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.

86문제 · 4 / 5쪽

61.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 12번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 항별 미분 또는 적분을 이용하여 주어진 함수의 거듭제곱급수를 구하세요.

f(x)=x(2+x2)2f(x)=\frac{x}{{(2+{x}^{2})}^{2}}

영어 원문 보기

In the following exercises, find the power series for the given function using term-by-term differentiation or integration.

f(x)=x(2+x2)2f(x)=\frac{x}{{(2+{x}^{2})}^{2}}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 1번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
62.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 13번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 함수의 지정된 점에서 4차 테일러 급수 전개를 구하세요. 이 근삿값의 오차는 얼마인지 구하세요.

f(x)=x3−2x2+4,a=−3f(x)={x}^{3}-2{x}^{2}+4,a=-3

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the Taylor series expansion of degree four for the given function at the specified point. What is the error in the approximation?

f(x)=x3−2x2+4,a=−3f(x)={x}^{3}-2{x}^{2}+4,a=-3

정답·풀이 보기

p4(x)=(x+3)3−11(x+3)2+39(x+3)−41{p}_{4}(x)={(x+3)}^{3}-11{(x+3)}^{2}+39(x+3)-41; 정확하다

원본 교재 풀이(영어)

p4(x)=(x+3)3−11(x+3)2+39(x+3)−41;{p}_{4}(x)={(x+3)}^{3}-11{(x+3)}^{2}+39(x+3)-41; exact

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 15번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
63.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 14번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 함수의 지정된 점에서 4차 테일러 급수 전개를 구하세요. 이 근삿값의 오차는 얼마인지 구하세요.

f(x)=e1/(4x),a=4f(x)={e}^{1/(4x)},a=4

영어 원문 보기

In the following exercises, evaluate the Taylor series expansion of degree four for the given function at the specified point. What is the error in the approximation?

f(x)=e1/(4x),a=4f(x)={e}^{1/(4x)},a=4

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 15번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
64.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 15번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 함수의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=cos⁡(3x)f(x)=\cos (3x)

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for the given function.

f(x)=cos⁡(3x)f(x)=\cos (3x)

정답·풀이 보기

∑n=0∞(−1)n(3x)2n2n!\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}{(3x)}^{2n}}{2n!}

원본 교재 풀이(영어)

∑n=0∞(−1)n(3x)2n2n!\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}{(3x)}^{2n}}{2n!}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 17번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
65.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 16번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 함수의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=ln⁡(x+1)f(x)=\ln (x+1)

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for the given function.

f(x)=ln⁡(x+1)f(x)=\ln (x+1)

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 56번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
66.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 17번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 값에서의 테일러 급수를 구하세요.

f(x)=sin⁡x,a=π2f(x)=\sin x,a=\frac{\pi }{2}

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Taylor series at the given value.

f(x)=sin⁡x,a=π2f(x)=\sin x,a=\frac{\pi }{2}

정답·풀이 보기

∑n=0∞(−1)n(2n)!(x−π2)2n\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{(2n)!}{\left(x-\frac{\pi }{2}\right)}^{2n}

원본 교재 풀이(영어)

∑n=0∞(−1)n(2n)!(x−π2)2n\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{(2n)!}{\left(x-\frac{\pi }{2}\right)}^{2n}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 19번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
67.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 18번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 값에서의 테일러 급수를 구하세요.

f(x)=3x,a=1f(x)=\frac{3}{x},a=1

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Taylor series at the given value.

f(x)=3x,a=1f(x)=\frac{3}{x},a=1

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 36번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
68.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 19번대학 수준우리말 번역

다음 문제에서 주어진 함수의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=e−x2−1f(x)={e}^{-{x}^{2}}-1

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for the given function.

f(x)=e−x2−1f(x)={e}^{-{x}^{2}}-1

정답·풀이 보기

∑n=1∞(−1)nn!x2n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{n!}{x}^{2n}

원본 교재 풀이(영어)

∑n=1∞(−1)nn!x2n\sum_{n=1}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{n!}{x}^{2n}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.8절 · 1번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
69.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 20번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, 주어진 함수의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=cos⁡x−xsin⁡xf(x)=\cos x-x\sin x

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for the given function.

f(x)=cos⁡x−xsin⁡xf(x)=\cos x-x\sin x

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 56번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
70.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 21번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, f(x)f(x) 의 매클로린 급수를 항별로 적분하여 F(x)=∫0xf(t)dtF(x)={\int }_{0}^{x}f(t)dt 의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=sin⁡xxf(x)=\frac{\sin x}{x}

