문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

테일러·매클로린 급수

함수의 테일러 급수(매클로린 급수)를 구하고 수렴 구간을 찾는다

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

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-2 · 3.6절 · 36번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=0∞(n+1)(n+2)7n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{ (n+1)(n+2)}{7^n} 의 값을 구하거나 발산함을 보이세요.

영어 원문 보기

Evaluate the series ∑n=0∞(n+1)(n+2)7n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{ (n+1)(n+2)}{7^n} or show that it diverges.

정답·풀이 보기

인수 (n+1)(n+2)(n+1)(n+2) 는 도함수를 떠올리게 한다. 등비급수에서 시작한다.

11−x=∑n=0∞xnddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=0∞nxn−1=∑n=1∞nxn−1ddx{1(1−x)2}=ddx{∑n=1∞nxn−1}2(1−x)3=∑n=1∞n(n−1)xn−2=∑n=2∞n(n−1)xn−2=∑n=0∞(n+2)(n+1)xn\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n\\ \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=0}^\infty nx^{n-1}=\sum_{n=1}^\infty nx^{n-1}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{(1-x)^2} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=1}^\infty nx^{n-1} \right\}\\ \frac{2}{(1-x)^3}&=\sum_{n=1}^\infty n(n-1)x^{n-2}=\sum_{n=2}^\infty n(n-1)x^{n-2}\\ &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)x^n \end{aligned}

x=17x=\frac{1}{7} 이라 하자. 그러면 ∣x∣<1|x|<1 이므로 주어진 급수는 수렴한다.

2(1−1/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)(17)n2(6/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)7n\begin{aligned} \frac{2}{(1-1/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)\left(\frac{1}{7}\right)^n\\ \frac{2}{(6/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(n+2)(n+1)}{7^n} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The factor (n+1)(n+2)(n+1)(n+2) reminds us of a derivative. Start with the geometric series.

11−x=∑n=0∞xnddx{11−x}=ddx{∑n=0∞xn}1(1−x)2=∑n=0∞nxn−1=∑n=1∞nxn−1ddx{1(1−x)2}=ddx{∑n=1∞nxn−1}2(1−x)3=∑n=1∞n(n−1)xn−2=∑n=2∞n(n−1)xn−2=∑n=0∞(n+2)(n+1)xn\begin{aligned} \frac{1}{1-x}&=\sum_{n=0}^\infty x^n\\ \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=0}^\infty nx^{n-1}=\sum_{n=1}^\infty nx^{n-1}\\ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{\frac{1}{(1-x)^2} \right\}&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{ \sum_{n=1}^\infty nx^{n-1} \right\}\\ \frac{2}{(1-x)^3}&=\sum_{n=1}^\infty n(n-1)x^{n-2}=\sum_{n=2}^\infty n(n-1)x^{n-2}\\ &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)x^n \end{aligned}

Let x=17x=\frac{1}{7}. Then ∣x∣<1|x|<1, so our series converges.

2(1−1/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)(17)n2(6/7)3=∑n=0∞(n+2)(n+1)7n\begin{aligned} \frac{2}{(1-1/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty (n+2)(n+1)\left(\frac{1}{7}\right)^n\\ \frac{2}{(6/7)^3} &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(n+2)(n+1)}{7^n} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 34번
# 테일러·매클로린 급수증명·논술도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.CLP-2 · 3.6절 · 47번대학 수준우리말 번역

f(x)=∫0x1−e−tt dt {\displaystyle f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t} 라고 정의하세요.

(a) f(x)f(x) 의 매클로린 급수가 ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 임을 보이세요. (b) 비판정법을 사용하여 매클로린 급수 ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 이 수렴하는 xx 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Define f(x)=∫0x1−e−tt dt {\displaystyle f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t} .

(a) Show that the Maclaurin series for f(x)f(x) is ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n. (b) Use the ratio test to determine the values of xx for which the Maclaurin series ∑n=1∞(−1)n−1n⋅n!xn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n converges.

