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.

106문제 · 6 / 6쪽

101.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.

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102.CLP-2 · 3.5절 · 18번대학 수준우리말 번역

다음 급수

∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n}

이 절대수렴하는지, 조건수렴하는지, 발산하는지에 따라 xx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Determine the values of xx for which the series

∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n}

converges absolutely, converges conditionally, or diverges.

정답·풀이 보기

비판정법을 두 번 적용하는 것으로 시작한다.

  • 한 번은 nthn^{\rm th} 항이 an=xn32nlog⁡na_n=\frac{x^n}{3^{2n}\log n} 인 급수에 적용하고,
  • 한 번은 nthn^{\rm th} 항이 an=∣xn32nlog⁡n∣a_n=\big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| 인 급수에 적용한다.

두 급수 모두, 즉 두 ana_n 모두에 대해

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣xn+132(n+1)log⁡(n+1) 32nlog⁡nxn∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32log⁡(n+1)∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32[log⁡(n)+log⁡(1+1/n)]∣=lim⁡n→∞∣x32[1+log⁡(1+1/n)/log⁡(n)]∣=∣x∣9\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{ a_{n+1} }{ a_n } \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x^{n+1}}{3^{2(n+1)}\log(n+1)} \ \frac{3^{2n}\log n}{x^n} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2\log(n+1)} \bigg| =\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2[\log(n)+\log(1+1/n)]} \bigg| \\ &=\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x}{3^2[1+\log(1+1/n)/\log(n)]} \bigg| \\ &=\frac{|x|}{9} \end{aligned}

이다. 따라서 비판정법에 의해 ∣x∣<9|x|<9 일 때 급수 ∑n=2∞∣xn32nlog⁡n∣\sum_{n=2}^\infty \big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| 는 수렴하고 급수 ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} 는 절대수렴하며, ∣x∣>9|x|> 9 일 때 급수 ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} 는 발산한다. 이제 x=±9x=\pm 9 만 남는다.

x=−9x=-9 일 때 ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞(−1)nlog⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{\log n} 이고, 이 급수는 교대급수 판정법에 의해 수렴한다.

x=+9x=+9 일 때 ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} 이고, 이는 ∑n=2∞∣(−1)nlog⁡n∣\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\Big|\frac{(-1)^n}{\log n}\Big| 과 같은 급수이다. 곧 n≥log⁡nn\ge\log n 임을 보일 것이며, 따라서 모든 n≥1n\ge 1 에 대해 1log⁡n≥1n\frac{1}{\log n}\ge \frac{1}{n} 이다. 이로부터 급수 ∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} 은 발산하는 급수 ∑n=2∞1np∣p=1\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^p}\bigg|_{p=1} 과의 비교에 의해 발산한다. 이로써 x=9x=9 일 때의 발산과 x=−9x=-9 일 때 절대수렴하지 않음이 모두 얻어진다.

마지막으로, 모든 n≥1n\ge 1 에 대해 n−log⁡n>0n-\log n > 0 임을 보인다. f(x)=x−log⁡xf(x)=x-\log x 라 하자. 그러면 f(1)=1>0f(1)=1>0 이고

f′(x)=1−1x≥0모든 x≥1f'(x) = 1 -\frac{1}{x} \ge 0\qquad\text{모든 }x\ge 1

이다. 따라서 f(x)f(x) 는 x=1x=1 일 때 (엄밀하게) 양수이고, 모든 x≥1x\ge 1 에 대해 증가한다. 그러므로 f(x)f(x) 는 모든 x≥1x\ge 1 에 대해 (엄밀하게) 양수이다.

원본 교재 풀이(영어)

We'll start by applying the ratio test twice,

  • once for the series whose nthn^{\rm th} term is an=xn32nlog⁡na_n=\frac{x^n}{3^{2n}\log n}, and
  • once for the series whose nthn^{\rm th} term is an=∣xn32nlog⁡n∣a_n=\big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big|.

For both series, i.e. for both ana_n's,

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣xn+132(n+1)log⁡(n+1) 32nlog⁡nxn∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32log⁡(n+1)∣=lim⁡n→∞∣xlog⁡n32[log⁡(n)+log⁡(1+1/n)]∣=lim⁡n→∞∣x32[1+log⁡(1+1/n)/log⁡(n)]∣=∣x∣9\begin{aligned} \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{ a_{n+1} }{ a_n } \bigg| &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x^{n+1}}{3^{2(n+1)}\log(n+1)} \ \frac{3^{2n}\log n}{x^n} \bigg| \\ &= \lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2\log(n+1)} \bigg| =\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x\log n}{3^2[\log(n)+\log(1+1/n)]} \bigg| \\ &=\lim_{n\to\infty} \bigg| \frac{x}{3^2[1+\log(1+1/n)/\log(n)]} \bigg| \\ &=\frac{|x|}{9} \end{aligned}

Therefore, by the ratio test, when ∣x∣<9|x|<9, the series ∑n=2∞∣xn32nlog⁡n∣\sum_{n=2}^\infty \big|\frac{x^n}{3^{2n}\log n}\big| converges and the series ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} converges absolutely, and when ∣x∣>9|x|> 9 the series ∑n=2∞xn32nlog⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{x^n}{3^{2n}\log n} diverges. That just leaves x=±9x=\pm 9.

