞nAn(x−c)n−1f′′(x)=∑n=1∞n(n−1)An(x−c)n−2=∑n=2∞n(n−1)An(x−c)n−2f′′(c)=∑n=2∞n(n−1)An⋅0n−2=2(1)A2⋅00+3(2)A3⋅01+4(3)A4⋅02+⋯=2A2\begin{aligned} f'(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}nA_n(x-c)^{n-1}\\ f''(x)&=\sum_{n=1}^{\infty}n(n-1)A_n(x-c)^{n-2}\\ &=\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)A_n(x-c)^{n-2}\\ f''(c)&=\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)A_n\cdot 0^{n-2}\\ &=2(1)A_2\cdot 0^0+3(2)A_3\cdot 0^1+4(3)A_4\cdot 0^2+\cdots\\ &=2A_2 \end{aligned}

Following the second derivative test, x=cx=c is the location of a local maximum if A2<0A_2<0, and it is the location of a local minimum if A2>0A_2>0. (If A2=0A_2=0, the critical point may or may not be a local extremum.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 47번
# 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)
46.CLP-2 · 3.6절 · 36번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=0∞(n+1)(n+2)7n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{ (n+1)(n+2)}{7^n} 의 값을 구하거나 발산함을 보이세요.

영어 원문 보기

Evaluate the series ∑n=0∞(n+1)(n+2)7n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{ (n+1)(n+2)}{7^n} or show that it diverges.

정답·풀이 보기

인수 (n+1)(n+2)(n+1)(n+2) 는 도함수를 떠올리게 한다. 등비급수에서 시작한다.

11−x=∑n=0∞xnddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=0∞nxn−1=∑n=1∞nxn−1ddx{1(1−x)2}=ddx{∑n=1∞nxn−1}2(1−x)3=∑n=1∞n(n−1)xn−2=∑n=2∞n(n−1)xn−2=∑n=0∞(n+2)(n+1)xn\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1-x} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=0}^\infty x^n \right\}\\ \frac{1}{(1-x)^2}&=\sum_{n=0}^\infty nx^{n-1}=\sum_{n=1}^\infty nx^{n-1}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{(1-x)^2} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=1}^\infty nx^{n-1} \right\}\\ \frac{2}{(1-x)^3}&=\sum_{n=1}^\infty n(n-1)x^{n-2}=\sum_{n=2}^\infty n(n-1)x^{n-2}\\ &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)x^n \end{aligned}

x=17x=\frac{1}{7} 이라 하자. 그러면 ∣x∣<1|x|<1 이므로 주어진 급수는 수렴한다.

2(1−1/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)(17)n2(6/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)7n\begin{aligned} \frac{2}{(1-1/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)\left(\frac{1}{7}\right)^n\\ \frac{2}{(6/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(n+2)(n+1)}{7^n} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The factor (n+1)(n+2)(n+1)(n+2) reminds us of a derivative. Start with the geometric series.

11−x=∑n=0∞xnddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=0∞nxn−1=∑n=1∞nxn−1ddx{1(1−x)2}=ddx{∑n=1∞nxn−1}2(1−x)3=∑n=1∞n(n−1)xn−2=∑n=2∞n(n−1)xn−2=∑n=0∞(n+2)(n+1)xn\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{1-x} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=0}^\infty x^n \right\}\\ \frac{1}{(1-x)^2}&=\sum_{n=0}^\infty nx^{n-1}=\sum_{n=1}^\infty nx^{n-1}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{(1-x)^2} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=1}^\infty nx^{n-1} \right\}\\ \frac{2}{(1-x)^3}&=\sum_{n=1}^\infty n(n-1)x^{n-2}=\sum_{n=2}^\infty n(n-1)x^{n-2}\\ &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)x^n \end{aligned}

Let x=17x=\frac{1}{7}. Then ∣x∣<1|x|<1, so our series converges.

2(1−1/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)(17)n2(6/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)7n\begin{aligned} \frac{2}{(1-1/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)\left(\frac{1}{7}\right)^n\\ \frac{2}{(6/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(n+2)(n+1)}{7^n} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 34번
# 테일러·매클로린 급수증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
47.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 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 42번
# 테일러·매클로린 급수증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
48.CLP-2 · 3.6절 · 48번대학 수준우리말 번역

∫01x3ex−1 dx≤13\displaystyle \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x\le\frac{1}{3} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that ∫01x3ex−1 dx≤13\displaystyle \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x\le\frac{1}{3}.