정답·풀이 보기

(a) 알려진 거듭제곱급수 ex=1+x+x22!+x33!+x44!+⋯e^x = 1 + x +\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \cdots 에 x=−tx=-t 를 대입하면 다음을 얻는다.

e−t=1−t+t22!−t33!+t44!−⋯1−e−t=t−t22!+t33!−t44!+⋯1−e−tt=1−t2!+t23!−t34!+⋯∫1−e−tt dt=C+x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯\begin{aligned} e^{-t}&= 1 - t +\frac{t^2}{2!}-\frac{t^3}{3!} + \frac{t^4}{4!} - \cdots \\ 1-e^{-t}&= t - \frac{t^2}{2!}+ \frac{t^3}{3!} - \frac{t^4}{4!} + \cdots \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= 1 - \frac{t}{2!}+ \frac{t^2}{3!} - \frac{t^3}{4!} + \cdots \\ \int \frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t&= C + x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots \end{aligned}

마지막으로 f(0)=0f(0) = 0 이므로(f(0)f(0) 은 00 에서 00 까지의 적분이므로) C=0C=0 이다. 따라서

f(x)=∫0x1−e−tt dt=x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯ .\begin{aligned} f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t = x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots. \end{aligned}

이 계산을 합의 기호만으로 나타낼 수도 있다. ex=∑n=0∞xnn!e^{x}= \displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} 이므로

e−t=∑n=0∞(−t)nn!=1+∑n=1∞(−1)ntnn!1−e−t=−∑n=1∞(−1)ntnn!=∑n=1∞(−1)n−1tnn!1−e−tt=∑n=1∞(−1)n−1tn−1n!f(x)=∫0x1−e−tt dt=∑n=1∞(−1)n−1xnn⋅n!\begin{aligned} e^{-t}&= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-t)^n}{n!} =1+ \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} \\ 1-e^{-t}&= - \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^n}{n!} \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^{n-1}}{n!} \\ f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t &= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n\cdot n!} \end{aligned}

(b) an=Anxn=(−1)n−1n⋅n!xna_n=A_nx^n = \dfrac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n 으로 놓고 비판정법을 적용한다.

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(−1)nxn+1/((n+1)⋅(n+1)!)(−1)n−1xn/(n⋅n!)∣=lim⁡n→∞(∣x∣n+1∣x∣nn⋅n!(n+1)⋅(n+1)!)=lim⁡n→∞(∣x∣n(n+1)2)(n+1)!=(n+1) n! 이므로=0\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\Big|\frac{a_{n+1}}{a_n}\Big| &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg|\frac{{(-1)^{n}}x^{n+1}/{((n+1)\cdot (n+1)!)}} {{(-1)^{n-1}}x^n/{(n\cdot n!)}}\bigg| \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( \frac{|x|^{n+1}}{|x|^n} \frac{n\cdot n!}{(n+1)\cdot (n+1)!} \bigg) \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( |x|\frac{n}{(n+1)^2} \bigg) \qquad\text{$(n+1)!=(n+1)\,n!$ 이므로} \\ &=0 \end{aligned}

이 값은 xx 가 무엇이든 11 보다 작다. 따라서 이 급수는 모든 xx 에 대해 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) Substituting x=−tx=-t into the known power series ex=1+x+x22!+x33!+x44!+⋯e^x = 1 + x +\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!} + \frac{x^4}{4!} + \cdots, we see that:

e−t=1−t+t22!−t33!+t44!−⋯1−e−t=t−t22!+t33!−t44!+⋯1−e−tt=1−t2!+t23!−t34!+⋯∫1−e−tt dt=C+x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯\begin{aligned} e^{-t}&= 1 - t +\frac{t^2}{2!}-\frac{t^3}{3!} + \frac{t^4}{4!} - \cdots \\ 1-e^{-t}&= t - \frac{t^2}{2!}+ \frac{t^3}{3!} - \frac{t^4}{4!} + \cdots \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= 1 - \frac{t}{2!}+ \frac{t^2}{3!} - \frac{t^3}{4!} + \cdots \\ \int \frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t&= C + x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots \end{aligned}

Finally, f(0)=0f(0) = 0 (since f(0)f(0) is an integral from 00 to 00) and so C=0C=0. Therefore

f(x)=∫0x1−e−tt dt=x−x22⋅2!+x33⋅3!−x44⋅4!+⋯ .\begin{aligned} f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t = x - \frac{x^2}{2\cdot 2!} + \frac{x^3}{3\cdot 3!} - \frac{x^4}{4\cdot 4!} + \cdots. \end{aligned}

