예제·유제 · Examples & Exercises

예제 01 등비급수의 합 공식
한국어

멱급수 $\displaystyle f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}x^n$이 $-1 \lt x \lt 1$에서 $g(x)=\dfrac{1}{1-x}$와 같음을 보이시오.

증명. $n=0,1,2,\ldots$에 대해 부분합을 $\displaystyle s_n(x) = \sum_{k=0}^{n} x^k = 1+x+x^2+\cdots+x^n$이라 하자.

$x\neq 1$일 때 $(1-x)s_n(x) = (1-x)(1+x+\cdots+x^n) = 1-x^{n+1}$이므로 $$s_n(x) = \frac{1-x^{n+1}}{1-x}$$ 이다.

$-1 \lt x \lt 1$이면 $|x| \lt 1$이므로 $n\to\infty$일 때 $x^{n+1}\to 0$이다. 따라서 $$f(x) = \lim_{n\to\infty} s_n(x) = \lim_{n\to\infty}\frac{1-x^{n+1}}{1-x} = \frac{1-0}{1-x} = \frac{1}{1-x} = g(x)$$ 이다. 즉 $-1 \lt x \lt 1$에서 $f(x)=g(x)$이다.

$\square$
English

Show that the power series $\displaystyle f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}x^n$ equals $g(x)=\dfrac{1}{1-x}$ on $-1 \lt x \lt 1$.

Proof. For $n=0,1,2,\ldots$, let $\displaystyle s_n(x) = \sum_{k=0}^{n} x^k = 1+x+x^2+\cdots+x^n$ denote the $n$th partial sum.

For $x\neq 1$, $(1-x)s_n(x) = (1-x)(1+x+\cdots+x^n) = 1-x^{n+1}$, so $$s_n(x) = \frac{1-x^{n+1}}{1-x}.$$

If $-1 \lt x \lt 1$, then $|x| \lt 1$, so $x^{n+1}\to 0$ as $n\to\infty$. Hence $$f(x) = \lim_{n\to\infty} s_n(x) = \lim_{n\to\infty}\frac{1-x^{n+1}}{1-x} = \frac{1-0}{1-x} = \frac{1}{1-x} = g(x).$$ That is, $f(x)=g(x)$ on $-1 \lt x \lt 1$.

$\square$
유제 01-1 급수의 수렴범위와 합
한국어

멱급수 $\displaystyle f(x)=1-\frac{1}{2}(x-2)+\frac{1}{4}(x-2)^2+\cdots+\left(-\frac{1}{2}\right)^n(x-2)^n+\cdots$가 수렴하도록 하는 $x$의 범위를 구하고 급수를 간단히 하시오.

풀이. 주어진 급수는 $$f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\frac12\right)^n (x-2)^n = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\frac{x-2}{2}\right)^n$$ 로 첫째항이 $1$, 공비가 $\displaystyle r = -\frac{x-2}{2}$인 등비급수이다.

등비급수는 $|r| \lt 1$일 때 수렴하므로 $$\left|\frac{x-2}{2}\right| \lt 1 \iff |x-2| \lt 2 \iff 0 \lt x \lt 4$$ 일 때 $f(x)$가 수렴한다.

이때 합은 $$f(x) = \frac{1}{1-r} = \frac{1}{1+\dfrac{x-2}{2}} = \frac{2}{2+(x-2)} = \frac{2}{x}$$ 이다.

English

Find the range of $x$ for which the power series $\displaystyle f(x)=1-\frac{1}{2}(x-2)+\frac{1}{4}(x-2)^2+\cdots+\left(-\frac{1}{2}\right)^n(x-2)^n+\cdots$ converges, and simplify the series.

Solution. The given series is $$f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\frac12\right)^n (x-2)^n = \sum_{n=0}^{\infty} \left(-\frac{x-2}{2}\right)^n,$$ a geometric series with first term $1$ and common ratio $\displaystyle r = -\frac{x-2}{2}$.

