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.

5문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 6.1절 · 1번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 각 명제가 참인지 말하고, 거짓이면 그것을 보이는 예를 드세요.

∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{x}^{n} 이 수렴하면 n→∞n\to \infty 일 때 anxn→0{a}_{n}{x}^{n}\to 0 이다.

영어 원문 보기

In the following exercises, state whether each statement is true, or give an example to show that it is false.

If ∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{x}^{n} converges, then anxn→0{a}_{n}{x}^{n}\to 0 as n→∞.n\to \infty .

정답·풀이 보기

참이다. 급수가 수렴하면 그 항은 0에 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

True. If a series converges then its terms tend to zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 3번
# 멱급수와 수렴 반경증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 2권 · 6.1절 · 2번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 각 명제가 참인지 말하고, 거짓이면 그것을 보이는 예를 드세요.

임의의 실수 an{a}_{n} 에 대해 ∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{x}^{n} 은 x=0x=0 에서 수렴한다.

영어 원문 보기

In the following exercises, state whether each statement is true, or give an example to show that it is false.

∑n=1∞anxn\sum_{n=1}^{\infty }{a}_{n}{x}^{n} converges at x=0x=0 for any real numbers an.{a}_{n}.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 51번
# 멱급수와 수렴 반경증명·논술자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.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)
4.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)
5.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)