We can also do this calculation entirely in summation notation: ex=∑n=0∞xnn!e^{x}= \displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!}, and so

e−t=∑n=0∞(−t)nn!=1+∑n=1∞(−1)ntnn!1−e−t=−∑n=1∞(−1)ntnn!=∑n=1∞(−1)n−1tnn!1−e−tt=∑n=1∞(−1)n−1tn−1n!f(x)=∫0x1−e−tt dt=∑n=1∞(−1)n−1xnn⋅n!\begin{aligned} e^{-t}&= \sum_{n=0}^\infty \frac{(-t)^n}{n!} =1+ \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} \\ 1-e^{-t}&= - \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^nt^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^n}{n!} \\ \frac{1-e^{-t}}{t}&= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} t^{n-1}}{n!} \\ f(x) = \int_0^x\frac{1-e^{-t}}{t}\ \mathrm{d}t &= \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n\cdot n!} \end{aligned}

(b) We set an=Anxn=(−1)n−1n⋅n!xna_n=A_nx^n = \dfrac{(-1)^{n-1}}{n\cdot n!} x^n and apply the ratio test.

lim⁡n→∞∣an+1an∣=lim⁡n→∞∣(−1)nxn+1/((n+1)⋅(n+1)!)(−1)n−1xn/(n⋅n!)∣=lim⁡n→∞(∣x∣n+1∣x∣nn⋅n!(n+1)⋅(n+1)!)=lim⁡n→∞(∣x∣n(n+1)2)since (n+1)!=(n+1) n!=0\begin{aligned} \lim_{n\rightarrow\infty}\Big|\frac{a_{n+1}}{a_n}\Big| &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg|\frac{{(-1)^{n}}x^{n+1}/{((n+1)\cdot (n+1)!)}} {{(-1)^{n-1}}x^n/{(n\cdot n!)}}\bigg| \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( \frac{|x|^{n+1}}{|x|^n} \frac{n\cdot n!}{(n+1)\cdot (n+1)!} \bigg) \\ &=\lim_{n\rightarrow\infty} \bigg( |x|\frac{n}{(n+1)^2} \bigg) \qquad\text{since $(n+1)!=(n+1)\,n!$} \\ &=0 \end{aligned}

This is smaller than 11 no matter what xx is. So the series converges for all xx.

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3.CLP-2 · 3.6절 · 48번대학 수준우리말 번역

∫01x3ex−1 dx≤13\displaystyle \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x\le\frac{1}{3} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that ∫01x3ex−1 dx≤13\displaystyle \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x\le\frac{1}{3}.

정답·풀이 보기

ex=1+x+x22!+x33!+⋯≥1+xfor all x≥0  ⟹  ex−1≥x  ⟹  x3ex−1≤x3x=x2  ⟹  ∫01x3ex−1 dx≤∫01x2 dx=13\begin{aligned} &e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots \ge 1+x\qquad\text{for all $x\ge 0$}\\ &\implies e^x-1\ge x \\ &\implies \frac{x^3}{e^x-1}\le \frac{x^3}{x} = x^2 \\ &\implies \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x \le \int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

ex=1+x+x22!+x33!+⋯≥1+xfor all x≥0  ⟹  ex−1≥x  ⟹  x3ex−1≤x3x=x2  ⟹  ∫01x3ex−1 dx≤∫01x2 dx=13\begin{aligned} &e^x=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\cdots \ge 1+x\qquad\text{for all $x\ge 0$}\\ &\implies e^x-1\ge x \\ &\implies \frac{x^3}{e^x-1}\le \frac{x^3}{x} = x^2 \\ &\implies \int_0^1\frac{x^3}{e^x-1}\,\mathrm{d}x \le \int_0^1 x^2\,\mathrm{d}x=\frac{1}{3} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 52번
# 테일러·매클로린 급수증명·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 · 3.6절 · 49번대학 수준우리말 번역

cosh⁡(x)=ex+e−x2\displaystyle \cosh(x) =\frac{e^x+e^{-x}}{2} 라 하자.

(a) x0=0x_0 = 0 에서 cosh⁡(x)\cosh(x) 의 거듭제곱급수 전개를 구하고, 그 수렴 구간을 구하세요. (b) 323≤cosh⁡(2)≤323+0.13\frac{2}{3}\le \cosh(2) \le 3\frac{2}{3} + 0.1 임을 보이세요. (c) 모든 tt 에 대해 cosh⁡(t)≤e12t2\cosh(t) \le e^{\frac{1}{2}t^2} 임을 보이세요.