A geometric series converges when $|r| \lt 1$, so $$\left|\frac{x-2}{2}\right| \lt 1 \iff |x-2| \lt 2 \iff 0 \lt x \lt 4,$$ and for such $x$, $f(x)$ converges.

Its sum is $$f(x) = \frac{1}{1-r} = \frac{1}{1+\dfrac{x-2}{2}} = \frac{2}{2+(x-2)} = \frac{2}{x}.$$

유제 01-2 2/x의 멱급수 전개
한국어

$f(x)=\dfrac{2}{x}$의 $x=1$을 중심으로 한 멱급수 표현을 찾고 그 수렴반경을 구하시오.

풀이. $x=1$을 중심으로 전개하기 위해 $2/x$를 $2/(1+(x-1))$의 꼴로 고쳐 쓴다.

$|x-1| \lt 1$일 때 등비급수 공식 $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}u^n=\frac{1}{1-u}$ ($|u| \lt 1$)에 $u=-(x-1)$을 대입하면 $$\frac{1}{1+(x-1)} = \sum_{n=0}^{\infty}(-(x-1))^n = \sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n(x-1)^n$$ 이므로 $$f(x)=\frac{2}{x} = \frac{2}{1+(x-1)} = \sum_{n=0}^{\infty}2(-1)^n(x-1)^n$$ 이다.

이 급수는 $|x-1| \lt 1$에서 수렴하고 $|x-1|\ge 1$에서 발산하므로 수렴반경은 $R=1$이다.

English

Find a power series representation of $f(x)=\dfrac{2}{x}$ centered at $x=1$, and find its radius of convergence.

Solution. To expand around $x=1$, rewrite $2/x$ as $2/(1+(x-1))$.

For $|x-1| \lt 1$, substituting $u=-(x-1)$ into the geometric series formula $\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty}u^n=\frac{1}{1-u}$ ($|u| \lt 1$) gives $$\frac{1}{1+(x-1)} = \sum_{n=0}^{\infty}(-(x-1))^n = \sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n(x-1)^n,$$ so $$f(x)=\frac{2}{x} = \frac{2}{1+(x-1)} = \sum_{n=0}^{\infty}2(-1)^n(x-1)^n.$$

This series converges for $|x-1| \lt 1$ and diverges for $|x-1|\ge 1$, so its radius of convergence is $R=1$.

유제 01-3 수렴반경과 수렴범위
한국어

다음 멱급수의 수렴반경과 수렴범위를 구하시오.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^{2n-1}}{2n-1}$
  3. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$
  4. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}n!\,x^n$
  5. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{n+1}}{\sqrt{n+3}}$
  6. $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{x^n}{n(\ln n)^2}$

풀이.

(1) $\displaystyle a_n = \frac{(-1)^{n-1}}{n}$라 하면 비판정법에 의해 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}|x| = |x|$$ 이므로 $|x| \lt 1$에서 절대수렴, $|x| \gt 1$에서 발산한다. 수렴반경은 $R=1$이다.

$x=1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n}$로 교대급수판정법에 의해 수렴한다. $x=-1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}(-1)^n}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\left(-\frac1n\right)$로 조화급수의 $(-1)$배이므로 발산한다. 따라서 수렴범위는 $(-1,1]$이다.

(2) $\displaystyle a_n=\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}$이라 하면 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{2(n+1)-1}}{a_n x^{2n-1}}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{2n-1}{2n+1}|x|^2 = |x|^2$$ 이므로 $|x|^2 \lt 1$, 즉 $|x| \lt 1$에서 절대수렴하고 $|x| \gt 1$에서 발산한다. 수렴반경은 $R=1$이다.

$x=1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}$로 교대급수판정법에 의해 수렴한다. $x=-1$일 때 $x^{2n-1}=(-1)^{2n-1}=-1$이므로 급수는 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}\cdot(-1)}{2n-1}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n-1}$로 역시 교대급수판정법에 의해 수렴한다. 따라서 수렴범위는 $[-1,1]$이다.