정답·풀이 보기

ex=1+x+x22!+x33!+⋯≥1+xfor all x≥0  ⟹  ex−1≥x  ⟹  x3ex−1≤x3x=x2  ⟹  ∫01x3ex−1 dx≤∫01x2 dx=13\begin{aligned} &e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots \ge 1+x\qquad\text{for all $x\ge 0$}\\ &\implies e^x-1\ge x \\ &\implies \frac{x^3}{e^x-1}\le \frac{x^3}{x} = x^2 \\ &\implies \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x \le \int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

ex=1+x+x22!+x33!+⋯≥1+xfor all x≥0  ⟹  ex−1≥x  ⟹  x3ex−1≤x3x=x2  ⟹  ∫01x3ex−1 dx≤∫01x2 dx=13\begin{aligned} &e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots \ge 1+x\qquad\text{for all $x\ge 0$}\\ &\implies e^x-1\ge x \\ &\implies \frac{x^3}{e^x-1}\le \frac{x^3}{x} = x^2 \\ &\implies \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x \le \int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 52번
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49.CLP-2 · 3.6절 · 49번대학 수준우리말 번역

cosh⁡(x)=ex+e−x2\displaystyle \cosh(x) =\frac{e^x+e^{-x}}{2} 라 하자.

(a) x0=0x_0 = 0 에서 cosh⁡(x)\cosh(x) 의 거듭제곱급수 전개를 구하고, 그 수렴 구간을 구하세요. (b) 323≤cosh⁡(2)≤323+0.13\frac{2}{3}\le \cosh(2) \le 3\frac{2}{3} + 0.1 임을 보이세요. (c) 모든 tt 에 대해 cosh⁡(t)≤e12t2\cosh(t) \le e^{\frac{1}{2}t^2} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let cosh⁡(x)=ex+e−x2\displaystyle \cosh(x) =\frac{e^x+e^{-x}}{2}.

(a) Find the power series expansion of cosh⁡(x)\cosh(x) about x0=0x_0 = 0 and determine its interval of convergence. (b) Show that 323≤cosh⁡(2)≤323+0.13\frac{2}{3}\le \cosh(2) \le 3\frac{2}{3} + 0.1. (c) Show that cosh⁡(t)≤e12t2\cosh(t) \le e^{\frac{1}{2}t^2} for all tt.

정답·풀이 보기

(a) 모든 xx 에 대해 ex=∑n=0∞xnn!e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} 임을 알고 있다. xx 를 −x-x 로 바꾸면, 모든 xx 에 대해 e−x=∑n=0∞(−x)nn!e^{-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!} 이고, 따라서

cosh⁡(x)=12[ex+e−x]=12[∑n=0∞xnn!+∑n=0∞(−x)nn!]=∑n=0n even∞xnn!=∑n=0∞x2n(2n)!\begin{aligned} \cosh(x) =\frac{1}{2}\big[e^x+e^{-x}\big] =\frac{1}{2}\Big[\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} + \sum_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!}\Big] = \sum_{\genfrac{}{}{0pt}{}{n=0}{n\text{ even}}}^\infty\frac{x^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

이 모든 xx 에 대해 성립한다. 특히 수렴 구간은 실수 전체이다.

(b) (a)의 거듭제곱급수 전개를 이용하면,

cosh⁡(2)=1+222!+244!+∑n=3∞22n(2n)!=323+∑n=3∞22n(2n)!\begin{aligned} \cosh(2) &= 1 +\frac{2^2}{2!}+\frac{2^4}{4!} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} = 3\frac{2}{3} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

따라서 ∑n=3∞22n(2n)!≤0.1\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!}\le 0.1 임을 보이면 충분하다. bn=22n(2n)!b_n = \frac{2^{2n}}{(2n)!} 이라 하자. ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} 의 첫째 항은

b3=266!=266×5×4×3×2=445b_3 = \frac{2^6}{6!} = \frac{2^6}{6 \times 5 \times 4 \times 3\times 2} = \frac{4}{45}

이다. ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} 에서 이웃한 항 사이의 비는

bn+1bn=22n+2/22n(2n+2)!/(2n)!=4(2n+2)(2n+1)≤48×7=114모든 n≥3 에 대해\begin{aligned} \frac{b_{n+1}}{b_n} = \frac{2^{2n+2}/2^{2n}}{(2n+2)!/(2n)!} =\frac{4}{(2n+2)(2n+1)} \le \frac{4}{8\times 7} =\frac{1}{14}\qquad \text{모든 }n\ge 3\text{ 에 대해} \end{aligned}

이다. 그러므로

∑n=3∞22n(2n)!≤445⏞b3+445×114⏞b4≤+445×1142⏞b5≤+445×1143⏞b6≤+⋯=445 11−114=445 1413=56585<110\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} &\le \overbrace{\frac{4}{45}}^{b_3} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14}}^{b_4\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^2}}^{b_5\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^3}}^{b_6\le} + \cdots\\ &=\frac{4}{45}\,\frac{1}{1-\frac{1}{14}} =\frac{4}{45}\,\frac{14}{13} =\frac{56}{585}<\frac{1}{10} \end{aligned}

이다.