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for F(x)=∫0xf(t)dtF(x)={\int }_{0}^{x}f(t)dt by integrating the Maclaurin series of f(x)f(x) term by term.

f(x)=sin⁡xxf(x)=\frac{\sin x}{x}

정답·풀이 보기

F(x)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)(2n+1)!x2n+1F(x)=\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{(2n+1)(2n+1)!}{x}^{2n+1}

원본 교재 풀이(영어)

F(x)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)(2n+1)!x2n+1F(x)=\sum_{n=0}^{\infty }\frac{{(-1)}^{n}}{(2n+1)(2n+1)!}{x}^{2n+1}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 8번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
71.OpenStax 2권 · 6장 복습 · 22번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서, f(x)f(x) 의 매클로린 급수를 항별로 적분하여 F(x)=∫0xf(t)dtF(x)={\int }_{0}^{x}f(t)dt 의 매클로린 급수를 구하세요.

f(x)=1−exf(x)=1-{e}^{x}

영어 원문 보기

In the following exercises, find the Maclaurin series for F(x)=∫0xf(t)dtF(x)={\int }_{0}^{x}f(t)dt by integrating the Maclaurin series of f(x)f(x) term by term.

f(x)=1−exf(x)=1-{e}^{x}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 36번
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
72.APEX · 8.8절 · 21번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 주어진 kk 값에 대한 이항 급수의 처음 5개 항을 쓰세요.

k=1/2k=1/2

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, write out the first 5 terms of the Binomial series with the given kk-value.

k=1/2k=1/2

정답·풀이 보기

1+x2−x28+x316−5x4128\displaystyle 1+\frac x2-\frac{x^2}{8}+\frac{x^3}{16}-\frac{5x^4}{128}

원본 교재 풀이(영어)

1+x2−x28+x316−5x4128\displaystyle 1+\frac x2-\frac{x^2}{8}+\frac{x^3}{16}-\frac{5x^4}{128}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 52번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
73.APEX · 8.8절 · 22번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 주어진 kk 값에 대한 이항 급수의 처음 5개 항을 쓰세요.

k=−1/2k=-1/2

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, write out the first 5 terms of the Binomial series with the given kk-value.

k=−1/2k=-1/2

정답·풀이 보기

1−x2+3x28−5x316+35x4128\displaystyle 1-\frac x2+\frac{3x^2}{8}-\frac{5x^3}{16}+\frac{35x^4}{128}

원본 교재 풀이(영어)

1−x2+3x28−5x316+35x4128\displaystyle 1-\frac x2+\frac{3x^2}{8}-\frac{5x^3}{16}+\frac{35x^4}{128}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 39번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
74.APEX · 8.8절 · 23번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 주어진 kk 값에 대한 이항 급수의 처음 5개 항을 쓰세요.

k=1/3k=1/3

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, write out the first 5 terms of the Binomial series with the given kk-value.

k=1/3k=1/3

정답·풀이 보기

1+x3−x29+5x381−10x4243\displaystyle 1+\frac x3-\frac{x^2}{9}+\frac{5x^3}{81}-\frac{10x^4}{243}

원본 교재 풀이(영어)

1+x3−x29+5x381−10x4243\displaystyle 1+\frac x3-\frac{x^2}{9}+\frac{5x^3}{81}-\frac{10x^4}{243}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 26번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
75.APEX · 8.8절 · 24번대학 수준우리말 번역

연습문제 21–24에서, 주어진 kk 값에 대한 이항 급수의 처음 5개 항을 쓰세요.

k=4k=4

영어 원문 보기

In Exercises 21–24, write out the first 5 terms of the Binomial series with the given kk-value.

k=4k=4

정답·풀이 보기

1+4x+6x2+4x3+x4\displaystyle 1+4x+6x^2+4x^3+x^4 (이 급수는 유한하며, 공식은 여전히 적용됨에 주의한다)

원본 교재 풀이(영어)

1+4x+6x2+4x3+x4\displaystyle 1+4x+6x^2+4x^3+x^4 (note the series is finite, and the formula still applies)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 36번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
76.APEX · 8.8절 · 31번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–32에서, 피적분함수의 테일러 급수에서 0이 아닌 처음 4개의 항을 사용하여 주어진 정적분의 값을 어림하세요.

∫0πsin⁡(x2) dx\displaystyle \int_0^{\sqrt{\pi}} \sin \big(x^2\big)\ dx

영어 원문 보기

In Exercises 31–32, approximate the value of the given definite integral by using the first 4 nonzero terms of the integrand's Taylor series.