(3) $\displaystyle a_n=\frac{1}{n!}$이라 하면 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{|x|}{n+1}=0 \lt 1$$ 이 모든 $x$에 대해 성립하므로 급수는 모든 실수 $x$에서 절대수렴한다. 수렴반경은 $R=\infty$이고 수렴범위는 $(-\infty,\infty)$이다.

(4) $\displaystyle a_n=n!$이라 하면 $x\neq 0$일 때 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}(n+1)|x| = \infty$$ 이므로 급수는 $x\neq0$에서 발산한다. $x=0$일 때는 급수가 $0$으로 수렴한다. 따라서 수렴반경은 $R=0$이고 수렴범위는 $\{0\}$뿐이다.

(5) $\displaystyle a_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+3}}$이라 하면 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+2}}{a_nx^{n+1}}\right| = \lim_{n\to\infty}\sqrt{\frac{n+3}{n+4}}|x| = |x|$$ 이므로 $|x| \lt 1$에서 절대수렴하고 $|x| \gt 1$에서 발산한다. 수렴반경은 $R=1$이다.

$x=1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+3}}$로 $1/\sqrt{n+3}$이 $0$으로 단조감소하므로 교대급수판정법에 의해 수렴한다. $x=-1$일 때 급수는 $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n(-1)^{n+1}}{\sqrt{n+3}}=\sum_{n=0}^{\infty}\left(-\frac{1}{\sqrt{n+3}}\right)$$ 로 $p$-급수 ($p=1/2 \lt 1$)의 $(-1)$배이므로 발산한다. 따라서 수렴범위는 $(-1,1]$이다.

(6) $\displaystyle a_n=\frac{1}{n(\ln n)^2}$이라 하면 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right|=\lim_{n\to\infty}\frac{n(\ln n)^2}{(n+1)(\ln(n+1))^2}|x|=|x|$$ 이므로 $|x| \lt 1$에서 절대수렴하고 $|x| \gt 1$에서 발산한다. 수렴반경은 $R=1$이다.

$x=1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n(\ln n)^2}$로 코시 응집 판정법에 의해 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}2^n\cdot\frac{1}{2^n(\ln 2^n)^2}=\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n^2(\ln2)^2}$과 같은 수렴성을 가지며 이는 $p$-급수 ($p=2 \gt 1$)의 상수배이므로 수렴한다. $x=-1$일 때 급수는 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n(\ln n)^2}$로 절댓값 급수가 위에서 수렴함을 보였으므로 절대수렴한다. 따라서 수렴범위는 $[-1,1]$이다.

English

Find the radius and interval of convergence of the following power series.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^{2n-1}}{2n-1}$
  3. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$
  4. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}n!\,x^n$
  5. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{n+1}}{\sqrt{n+3}}$
  6. $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{x^n}{n(\ln n)^2}$

Solution.

(1) Let $\displaystyle a_n = \frac{(-1)^{n-1}}{n}$. By the Ratio Test, $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{n}{n+1}|x| = |x|,$$ so the series converges absolutely for $|x| \lt 1$ and diverges for $|x| \gt 1$. The radius of convergence is $R=1$.

At $x=1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n}$, which converges by the Alternating Series Test. At $x=-1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}(-1)^n}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\left(-\frac1n\right)$, which is $-1$ times the harmonic series and hence diverges. Thus the interval of convergence is $(-1,1]$.

(2) Let $\displaystyle a_n=\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}$. Then $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{2(n+1)-1}}{a_n x^{2n-1}}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{2n-1}{2n+1}|x|^2 = |x|^2,$$ so the series converges absolutely for $|x|^2 \lt 1$, i.e. $|x| \lt 1$, and diverges for $|x| \gt 1$. The radius of convergence is $R=1$.