영어 원문 보기

Let cosh⁡(x)=ex+e−x2\displaystyle \cosh(x) =\frac{e^x+e^{-x}}{2}.

(a) Find the power series expansion of cosh⁡(x)\cosh(x) about x0=0x_0 = 0 and determine its interval of convergence. (b) Show that 323≤cosh⁡(2)≤323+0.13\frac{2}{3}\le \cosh(2) \le 3\frac{2}{3} + 0.1. (c) Show that cosh⁡(t)≤e12t2\cosh(t) \le e^{\frac{1}{2}t^2} for all tt.

정답·풀이 보기

(a) 모든 xx 에 대해 ex=∑n=0∞xnn!e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} 임을 알고 있다. xx 를 −x-x 로 바꾸면, 모든 xx 에 대해 e−x=∑n=0∞(−x)nn!e^{-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!} 이고, 따라서

cosh⁡(x)=12[ex+e−x]=12[∑n=0∞xnn!+∑n=0∞(−x)nn!]=∑n=0n even∞xnn!=∑n=0∞x2n(2n)!\begin{aligned} \cosh(x) =\frac{1}{2}\big[e^x+e^{-x}\big] =\frac{1}{2}\Big[\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} + \sum_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!}\Big] = \sum_{\genfrac{}{}{0pt}{}{n=0}{n\text{ even}}}^\infty\frac{x^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

이 모든 xx 에 대해 성립한다. 특히 수렴 구간은 실수 전체이다.

(b) (a)의 거듭제곱급수 전개를 이용하면,

cosh⁡(2)=1+222!+244!+∑n=3∞22n(2n)!=323+∑n=3∞22n(2n)!\begin{aligned} \cosh(2) &= 1 +\frac{2^2}{2!}+\frac{2^4}{4!} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} = 3\frac{2}{3} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

따라서 ∑n=3∞22n(2n)!≤0.1\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!}\le 0.1 임을 보이면 충분하다. bn=22n(2n)!b_n = \frac{2^{2n}}{(2n)!} 이라 하자. ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} 의 첫째 항은

b3=266!=266×5×4×3×2=445b_3 = \frac{2^6}{6!} = \frac{2^6}{6 \times 5 \times 4 \times 3\times 2} = \frac{4}{45}

이다. ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} 에서 이웃한 항 사이의 비는

bn+1bn=22n+2/22n(2n+2)!/(2n)!=4(2n+2)(2n+1)≤48×7=114모든 n≥3 에 대해\begin{aligned} \frac{b_{n+1}}{b_n} = \frac{2^{2n+2}/2^{2n}}{(2n+2)!/(2n)!} =\frac{4}{(2n+2)(2n+1)} \le \frac{4}{8\times 7} =\frac{1}{14}\qquad \text{모든 }n\ge 3\text{ 에 대해} \end{aligned}

이다. 그러므로

∑n=3∞22n(2n)!≤445⏞b3+445×114⏞b4≤+445×1142⏞b5≤+445×1143⏞b6≤+⋯=445 11−114=445 1413=56585<110\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} &\le \overbrace{\frac{4}{45}}^{b_3} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14}}^{b_4\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^2}}^{b_5\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^3}}^{b_6\le} + \cdots\\ &=\frac{4}{45}\,\frac{1}{1-\frac{1}{14}} =\frac{4}{45}\,\frac{14}{13} =\frac{56}{585}<\frac{1}{10} \end{aligned}

이다.

(c)

cosh⁡(t)=∑n=0∞t2n(2n)!=∑n=0∞(t2)n(2n)!그리고e12t2=∑n=0∞(12t2)nn!=∑n=0∞(t2)n2nn!\cosh(t) = \sum_{n=0}^\infty\frac{t^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{(2n)!} \qquad\text{그리고}\qquad e^{\frac{1}{2}t^2} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(\frac{1}{2}t^2)}^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{2^n n!}