∫0πsin⁡(x2) dx\displaystyle \int_0^{\sqrt{\pi}} \sin \big(x^2\big)\ dx

정답·풀이 보기

∫0πsin⁡(x2) dx≈∫0π(x2−x66+x10120−x145040)dx=0.8877\displaystyle \int_0^{\sqrt{\pi}} \sin \big(x^2\big)\ dx \approx \int_0^{\sqrt{\pi}} \left(x^2-\frac{x^6}6+\frac{x^{10}}{120}-\frac{x^{14}}{5040}\right) dx = 0.8877

원본 교재 풀이(영어)

∫0πsin⁡(x2) dx≈∫0π(x2−x66+x10120−x145040)dx=0.8877\displaystyle \int_0^{\sqrt{\pi}} \sin \big(x^2\big)\ dx \approx \int_0^{\sqrt{\pi}} \left(x^2-\frac{x^6}6+\frac{x^{10}}{120}-\frac{x^{14}}{5040}\right) dx = 0.8877

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 2번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
77.APEX · 8.8절 · 32번대학 수준우리말 번역

연습문제 31–32에서, 피적분함수의 테일러 급수에서 0이 아닌 처음 4개의 항을 사용하여 주어진 정적분의 값을 어림하세요.

∫0π2/4cos⁡(x) dx\displaystyle \int_0^{\pi^2/4} \cos \big(\sqrt{x}\big)\ dx

영어 원문 보기

In Exercises 31–32, approximate the value of the given definite integral by using the first 4 nonzero terms of the integrand's Taylor series.

∫0π2/4cos⁡(x) dx\displaystyle \int_0^{\pi^2/4} \cos \big(\sqrt{x}\big)\ dx

정답·풀이 보기

∫0π2/4cos⁡(x) dx≈∫0π2/4(1−x2+x224−x3720) dx=1.1412\displaystyle \int_0^{\pi^2/4} \cos \big(\sqrt{x}\big)\ dx \approx \int_0^{\pi^2/4} \left(1-\frac x2+\frac{x^2}{24}-\frac{x^3}{720}\right)\ dx = 1.1412 이다. (실제 값: π−2\pi-2)

원본 교재 풀이(영어)

∫0π2/4cos⁡(x) dx≈∫0π2/4(1−x2+x224−x3720) dx=1.1412\displaystyle \int_0^{\pi^2/4} \cos \big(\sqrt{x}\big)\ dx \approx \int_0^{\pi^2/4} \left(1-\frac x2+\frac{x^2}{24}-\frac{x^3}{720}\right)\ dx = 1.1412. (Actual answer: π−2\pi-2)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 53번
APEX Calculus V5 CC BY-NC 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
78.CLP-2 · 3.6절 · 2번대학 수준우리말 번역

T(x)T(x) 가 a=5a=5 를 중심으로 하는 f(x)=arctan⁡3(ex+7)f(x)=\arctan^3\left(e^x+7\right) 의 테일러 급수라고 할 때, T(5)T(5) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose T(x)T(x) is the Taylor series for f(x)=arctan⁡3(ex+7)f(x)=\arctan^3\left(e^x+7\right) centred at a=5a=5. What is T(5)T(5)?

정답·풀이 보기

테일러 급수를 만드는 방법에 따르면, 테일러 급수와 함수는 중심으로 택한 점에서 값이 같다. 따라서 T(5)=arctan⁡3(e5+7)T(5)=\arctan^3\left(e^5+7\right) 이다.

테일러 급수를 중심이 아닌 점에서 계산하려면, 일반적으로 (a) 그 급수가 수렴하는지, (b) 그 급수가 만들 때 사용한 함수의 값과 같은 값으로 수렴하는지 확인해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Following how a Taylor series is constructed, the Taylor series and the function agree at the point chosen as the centre. So, T(5)=arctan⁡3(e5+7)T(5)=\arctan^3\left(e^5+7\right).

If we were evaluating a Taylor series at a point other than its centre, we would generally need to check that (a) the series converges, and (b) it converges to the same value as the function we used to create it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 1번
# 테일러·매클로린 급수계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
79.CLP-2 · 3.6절 · 34번대학 수준우리말 번역

자연로그에 대한 테일러 급수를 이용하여 lim⁡x→0(1+x+x2)2/x\displaystyle \lim\limits_{x\rightarrow 0}\left(1+x+x^2\right)^{2/x} 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Evaluate lim⁡x→0(1+x+x2)2/x\displaystyle \lim\limits_{x\rightarrow 0}\left(1+x+x^2\right)^{2/x} using a Taylor series for the natural logarithm.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

이 극한은 1∞1^{\infty} 꼴의 부정형이다. 로피탈의 법칙을 쓸 때와 마찬가지로, 자연로그를 이용하여 다루기 쉬운 꼴로 바꿀 수 있다.