At $x=1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{2n-1}$, which converges by the Alternating Series Test. At $x=-1$, since $x^{2n-1}=(-1)^{2n-1}=-1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}\cdot(-1)}{2n-1}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n-1}$, which also converges by the Alternating Series Test. Thus the interval of convergence is $[-1,1]$.

(3) Let $\displaystyle a_n=\frac{1}{n!}$. Then $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}\frac{|x|}{n+1}=0 \lt 1$$ for every $x$, so the series converges absolutely for every real $x$. The radius of convergence is $R=\infty$ and the interval of convergence is $(-\infty,\infty)$.

(4) Let $\displaystyle a_n=n!$. For $x\neq 0$, $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \lim_{n\to\infty}(n+1)|x| = \infty,$$ so the series diverges for $x\neq0$. At $x=0$ the series converges to $0$. Hence the radius of convergence is $R=0$, and the series converges only at $x=0$.

(5) Let $\displaystyle a_n=\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+3}}$. Then $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+2}}{a_nx^{n+1}}\right| = \lim_{n\to\infty}\sqrt{\frac{n+3}{n+4}}|x| = |x|,$$ so the series converges absolutely for $|x| \lt 1$ and diverges for $|x| \gt 1$. The radius of convergence is $R=1$.

At $x=1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{\sqrt{n+3}}$, which converges by the Alternating Series Test since $1/\sqrt{n+3}$ decreases monotonically to $0$. At $x=-1$, the series is $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n(-1)^{n+1}}{\sqrt{n+3}}=\sum_{n=0}^{\infty}\left(-\frac{1}{\sqrt{n+3}}\right),$$ which is $-1$ times a $p$-series with $p=1/2 \lt 1$ and hence diverges. Thus the interval of convergence is $(-1,1]$.

(6) Let $\displaystyle a_n=\frac{1}{n(\ln n)^2}$. Then $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right|=\lim_{n\to\infty}\frac{n(\ln n)^2}{(n+1)(\ln(n+1))^2}|x|=|x|,$$ so the series converges absolutely for $|x| \lt 1$ and diverges for $|x| \gt 1$. The radius of convergence is $R=1$.

At $x=1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n(\ln n)^2}$; by the Cauchy condensation test it has the same convergence behavior as $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}2^n\cdot\frac{1}{2^n(\ln 2^n)^2}=\sum_{n=2}^{\infty}\frac{1}{n^2(\ln2)^2}$, a constant multiple of a $p$-series with $p=2 \gt 1$, so it converges. At $x=-1$, the series is $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n(\ln n)^2}$, which converges absolutely since its series of absolute values converges as shown above. Thus the interval of convergence is $[-1,1]$.

유제 01-4 수렴반경 구하기
한국어

다음 멱급수의 수렴반경을 찾으시오.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{n}{n+1}\right)^{n^2}x^n$
  2. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{2\cdot4\cdot6\cdots(2n)}{2\cdot5\cdot8\cdots(3n-1)}\right)^2 x^n$

풀이.

(1) $\displaystyle a_n=\left(\frac{n}{n+1}\right)^{n^2}$이라 하면 근판정법에 의해 $$\sqrt[n]{|a_n|} = \left(\frac{n}{n+1}\right)^n = \left(1-\frac{1}{n+1}\right)^n$$ 이다. $\displaystyle\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{n+1}\to e^{-1}$이므로 $$\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^n = \left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{-1}\to e^{-1}\cdot1=e^{-1}$$ 이다. 따라서 $$\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_nx^n|} = e^{-1}|x|$$ 이고, 이 값이 $1$보다 작을 때, 즉 $|x| \lt e$일 때 급수가 수렴한다. 수렴반경은 $R=e$이다.