을 비교하면, (2n)!≥2nn!(2n)! \ge 2^n n! 임을 보이면 충분하다. 이제 모든 n≥1n\ge 1 에 대해,

(2n)!=1×2×⋯×n⏞n개의 인수(n+1)×(n+2)×⋯×2n⏞n개의 인수≥1×2×⋯×n⏞n개의 인수2×2×⋯×2⏞n개의 인수=2n n!\begin{aligned} (2n)! &=\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{개의 인수}} \overbrace{(n+1)\times (n+2)\times\cdots\times 2n}^{n\text{개의 인수}} \\ &\ge\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{개의 인수}} \overbrace{2\times 2\times\cdots\times 2}^{n\text{개의 인수}} \\ &=2^n\, n! \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We know that ex=∑n=0∞xnn!e^x = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} for all xx. Replacing xx by −x-x, we also have e−x=∑n=0∞(−x)nn!e^{-x} = \sum\limits_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!} for all xx and hence

cosh⁡(x)=12[ex+e−x]=12[∑n=0∞xnn!+∑n=0∞(−x)nn!]=∑n=0n even∞xnn!=∑n=0∞x2n(2n)!\begin{aligned} \cosh(x) =\frac{1}{2}\big[e^x+e^{-x}\big] =\frac{1}{2}\Big[\sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{n!} + \sum_{n=0}^\infty \frac{(-x)^n}{n!}\Big] = \sum_{\genfrac{}{}{0pt}{}{n=0}{n\text{ even}}}^\infty\frac{x^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

for all xx. In particular, the interval of convergence is all real numbers.

(b) Using the power series expansion of part (a),

cosh⁡(2)=1+222!+244!+∑n=3∞22n(2n)!=323+∑n=3∞22n(2n)!\begin{aligned} \cosh(2) &= 1 +\frac{2^2}{2!}+\frac{2^4}{4!} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} = 3\frac{2}{3} +\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} \end{aligned}

So it suffices to show that ∑n=3∞22n(2n)!≤0.1\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!}\le 0.1. Let's write bn=22n(2n)!b_n = \frac{2^{2n}}{(2n)!}. The first term in ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} is

b3=266!=266×5×4×3×2=445b_3 = \frac{2^6}{6!} = \frac{2^6}{6 \times 5 \times 4 \times 3\times 2} = \frac{4}{45}

The ratio between successive terms in ∑n=3∞22n(2n)!\sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} is

bn+1bn=22n+2/22n(2n+2)!/(2n)!=4(2n+2)(2n+1)≤48×7=114for all n≥3\begin{aligned} \frac{b_{n+1}}{b_n} = \frac{2^{2n+2}/2^{2n}}{(2n+2)!/(2n)!} =\frac{4}{(2n+2)(2n+1)} \le \frac{4}{8\times 7} =\frac{1}{14}\qquad \text{for all }n\ge 3 \end{aligned}

Hence

∑n=3∞22n(2n)!≤445⏞b3+445×114⏞b4≤+445×1142⏞b5≤+445×1143⏞b6≤+⋯=445 11−114=445 1413=56585<110\begin{aligned} \sum_{n=3}^\infty\frac{2^{2n}}{(2n)!} &\le \overbrace{\frac{4}{45}}^{b_3} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14}}^{b_4\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^2}}^{b_5\le} + \overbrace{\frac{4}{45}\times \frac{1}{14^3}}^{b_6\le} + \cdots\\ &=\frac{4}{45}\,\frac{1}{1-\frac{1}{14}} =\frac{4}{45}\,\frac{14}{13} =\frac{56}{585}<\frac{1}{10} \end{aligned}

(c) Comparing

cosh⁡(t)=∑n=0∞t2n(2n)!=∑n=0∞(t2)n(2n)!ande12t2=∑n=0∞(12t2)nn!=∑n=0∞(t2)n2nn!\cosh(t) = \sum_{n=0}^\infty\frac{t^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{(2n)!} \qquad\text{and}\qquad e^{\frac{1}{2}t^2} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(\frac{1}{2}t^2)}^n}{n!} = \sum_{n=0}^\infty\frac{{(t^2)}^n}{2^n n!}

we see that it suffices to show that (2n)!≥2nn!(2n)! \ge 2^n n!. Now. for all n≥1n\ge 1,

(2n)!=1×2×⋯×n⏞n factors(n+1)×(n+2)×⋯×2n⏞n factors≥1×2×⋯×n⏞n factors2×2×⋯×2⏞n factors=2n n!\begin{aligned} (2n)! &=\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{ factors}} \overbrace{(n+1)\times (n+2)\times\cdots\times 2n}^{n\text{ factors}} \\ &\ge\overbrace{1\times 2\times\cdots\times n}^{n\text{ factors}} \overbrace{2\times 2\times\cdots\times 2}^{n\text{ factors}} \\ &=2^n\, n! \end{aligned}

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CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)