f(x)=(1+x+x2)2/xlog⁡(f(x))=log⁡[(1+x+x2)2/x]=2xlog⁡(1+x+x2)\begin{aligned} f(x)&=\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\\ \log(f(x))&=\log\left[\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\right]=\frac{2}{x}\log\left(1+x+x^2\right) \end{aligned}

log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n+1ynn\log(1+y)=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}y^n}{n} 임을 떠올리고, y=x+x2y=x+x^2 으로 놓는다. 이 급수는 ∣y∣<1|y|<1 일 때 수렴하며, xx 가 0에 매우 가까운 값만 생각하므로 ∣x+x2∣<1|x+x^2|<1 이라고 가정할 수 있다.

log⁡(f(x))=2xlog⁡(1+(x+x2))=2x∑n=1∞(−1)n+1(x+x2)nn=2x[(x+x2)−(x+x2)22+(x+x2)33−⋯ ]=2+2x−(x+x2)22x+(x+x2)33x−⋯=2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯lim⁡x→0log⁡(f(x))=lim⁡x→0[2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯ ]=2+0+0⋯=2lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0elog⁡f(x)=e2\begin{aligned} \log(f(x))&=\frac{2}{x}\log\left(1+(x+x^2)\right)=\frac{2}{x}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}(x+x^2)^n}{n}\\ &=\frac{2}{x}\left[(x+x^2)-\frac{(x+x^2)^2}{2}+\frac{(x+x^2)^3}{3}-\cdots\right]\\ &=2+2x-\frac{(x+x^2)^2}{2x}+\frac{(x+x^2)^3}{3x}-\cdots\\ &=2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\\ \lim_{x \to 0}\log(f(x))&=\lim_{x \to 0}\left[2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\right] \\ &=2+0+0\cdots=2\\ \lim_{x \to 0} f(x)&=\lim_{x \to 0}e^{\log f(x)}=e^2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Our limit has the indeterminate form 1∞1^{\infty}; as with l'Hopital's rule, we can change it to a friendlier form using the natural logarithm.

f(x)=(1+x+x2)2/xlog⁡(f(x))=log⁡[(1+x+x2)2/x]=2xlog⁡(1+x+x2)\begin{aligned} f(x)&=\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\\ \log(f(x))&=\log\left[\left(1+x+x^2\right)^{2/x}\right]=\frac{2}{x}\log\left(1+x+x^2\right) \end{aligned}

Recall log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n+1ynn\log(1+y)=\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n+1}y^n}{n}, and set y=x+x2y=x+x^2. The series converges when ∣y∣<1|y|<1, and since we only consider values of xx that are very close to 0, we can assume ∣x+x2∣<1|x+x^2|<1.

log⁡(f(x))=2xlog⁡(1+(x+x2))=2x∑n=1∞(−1)n+1(x+x2)nn=2x[(x+x2)−(x+x2)22+(x+x2)33−⋯ ]=2+2x−(x+x2)22x+(x+x2)33x−⋯=2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯lim⁡x→0log⁡(f(x))=lim⁡x→0[2+2x−(x2+x)(1+x)2+(x2+x)2(1+x)3−⋯ ]=2+0+0⋯=2lim⁡x→0f(x)=lim⁡x→0elog⁡f(x)=e2\begin{aligned} \log(f(x))&=\frac{2}{x}\log\left(1+(x+x^2)\right)=\frac{2}{x}\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}(x+x^2)^n}{n}\\ &=\frac{2}{x}\left[(x+x^2)-\frac{(x+x^2)^2}{2}+\frac{(x+x^2)^3}{3}-\cdots\right]\\ &=2+2x-\frac{(x+x^2)^2}{2x}+\frac{(x+x^2)^3}{3x}-\cdots\\ &=2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\\ \lim_{x \to 0}\log(f(x))&=\lim_{x \to 0}\left[2+2x-\frac{(x^2+x)(1+x)}{2}+\frac{(x^2+x)^2(1+x)}{3}-\cdots\right] \\ &=2+0+0\cdots=2\\ \lim_{x \to 0} f(x)&=\lim_{x \to 0}e^{\log f(x)}=e^2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.3절 · 40번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
80.CLP-2 · 3.6절 · 37번대학 수준우리말 번역

급수 f(x)=∑n=0∞(−1)nx2n+4(2n+1)(2n+2)f(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+4}}{(2n+1)(2n+2)} 를 익숙한 함수들의 조합으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Write the series f(x)=∑n=0∞(−1)nx2n+4(2n+1)(2n+2)f(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+4}}{(2n+1)(2n+2)} as a combination of familiar functions.

