어떤 양의 상수 a, c 와 어떤 상수 수열 {An} 에 대하여 f(x)=n=a∑∞An(x−c)n 이라 하자. x 가 어떤 값일 때 f(x) 가 반드시 수렴하는지 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=n=a∑∞An(x−c)n for some positive constants a and c, and some sequence of constants {An}. For which values of x does f(x) definitely converge?
이다. 따라서 x=c 일 때 f(x) 는 (상수 0 으로) 수렴한다. (a=0 을 허용했다면 00=1 로 약속하므로 f(x) 가 0 이 아닌 수 A0 으로 수렴할 수도 있다.)
수열 {An} 에 따라서는 x=c 인 모든 x 에 대해 f(x) 가 발산할 수도 있다. 예를 들어 An=n! 이라 하면 f(x)=n=0∑∞n!(x−c)n 이다. x=c 이면 극한 n→∞limn!(x−c)n(n+1)!(x−c)n+1=n→∞lim(n+1)∣x−c∣ 는 x−c=0 이므로 무한대이다. 따라서 이 급수는 발산한다.
지금까지 이 급수가 x=c 에서는 반드시 수렴하지만, 다른 점에서는 수렴하지 않을 수 있음을 보였다.
So, f(x) converges (to the constant 0) when x=c. (Had we allowed a=0, it would be possible for f(x) to converge to a nonzero number A0, because we use the convention 00=1.)
Depending on the sequence {An}, it's possible that f(x) diverges for all x=c. For example, suppose An=n!, so f(x)=n=0∑∞n!(x−c)n. If x=c, then the limit n→∞limn!(x−c)n(n+1)!(x−c)n+1=n→∞lim(n+1)∣x−c∣ is infinity, since x−c=0. So, the series diverges.
We've now shown that the series definitely converges at x=c, but at any other point, it may fail to converge.
f′(x)=n=0∑∞n+2(x−1)n 이고,
∫5xf(t)dt=3x+n=1∑∞n(n+1)2(x−1)n+1 이라고 하자.
f(x) 의 거듭제곱급수 표현을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose f′(x)=n=0∑∞n+2(x−1)n, and
∫5xf(t)dt=3x+n=1∑∞n(n+1)2(x−1)n+1.
Give a power series representation of f(x).
정답·풀이 보기
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) 에 대해 주어진 식은 무시할 수 있으며, 그러면 문제가 훨씬 간단해진다. 이것이 풀이 1에서 사용한 방법이다.
We can find 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), which makes the problem much simpler. This is the method used in Solution 1.
Solution 1 Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:
Notice f(1)=0+C. So, to find C, we must find f(1). We can't get that information from f′(x), so our only option is to consider the given formula for ∫5xf(t)dt. Using the Fundamental Theorem of Calculus Part 1:
이다. 따라서 비판정법에 의해 ∣x∣<9 일 때 급수 ∑n=2∞32nlognxn 는 수렴하고 급수 ∑n=2∞32nlognxn 는 절대수렴하며, ∣x∣>9 일 때 급수 ∑n=2∞32nlognxn 는 발산한다. 이제 x=±9 만 남는다.
x=−9 일 때 n=2∑∞32nlognxn=n=2∑∞logn(−1)n 이고, 이 급수는 교대급수 판정법에 의해 수렴한다.
x=+9 일 때 n=2∑∞32nlognxn=n=2∑∞logn1 이고, 이는 n=2∑∞logn(−1)n 과 같은 급수이다.
곧 n≥logn 임을 보일 것이며, 따라서 모든 n≥1 에 대해 logn1≥n1 이다.
이로부터 급수 n=2∑∞logn1 은 발산하는 급수
n=2∑∞np1p=1 과의 비교에 의해 발산한다.
이로써 x=9 일 때의 발산과
x=−9 일 때 절대수렴하지 않음이 모두 얻어진다.
마지막으로, 모든 n≥1 에 대해 n−logn>0 임을 보인다.
f(x)=x−logx 라 하자. 그러면 f(1)=1>0 이고
f′(x)=1−x1≥0모든x≥1
이다. 따라서 f(x) 는 x=1 일 때 (엄밀하게) 양수이고, 모든 x≥1 에 대해 증가한다. 그러므로 f(x) 는 모든 x≥1 에 대해 (엄밀하게) 양수이다.
원본 교재 풀이(영어)
We'll start by applying the ratio test twice,
once for the series whose nth term is an=32nlognxn, and
once for the series whose nth term is an=32nlognxn.
Therefore, by the ratio test, when ∣x∣<9, the series ∑n=2∞32nlognxn
converges and the series ∑n=2∞32nlognxn converges absolutely, and when
∣x∣>9 the series ∑n=2∞32nlognxn diverges. That just leaves x=±9.
For x=−9, n=2∑∞32nlognxn=n=2∑∞logn(−1)n which converges by
the alternating series test.
For x=+9, n=2∑∞32nlognxn=n=2∑∞logn1 which is the same series
as n=2∑∞logn(−1)n.
We shall shortly
show that n≥logn, and hence logn1≥n1
for all n≥1.
This implies that the series n=2∑∞logn1
diverges by comparison with the divergent series
n=2∑∞np1p=1.
This yelds both divergence for x=9 and
also the failure of absolute convergence for x=−9.
Finally, we show that n−logn>0, for all n≥1.
Set f(x)=x−logx. Then f(1)=1>0 and
f′(x)=1−x1≥0for all x≥1
So f(x) is (strictly) positive when x=1 and is increasing for all
x≥1. So f(x) is (strictly) positive for all x≥1.
We recognize
n=3∑∞5n−1n as
f(x)=n=3∑∞n⋅xn−1, evaluated at x=51. We should figure out what f(x) is in equation form (as opposed to power series form). Notice that this looks similar to the derivative of the geometric series ∑xn.