(2) $\displaystyle c_n = \frac{2\cdot4\cdot6\cdots(2n)}{2\cdot5\cdot8\cdots(3n-1)}$, $a_n=c_n^2$이라 하면 비판정법에 의해 $$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \left(\frac{c_{n+1}}{c_n}\right)^2 = \left(\frac{2(n+1)}{3(n+1)-1}\right)^2 = \left(\frac{2n+2}{3n+2}\right)^2 \to \left(\frac23\right)^2=\frac49$$ 이므로 $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \frac49|x|$$ 이다. 이 값이 $1$보다 작을 때, 즉 $|x| \lt \dfrac94$일 때 급수가 수렴한다. 수렴반경은 $\displaystyle R=\frac94$이다.

English

Find the radius of convergence of the following power series.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{n}{n+1}\right)^{n^2}x^n$
  2. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{2\cdot4\cdot6\cdots(2n)}{2\cdot5\cdot8\cdots(3n-1)}\right)^2 x^n$

Solution.

(1) Let $\displaystyle a_n=\left(\frac{n}{n+1}\right)^{n^2}$. By the Root Test, $$\sqrt[n]{|a_n|} = \left(\frac{n}{n+1}\right)^n = \left(1-\frac{1}{n+1}\right)^n.$$ Since $\displaystyle\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{n+1}\to e^{-1}$, $$\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^n = \left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{n+1}\cdot\left(1-\frac{1}{n+1}\right)^{-1}\to e^{-1}\cdot1=e^{-1}.$$ Hence $$\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_nx^n|} = e^{-1}|x|,$$ and the series converges when this is less than $1$, i.e. $|x| \lt e$. The radius of convergence is $R=e$.

(2) Let $\displaystyle c_n = \frac{2\cdot4\cdot6\cdots(2n)}{2\cdot5\cdot8\cdots(3n-1)}$ and $a_n=c_n^2$. By the Ratio Test, $$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \left(\frac{c_{n+1}}{c_n}\right)^2 = \left(\frac{2(n+1)}{3(n+1)-1}\right)^2 = \left(\frac{2n+2}{3n+2}\right)^2 \to \left(\frac23\right)^2=\frac49,$$ so $$\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_{n+1}x^{n+1}}{a_nx^n}\right| = \frac49|x|.$$ The series converges when this is less than $1$, i.e. $|x| \lt \dfrac94$. The radius of convergence is $\displaystyle R=\frac94$.

예제 02 두 멱급수의 곱 계산
한국어

두 멱급수의 곱 $\displaystyle\left(\sum_{n=0}^{\infty}x^n\right)\!\left(\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n+1}}{n+1}\right)$을 3차항까지 계산하시오.

풀이. 첫째 급수는 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n = 1+x+x^2+x^3+\cdots$로 계수가 모두 $a_n=1$이다. 둘째 급수는 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n+1}}{n+1}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\cdots$로, $m=n+1$로 치환하면 $x^m$의 계수는 $\displaystyle b_m=\frac{(-1)^{m-1}}{m}$ ($m\ge1$), $b_0=0$이다.

두 급수의 곱은 코시 곱(Cauchy product)으로 $$\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)\left(\sum_{m=0}^{\infty}b_mx^m\right) = \sum_{k=0}^{\infty}c_kx^k, \qquad c_k=\sum_{j=0}^{k}a_jb_{k-j}$$ 이고, $a_j=1$이므로 $$c_k = \sum_{j=0}^{k}b_{k-j} = \sum_{m=0}^{k}b_m = \sum_{m=1}^{k}\frac{(-1)^{m-1}}{m}$$ 이다.

이를 이용하면 $$c_0=0,\qquad c_1=1,\qquad c_2=1-\frac12=\frac12,\qquad c_3=1-\frac12+\frac13=\frac56$$ 이므로 3차항까지의 곱은 $$x+\frac12x^2+\frac56x^3+\cdots$$ 이다.

English

Compute the product of the two power series $\displaystyle\left(\sum_{n=0}^{\infty}x^n\right)\!\left(\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n+1}}{n+1}\right)$ up to the cubic term.