For x=−9x=-9, ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞(−1)nlog⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{(-1)^n}{\log n} which converges by the alternating series test.

For x=+9x=+9, ∑n=2∞xn32nlog⁡n=∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{x^n}{3^{2n}\log n} =\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} which is the same series as ∑n=2∞∣(−1)nlog⁡n∣\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\Big|\frac{(-1)^n}{\log n}\Big|. We shall shortly show that n≥log⁡nn\ge\log n, and hence 1log⁡n≥1n\frac{1}{\log n}\ge \frac{1}{n} for all n≥1n\ge 1. This implies that the series ∑n=2∞1log⁡n\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{\log n} diverges by comparison with the divergent series ∑n=2∞1np∣p=1\displaystyle\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n^p}\bigg|_{p=1}. This yelds both divergence for x=9x=9 and also the failure of absolute convergence for x=−9x=-9.

Finally, we show that n−log⁡n>0n-\log n > 0, for all n≥1n\ge 1. Set f(x)=x−log⁡xf(x)=x-\log x. Then f(1)=1>0f(1)=1>0 and

f′(x)=1−1x≥0for all x≥1f'(x) = 1 -\frac{1}{x} \ge 0\qquad\text{for all }x\ge 1

So f(x)f(x) is (strictly) positive when x=1x=1 and is increasing for all x≥1x\ge 1. So f(x)f(x) is (strictly) positive for all x≥1x\ge 1.

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103.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.

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
104.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)
105.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)
106.CLP-2 · 3.5절 · 25번대학 수준우리말 번역

∑n=3∞n5n−1\displaystyle \sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate ∑n=3∞n5n−1\displaystyle \sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

∑n=3∞n5n−1\displaystyle \sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}} 은 f(x)=∑n=3∞n⋅xn−1f(x)=\displaystyle \sum_{n=3}^\infty n\cdot x^{n-1} 에 x=15x=\dfrac15 을 대입한 값임을 알 수 있다. 먼저 f(x)f(x) 를 (거듭제곱급수 꼴이 아닌) 식의 꼴로 나타내야 한다. 이것은 등비급수 ∑xn\displaystyle\sum x^n 의 도함수와 비슷하게 생겼음에 주목하자.

11−x=∑n=0∞xn∣x∣<1 일 때ddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=1∞nxn−1=1x0+2x1+∑n=3∞nxn−1=1+2x+∑n=3∞nxn−1따라서,1(1−x)2−1−2x=∑n=3∞nxn−1x=15 을 대입하면:1(1−1/5)2−1−25=∑n=3∞n(15)n−1(54)2−1−25=∑n=3∞n5n−1\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n \qquad \text{$|x|<1$ 일 때}\\ \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=1}^\infty nx^{n-1}\\ &= 1x^0 + 2x^1+\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ &= 1 + 2x+\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ \text{따라서,}\qquad \frac{1}{(1-x)^2}-1-2x&=\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ \text{$x=\dfrac15$ 을 대입하면:}\qquad \frac{1}{(1-1/5)^2}-1-\frac25&=\sum_{n=3}^\infty n\left(\frac15\right)^{n-1}\\ \left(\frac{5}{4} \right)^2-1-\frac25&=\sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}}\\ \end{aligned}

따라서 주어진 급수의 값은 2516−1−25=1380\displaystyle\frac{25}{16}-1-\frac{2}{5}=\frac{13}{80} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We recognize ∑n=3∞n5n−1\displaystyle \sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}} as f(x)=∑n=3∞n⋅xn−1f(x)=\displaystyle \sum_{n=3}^\infty n\cdot x^{n-1}, evaluated at x=15x=\dfrac15. We should figure out what f(x)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\displaystyle\sum x^n.

11−x=∑n=0∞xnwhen ∣x∣<1ddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=1∞nxn−1=1x0+2x1+∑n=3∞nxn−1=1+2x+∑n=3∞nxn−1So,1(1−x)2−1−2x=∑n=3∞nxn−1Setting x=15:1(1−1/5)2−1−25=∑n=3∞n(15)n−1(54)2−1−25=∑n=3∞n5n−1\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n \qquad \text{when $|x|<1$}\\ \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=1}^\infty nx^{n-1}\\ &= 1x^0 + 2x^1+\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ &= 1 + 2x+\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ \text{So,}\qquad \frac{1}{(1-x)^2}-1-2x&=\sum_{n=3}^\infty nx^{n-1}\\ \text{Setting $x=\dfrac15$:}\qquad \frac{1}{(1-1/5)^2}-1-\frac25&=\sum_{n=3}^\infty n\left(\frac15\right)^{n-1}\\ \left(\frac{5}{4} \right)^2-1-\frac25&=\sum_{n=3}^\infty \frac{n}{5^{n-1}}\\ \end{aligned}

So, our series evaluates to 2516−1−25=1380\displaystyle\frac{25}{16}-1-\frac{2}{5}=\frac{13}{80}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.5절 · 24번
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