(c)

cosh⁡(t)=∑n=0∞t2n(2n)!=∑n=0∞(t2)n(2n)!그리고e12t2=∑n=0∞(12t2)nn!=∑n=0∞(t2)n2nn!\cosh(t) = \sum_{n=0}^\infty\frac{t^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{(2n)!} \qquad\text{그리고}\qquad e^{\frac{1}{2}t^2} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(\frac{1}{2}t^2)}^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{2^n n!}

을 비교하면, (2n)!≥2nn!(2n)! \ge 2^n n! 임을 보이면 충분하다. 이제 모든 n≥1n\ge 1 에 대해,

(2n)!=1×2×⋯×n⏞n개의 인수(n+1)×(n+2)×⋯×2n⏞n개의 인수≥1×2×⋯×n⏞n개의 인수2×2×⋯×2⏞n개의 인수=2n n!\begin{aligned} (2n)! &=\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{개의 인수}} \overbrace{(n+1)\times (n+2)\times\cdots\times 2n}^{n\text{개의 인수}} \\ &\ge\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{개의 인수}} \overbrace{2\times 2\times\cdots\times 2}^{n\text{개의 인수}} \\ &=2^n\, n! \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We know that ex=∑n=0∞xnn!e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} for all xx. Replacing xx by −x-x, we also have e−x=∑n=0∞(−x)nn!e^{-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!} for all xx and hence

cosh⁡(x)=12[ex+e−x]=12[∑n=0∞xnn!+∑n=0∞(−x)nn!]=∑n=0n even∞xnn!=∑n=0∞x2n(2n)!\begin{aligned} \cosh(x) =\frac{1}{2}\big[e^x+e^{-x}\big] =\frac{1}{2}\Big[\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} + \sum_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!}\Big] = \sum_{\genfrac{}{}{0pt}{}{n=0}{n\text{ even}}}^\infty\frac{x^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

for all xx. In particular, the interval of convergence is all real numbers.

(b) Using the power series expansion of part (a),

cosh⁡(2)=1+222!+244!+∑n=3∞22n(2n)!=323+∑n=3∞22n(2n)!\begin{aligned} \cosh(2) &= 1 +\frac{2^2}{2!}+\frac{2^4}{4!} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} = 3\frac{2}{3} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

So it suffices to show that ∑n=3∞22n(2n)!≤0.1\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!}\le 0.1. Let's write bn=22n(2n)!b_n = \frac{2^{2n}}{(2n)!}. The first term in ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} is

b3=266!=266×5×4×3×2=445b_3 = \frac{2^6}{6!} = \frac{2^6}{6 \times 5 \times 4 \times 3\times 2} = \frac{4}{45}

The ratio between successive terms in ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} is

bn+1bn=22n+2/22n(2n+2)!/(2n)!=4(2n+2)(2n+1)≤48×7=114for all n≥3\begin{aligned} \frac{b_{n+1}}{b_n} = \frac{2^{2n+2}/2^{2n}}{(2n+2)!/(2n)!} =\frac{4}{(2n+2)(2n+1)} \le \frac{4}{8\times 7} =\frac{1}{14}\qquad \text{for all }n\ge 3 \end{aligned}

Hence

∑n=3∞22n(2n)!≤445⏞b3+445×114⏞b4≤+445×1142⏞b5≤+445×1143⏞b6≤+⋯=445 11−114=445 1413=56585<110\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} &\le \overbrace{\frac{4}{45}}^{b_3} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14}}^{b_4\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^2}}^{b_5\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^3}}^{b_6\le} + \cdots\\ &=\frac{4}{45}\,\frac{1}{1-\frac{1}{14}} =\frac{4}{45}\,\frac{14}{13} =\frac{56}{585}<\frac{1}{10} \end{aligned}

(c) Comparing

cosh⁡(t)=∑n=0∞t2n(2n)!=∑n=0∞(t2)n(2n)!ande12t2=∑n=0∞(12t2)nn!=∑n=0∞(t2)n2nn!\cosh(t) = \sum_{n=0}^\infty\frac{t^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{(2n)!} \qquad\text{and}\qquad e^{\frac{1}{2}t^2} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(\frac{1}{2}t^2)}^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{2^n n!}

we see that it suffices to show that (2n)!≥2nn!(2n)! \ge 2^n n!. Now. for all n≥1n\ge 1,

(2n)!=1×2×⋯×n⏞n factors(n+1)×(n+2)×⋯×2n⏞n factors≥1×2×⋯×n⏞n factors2×2×⋯×2⏞n factors=2n n!\begin{aligned} (2n)! &=\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{ factors}} \overbrace{(n+1)\times (n+2)\times\cdots\times 2n}^{n\text{ factors}} \\ &\ge\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{ factors}} \overbrace{2\times 2\times\cdots\times 2}^{n\text{ factors}} \\ &=2^n\, n! \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 3번
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