Solution. The first series is $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n = 1+x+x^2+x^3+\cdots$, with every coefficient $a_n=1$. The second series is $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n+1}}{n+1}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\cdots$; substituting $m=n+1$, the coefficient of $x^m$ is $\displaystyle b_m=\frac{(-1)^{m-1}}{m}$ for $m\ge1$, and $b_0=0$.

The product of the two series is given by the Cauchy product $$\left(\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n\right)\left(\sum_{m=0}^{\infty}b_mx^m\right) = \sum_{k=0}^{\infty}c_kx^k, \qquad c_k=\sum_{j=0}^{k}a_jb_{k-j},$$ and since $a_j=1$, $$c_k = \sum_{j=0}^{k}b_{k-j} = \sum_{m=0}^{k}b_m = \sum_{m=1}^{k}\frac{(-1)^{m-1}}{m}.$$

Hence $$c_0=0,\qquad c_1=1,\qquad c_2=1-\frac12=\frac12,\qquad c_3=1-\frac12+\frac13=\frac56,$$ so the product, up to the cubic term, is $$x+\frac12x^2+\frac56x^3+\cdots.$$

유제 02 항별 미분·적분 활용
한국어

$|x| \lt 1$에서 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$가 성립함을 이용해 다음을 계산하시오.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2}$
  3. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}$
  4. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}x^n}{n}$

풀이. $|x| \lt 1$에서 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$이 성립하고, 이 급수는 수렴구간 내부에서 항별로 미분·적분할 수 있다.

(1) 양변을 $x$에 대해 항별로 미분하면 $$\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1} = \frac{d}{dx}\left(\frac{1}{1-x}\right) = \frac{1}{(1-x)^2}$$ 이다.

(2) (1)의 양변을 다시 $x$에 대해 항별로 미분하면 $$\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2} = \frac{d}{dx}\left(\frac{1}{(1-x)^2}\right) = \frac{2}{(1-x)^3}$$ 이다.

(3) 등식 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$에 $x$ 대신 $-x^2$을 대입하면 $|x| \lt 1$에서 $$\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^{2n} = \frac{1}{1+x^2}$$ 이다. 이 급수를 $0$부터 $x$까지 항별로 적분하면 $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{2n+1} = \int_0^x\frac{1}{1+t^2}\,dt = \tan^{-1}x$$ 이다.

(4) 등식 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$에 $x$ 대신 $-x$를 대입하면 $|x| \lt 1$에서 $$\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^n = \frac{1}{1+x}$$ 이다. 이 급수를 $0$부터 $x$까지 항별로 적분하면 $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nx^{n+1}}{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}x^n}{n} = \int_0^x\frac{1}{1+t}\,dt = \ln(1+x)$$ 이다.

English

Using the fact that $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$ holds for $|x| \lt 1$, compute the following.

  1. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2}$
  3. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}$
  4. $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}x^n}{n}$

Solution. For $|x| \lt 1$, $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$, and this series may be differentiated or integrated term by term within its interval of convergence.

(1) Differentiating both sides term by term with respect to $x$, $$\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1} = \frac{d}{dx}\left(\frac{1}{1-x}\right) = \frac{1}{(1-x)^2}.$$

(2) Differentiating both sides of (1) term by term once more, $$\sum_{n=2}^{\infty}n(n-1)x^{n-2} = \frac{d}{dx}\left(\frac{1}{(1-x)^2}\right) = \frac{2}{(1-x)^3}.$$

(3) Substituting $-x^2$ for $x$ in $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$ gives, for $|x| \lt 1$, $$\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^{2n} = \frac{1}{1+x^2}.$$ Integrating this series term by term from $0$ to $x$, $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{2n+1} = \int_0^x\frac{1}{1+t^2}\,dt = \tan^{-1}x.$$

(4) Substituting $-x$ for $x$ in $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac{1}{1-x}$ gives, for $|x| \lt 1$, $$\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^n = \frac{1}{1+x}.$$ Integrating this series term by term from $0$ to $x$, $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nx^{n+1}}{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}x^n}{n} = \int_0^x\frac{1}{1+t}\,dt = \ln(1+x).$$

문제 · Problems

문제 01 sin·cos·tan 급수 전개
한국어

모든 실수 $x$에 대해 $\displaystyle\sin x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}$이 성립함이 알려져 있다.

