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.

2문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.5절 · 16번대학 수준우리말 번역

x31−x\dfrac{x^3}{1-x} 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.

영어 원문 보기

Find a power series representation for x31−x\dfrac{x^3}{1-x}.

정답·풀이 보기

등비급수 ∑n=0∞xn=11−x\sum\limits_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x} 을 이용하면

x31−x=x3∑n=0∞xn=∑n=0∞xn+3=∑n=3∞xn\begin{aligned} \frac{x^3}{1-x} =x^3 \sum_{n=0}^\infty x^n =\sum_{n=0}^\infty x^{n+3} =\sum_{n=3}^\infty x^{n} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

Using the geometric series ∑n=0∞xn=11−x\sum\limits_{n=0}^\infty x^n = \frac{1}{1-x},

x31−x=x3∑n=0∞xn=∑n=0∞xn+3=∑n=3∞xn\begin{aligned} \frac{x^3}{1-x} =x^3 \sum_{n=0}^\infty x^n =\sum_{n=0}^\infty x^{n+3} =\sum_{n=3}^\infty x^{n} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 17번
# 멱급수와 수렴 반경계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 3.5절 · 17번대학 수준우리말 번역

f′(x)=∑n=0∞(x−1)nn+2f'(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} 이고, ∫5xf(t)dt=3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2\displaystyle \int_5^x f(t)\mathrm{d}t=3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} 이라고 하자.

f(x)f(x) 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose f′(x)=∑n=0∞(x−1)nn+2f'(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2}, and ∫5xf(t)dt=3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2\displaystyle \int_5^x f(t)\mathrm{d}t=3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2}.

Give a power series representation of f(x)f(x).

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 적분한 함수를 미분하거나, 도함수를 부정적분하여 구할 수 있다. 후자의 경우에는 임의의 적분상수를 구해야 하지만, 전자의 경우에는 그럴 필요가 없다. (서로 다른 많은 함수가 같은 도함수를 가질 수 있지만, 하나의 함수는 도함수를 하나만 가진다는 점을 기억하자.) 임의의 상수를 구해야 하는 번거로움을 피하기 위해, f′(x)f'(x) 에 대해 주어진 식은 무시할 수 있으며, 그러면 문제가 훨씬 간단해진다. 이것이 풀이 1에서 사용한 방법이다.

  • 풀이 1 미적분학의 기본정리 제1부분을 이용하면:

ddx{∫5xf(t)dt}=f(x)따라서,f(x)=ddx{3x+∑n=0∞(x−1)n+1n(n+1)2}=3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}&=f(x)\\ \text{따라서,}\qquad f(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{3x+\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \end{aligned}

  • 풀이 2 대신 f′(x)f'(x) 를 사용했다고 하자. 부정적분하여 구하면 다음과 같다:

f(x)=∫(∑n=0∞(x−1)nn+2)dx=(∑n=0∞(x−1)n+1(n+1)(n+2))+C=(∑n=1∞(x−1)nn(n+1))+C\begin{aligned} f(x)&=\int \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} \right)\mathrm{d}x\\ &=\left(\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{(n+1)(n+2)}\right)+C\\ &=\left(\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}\right)+C \end{aligned}

f(1)=0+Cf(1)=0+C 임에 주목하자. 따라서 CC 를 구하려면 f(1)f(1) 을 구해야 한다. 이 정보는 f′(x)f'(x) 로부터 얻을 수 없으므로, ∫5xf(t)dt\int_5^x f(t)\mathrm{d}t 에 대해 주어진 식을 이용하는 수밖에 없다. 미적분학의 기본정리 제1부분을 이용하면:

f(1)=ddx{∫5xf(t)dt}∣x=1=ddx{3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2}∣x=1=[3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2]x=1=[3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)]x=1=3+∑n=1∞0nn(n+1)=3\begin{aligned} f(1)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ 3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2} \right]_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \right]_{x=1}\\ &= 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{0^{n}}{n(n+1)}\\ &=3 \end{aligned}

따라서 f(x)=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)f(x)=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} 이다.

풀이 2에서는 풀이 1과 같은 계산을 하고, 그 이상의 계산까지 했음에 주목하자.

원본 교재 풀이(영어)

We can find f(x)f(x) by differentiating its integral, or antidifferentiating its derivative. In the latter case, we'll have to solve for the arbitrary constant of integration; in the former case, we do not. (Remember that many different functions have the same derivative, but a single function has only one derivative.) To avoid the necessity of finding the arbitrary constant, we can ignore the given equation for f′(x)f'(x), which makes the problem much simpler. This is the method used in Solution 1.

  • Solution 1 Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:

ddx{∫5xf(t)dt}=f(x)So,f(x)=ddx{3x+∑n=0∞(x−1)n+1n(n+1)2}=3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}&=f(x)\\ \text{So,}\qquad f(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left\{3x+\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2}\\ &=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \end{aligned}

  • Solution 2 Suppose we had used f′(x)f'(x) instead. We would antidifferentiate to find:

f(x)=∫(∑n=0∞(x−1)nn+2)dx=(∑n=0∞(x−1)n+1(n+1)(n+2))+C=(∑n=1∞(x−1)nn(n+1))+C\begin{aligned} f(x)&=\int \left( \sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n+2} \right)\mathrm{d}x\\ &=\left(\sum_{n=0}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{(n+1)(n+2)}\right)+C\\ &=\left(\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}\right)+C \end{aligned}

Notice f(1)=0+Cf(1)=0+C. So, to find CC, we must find f(1)f(1). We can't get that information from f′(x)f'(x), so our only option is to consider the given formula for ∫5xf(t)dt\int_5^x f(t)\mathrm{d}t. Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:

f(1)=ddx{∫5xf(t)dt}∣x=1=ddx{3x+∑n=1∞(x−1)n+1n(n+1)2}∣x=1=[3+∑n=1∞(n+1)(x−1)nn(n+1)2]x=1=[3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)]x=1=3+∑n=1∞0nn(n+1)=3\begin{aligned} f(1)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\int_5^x f(t)\mathrm{d}t \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ 3x+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n+1}}{n(n+1)^2} \right\}\right|_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(n+1)(x-1)^{n}}{n(n+1)^2} \right]_{x=1}\\ &=\left[ 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)} \right]_{x=1}\\ &= 3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{0^{n}}{n(n+1)}\\ &=3 \end{aligned}

So, f(x)=3+∑n=1∞(x−1)nn(n+1)f(x)=3+\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(x-1)^{n}}{n(n+1)}.

Note that in Solution 2, we did the same calculation as Solution 1, and more.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 25번
# 멱급수와 수렴 반경계산보통자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)