문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

멱급수와 수렴 반경

멱급수의 수렴 반경과 수렴 구간을 구하고, 함수를 멱급수로 나타낸다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

1문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.5절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 양의 상수 aa, cc 와 어떤 상수 수열 {An}\{A_n\} 에 대하여 f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n 이라 하자. xx 가 어떤 값일 때 f(x)f(x) 가 반드시 수렴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n for some positive constants aa and cc, and some sequence of constants {An}\{A_n\}. For which values of xx does f(x)f(x) definitely converge?

정답·풀이 보기

x=cx=c 이면

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

이다. 따라서 x=cx=c 일 때 f(x)f(x) 는 (상수 0 으로) 수렴한다. (a=0a=0 을 허용했다면 00=10^0=1 로 약속하므로 f(x)f(x) 가 0 이 아닌 수 A0A_0 으로 수렴할 수도 있다.)

수열 {An}\{A_n\} 에 따라서는 x≠cx \neq c 인 모든 xx 에 대해 f(x)f(x) 가 발산할 수도 있다. 예를 들어 An=n!A_n=n! 이라 하면 f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n 이다. x≠cx \neq c 이면 극한 lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| 는 x−c≠0x-c\neq 0 이므로 무한대이다. 따라서 이 급수는 발산한다.

지금까지 이 급수가 x=cx=c 에서는 반드시 수렴하지만, 다른 점에서는 수렴하지 않을 수 있음을 보였다.

원본 교재 풀이(영어)

If x=cx=c, then

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

So, f(x)f(x) converges (to the constant 0) when x=cx=c. (Had we allowed a=0a=0, it would be possible for f(x)f(x) to converge to a nonzero number A0A_0, because we use the convention 00=10^0=1.)

Depending on the sequence {An}\{A_n\}, it's possible that f(x)f(x) diverges for all x≠cx \neq c. For example, suppose An=n!A_n=n!, so f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n. If x≠cx \neq c, then the limit lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| is infinity, since x−c≠0x-c\neq 0. So, the series diverges.

We've now shown that the series definitely converges at x=cx=c, but at any other point, it may fail to converge.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 21번
# 멱급수와 수렴 반경계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)