  1. $\cos x$의 멱급수 표현을 찾고 그 수렴반경을 구하시오.
  2. $x$에 $2x$를 대입함으로써 $\sin 2x$의 멱급수 표현을 찾고 그 수렴반경을 구하시오.
  3. $\sin x$와 $\cos x$의 멱급수를 곱함으로써 $2\sin x\cos x$의 멱급수 표현을 찾고 그 수렴반경을 구하시오. 이를 (2)와 비교하시오.
  4. $\tan x\cos x=\sin x$임을 이용하여 $\tan x$의 멱급수 표현이 존재한다고 가정했을 때 그 표현을 구하시오.
English

It is known that $\displaystyle\sin x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}$ holds for every real number $x$.

  1. Find a power series representation of $\cos x$, and find its radius of convergence.
  2. By substituting $2x$ for $x$, find a power series representation of $\sin 2x$, and find its radius of convergence.
  3. By multiplying the power series of $\sin x$ and $\cos x$, find a power series representation of $2\sin x\cos x$, and find its radius of convergence. Compare this with (2).
  4. Using the fact that $\tan x\cos x=\sin x$, assuming that a power series representation of $\tan x$ exists, find that representation.
문제 02 급수의 값 구하기
한국어

다음 급수의 값을 구하시오.

  1. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{2^n}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n^2}{2^n}$
English

Find the value of the following series.

  1. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n}{2^n}$
  2. $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{n^2}{2^n}$
문제 03 급수 방정식의 해
한국어

방정식 $\displaystyle x=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n(n+1)}{x^n}$의 해를 찾으시오. (단, $x \gt 1$)

English

Find the solution of the equation $\displaystyle x=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n(n+1)}{x^n}$. (Here $x \gt 1$.)

문제 04 확률변수의 기댓값
한국어

확률변수 $X$의 확률질량함수가 $P(X=k)=p_k$로 주어졌다고 하자. (단, $k=1,2,\cdots$)

주어진 $p_k$에 대해 $X$의 기댓값을 구하시오.

  1. $p_k=2^{-k}$
  2. $p_k=\dfrac{1}{k(k+1)}$
English

Suppose the probability mass function of a random variable $X$ is given by $P(X=k)=p_k$. (Here $k=1,2,\cdots$.)

Find the expected value of $X$ for each of the following $p_k$.

  1. $p_k=2^{-k}$
  2. $p_k=\dfrac{1}{k(k+1)}$
문제 05 계수비의 극한 (임용22A-7)
한국어

$|x| \lt 1$인 실수 $x$에 대하여 $\displaystyle\frac{1}{(1-x)^3}=\sum_{n=0}^{\infty}a_n x^n$, $\displaystyle\frac{x(1+x)}{(1-x)^3}=\sum_{n=0}^{\infty}b_n x^n$일 때, $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{a_n}$의 값을 풀이 과정과 함께 쓰시오. 또한 무한급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^2}{3^n}$의 값을 쓰시오.

다음 식은 필요하면 증명 없이 사용할 수 있다.

$|x| \lt 1$인 실수 $x$에 대하여 $\displaystyle\frac{1}{1-x}=\sum_{n=0}^{\infty}x^n$이다.
English

For a real number $x$ with $|x| \lt 1$, suppose $\displaystyle\frac{1}{(1-x)^3}=\sum_{n=0}^{\infty}a_n x^n$ and $\displaystyle\frac{x(1+x)}{(1-x)^3}=\sum_{n=0}^{\infty}b_n x^n$. Write the value of $\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{b_n}{a_n}$ together with your reasoning. Also write the value of the infinite series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n^2}{3^n}$.