정답·풀이 보기

아크탄젠트의 테일러 급수는 다음과 같음을 떠올리자. arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1\arctan x = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} 이 급수와 주어진 급수는 비슷한 점이 있다. xx 의 거듭제곱이 건너뛰며 나타나고, 분모가 계승이 아니다. 이를 주어진 급수와 같은 꼴로 바꿔 보자. 먼저 분모에 (2n+2)(2n+2) 인수가 생기도록 부정적분한다.

∫arctan⁡x dx=∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)+C아크탄젠트의 부정적분은 부분적분을 이용하여 구할 수 있다. u=arctan⁡x, dv=dx 라 하면 du=11+x2dx, v=x 이다.∫arctan⁡x dx=xarctan⁡x−∫x1+x2 dx+C이제 w=1+x2, dw=2xdx 로 치환한다.=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)+C따라서, ∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)+CC 를 구하기 위해 등식의 양변에 x=0 을 대입한다.0=0arctan⁡0−12log⁡(1)+C=C그러므로, ∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)양변에 x2 을 곱하면,∑n=0∞(−1)nx2n+4(2n+1)(2n+2)=x3arctan⁡x−x22log⁡(1+x2)\begin{aligned} \int \arctan x\,\mathrm{d}x &= \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}+C \\ \text{아크탄젠트의 부정적분은 부분적분을 이용하여 구할 수 있다. $u=\arctan x$, $\mathrm{d}v=\mathrm{d}x$ 라 하면 $\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x$, $v=x$ 이다.} \\ \int \arctan x \,\mathrm{d}x&=x\arctan x - \int \frac{x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x+C \\ \text{이제 $w=1+x^2$, $\mathrm{d}w=2x\mathrm{d}x$ 로 치환한다.} \\ &=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2)+C\\ \text{따라서, }\qquad \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}&=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2)+C \\ \text{$C$ 를 구하기 위해 등식의 양변에 $x=0$ 을 대입한다.} \\ 0&=0\arctan 0 -\frac{1}{2}\log(1)+C=C\\ \text{그러므로, }\qquad \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}&=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2) \\ \text{양변에 $x^2$ 을 곱하면,} \\ \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+4}}{(2n+1)(2n+2)}&=x^3\arctan x - \frac{x^2}{2}\log(1+x^2) \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Recall the Taylor series for arctangent is: arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1\arctan x = \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} There are similarities between this and our given series: skipping powers of xx, and a denominator that's not factorial. We'll try to manipulate it to look like our series. First, we antidifferentiate, to get a factor of (2n+2)(2n+2) on the bottom.

∫arctan⁡x dx=∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)+CWe can find the antiderivative of arctangent using integration by parts. Let u=arctan⁡x and dv=dx; then du=11+x2dx and v=x.∫arctan⁡x dx=xarctan⁡x−∫x1+x2 dx+CNow, we use the substitution w=1+x2, dw=2xdx.=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)+CSo, ∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)+CTo find C, we evaluate both sides of the equation at x=0.0=0arctan⁡0−12log⁡(1)+C=CTherefore, ∑n=0∞(−1)nx2n+2(2n+1)(2n+2)=xarctan⁡x−12log⁡(1+x2)Multiplying both sides by x2,∑n=0∞(−1)nx2n+4(2n+1)(2n+2)=x3arctan⁡x−x22log⁡(1+x2)\begin{aligned} \int \arctan x\,\mathrm{d}x &= \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}+C \\ \text{We can find the antiderivative of arctangent using integration by parts. Let $u=\arctan x$ and $\mathrm{d}v=\mathrm{d}x$; then $\mathrm{d}u=\frac{1}{1+x^2}\mathrm{d}x$ and $v=x$.} \\ \int \arctan x \,\mathrm{d}x&=x\arctan x - \int \frac{x}{1+x^2}\,\mathrm{d}x+C \\ \text{Now, we use the substitution $w=1+x^2$, $\mathrm{d}w=2x\mathrm{d}x$.} \\ &=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2)+C\\ \text{So, }\qquad \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}&=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2)+C \\ \text{To find $C$, we evaluate both sides of the equation at $x=0$.} \\ 0&=0\arctan 0 -\frac{1}{2}\log(1)+C=C\\ \text{Therefore, }\qquad \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+2}}{(2n+1)(2n+2)}&=x\arctan x - \frac{1}{2}\log(1+x^2) \\ \text{Multiplying both sides by $x^2$,} \\ \sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+4}}{(2n+1)(2n+2)}&=x^3\arctan x - \frac{x^2}{2}\log(1+x^2) \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 36번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)