The following may be used without proof.

For a real number $x$ with $|x| \lt 1$, $\displaystyle\frac{1}{1-x}=\sum_{n=0}^{\infty}x^n$.
문제 06 교대조화급수의 합
한국어

수열 $\displaystyle h_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k}$, $\displaystyle s_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{(-1)^{k+1}}{k}$을 정의하자.

  1. 자연수 $n$에 대해 $s_{2n}=h_{2n}-h_n$이 성립함을 보이시오.
  2. $\displaystyle\lim_{n\to\infty}(h_n-\ln n)=\gamma$임을 이용하여 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}=\ln 2$임을 보이시오. (단, $\gamma$는 오일러 상수)
English

Define the sequences $\displaystyle h_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k}$ and $\displaystyle s_n=\sum_{k=1}^{n}\frac{(-1)^{k+1}}{k}$.

  1. Show that $s_{2n}=h_{2n}-h_n$ holds for every natural number $n$.
  2. Using the fact that $\displaystyle\lim_{n\to\infty}(h_n-\ln n)=\gamma$, show that $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n+1}}{n}=\ln 2$. (Here $\gamma$ is Euler's constant.)
문제 07 절대수렴하는 x의 범위
한국어

$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{nx^n}{(n+1)(2x+1)^n}$이 절대수렴하도록 하는 $x$의 범위를 구하시오.

English

Find the range of $x$ for which $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{nx^n}{(n+1)(2x+1)^n}$ is absolutely convergent.

문제 08 수렴반경으로 b 결정
한국어

멱급수 $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{b^n x^n}{\ln n}$의 수렴반경이 5가 되도록 하는 $b$의 값을 찾으시오.

English

Find the value of $b$ for which the power series $\displaystyle\sum_{n=2}^{\infty}\frac{b^n x^n}{\ln n}$ has radius of convergence 5.

문제 09 급수 수렴 판정 (임용11-24)
한국어

<보기>에서 옳은 것만을 모두 고른 것은?

ㄱ. 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\sqrt{n^2+7}}$은 수렴한다.

ㄴ. 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\sin\frac{\pi}{\sqrt{n}}$는 수렴한다.

ㄷ. 급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^n+3^n}{4^n+12^n}x^{2n}$의 수렴반경은 2이다.

① ㄱ    ② ㄷ    ③ ㄱ, ㄴ    ④ ㄴ, ㄷ    ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

English

Which of the following selects all and only the true statements in <List>?

ㄱ. The series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n\sqrt{n^2+7}}$ converges.

ㄴ. The series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\sin\frac{\pi}{\sqrt{n}}$ converges.

ㄷ. The radius of convergence of the series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^n+3^n}{4^n+12^n}x^{2n}$ is 2.

① ㄱ    ② ㄷ    ③ ㄱ, ㄴ    ④ ㄴ, ㄷ    ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

문제 10 수렴하는 정수 x의 개수 (임용12-22)
한국어

멱급수 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n!}{n^n}(x-3)^n$을 수렴하도록 하는 정수 $x$의 개수는?

① 1    ② 3    ③ 5    ④ 7    ⑤ 9

English

What is the number of integers $x$ for which the power series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n!}{n^n}(x-3)^n$ converges?

① 1    ② 3    ③ 5    ④ 7    ⑤ 9

문제 11 멱급수의 수렴구간 (임용14A-기8)
한국어

거듭제곱급수(멱급수, power series) $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n x^n}{5^n\sqrt[n]{n}}$의 수렴구간을 구하시오.

English

Find the interval of convergence of the power series $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n x^n}{5^n\sqrt[n]{n}}$.