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테일러 급수

Calculus
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  • 등비급수 (geometric series)
11−x=∑n=0∞xn=1+x+x2+x3+⋯ ,∣x∣<1\begin{aligned} \frac{1}{1-x} &=\sum_{n=0}^{\infty}x^n \\ &=1+x+x^2+x^3+\cdots,\qquad |x|<1 \end{aligned}
  • 로그함수 (logarithmic series)
ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n+1xnn=x−x22+x33−x44+⋯ ,−1<x≤1\begin{aligned} \ln(1+x) &=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n+1}\frac{x^n}{n} \\ &=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+\cdots,\qquad-1<x\le1 \end{aligned}
  • 지수함수 (exponential series)
ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+x44!+⋯ ,R=∞\begin{aligned} e^x &=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!} \\ &=1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}+\frac{x^4}{4!}+\cdots, \qquad R=\infty \end{aligned}
  • 사인 함수 (sine series)
sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x33!+x55!−x77!+⋯ ,R=∞\begin{aligned} \sin x &=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} \\ &=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+\cdots, \qquad R=\infty \end{aligned}
  • 코사인 함수 (cosine series)
cos⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!=1−x22!+x44!−x66!+⋯ ,R=∞\begin{aligned} \cos x &=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!} \\ &=1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}+\cdots, \qquad R=\infty \end{aligned}
  • 이항급수 (binomial series)
(1+x)α=∑n=0∞(αn)xn=1+αx+α(α−1)2!x2+α(α−1)(α−2)3!x3+⋯ ,∣x∣<1\begin{aligned} (1+x)^\alpha &=\sum_{n=0}^{\infty}\binom{\alpha}{n}x^n \\ &=1+\alpha x +\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 +\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3 +\cdots, \qquad |x|<1 \end{aligned}
  • 아크탄젠트 함수 (arctangent series)
arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1=x−x33+x55−x77+⋯ ,∣x∣≤1\begin{aligned} \arctan x &=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} \\ &=x-\frac{x^3}{3}+\frac{x^5}{5}-\frac{x^7}{7}+\cdots, \qquad |x|\le 1 \end{aligned}

Table of content

멱급수 (Power series)

∑n=0∞an(x−c)n=a0+a1(x−c)+a2(x−c)2+⋯\sum_{n=0}^{\infty} a_n(x-c)^n = a_0+a_1(x-c)+a_2(x-c)^2+\cdots

위와 같은 꼴의 급수를 멱급수라고 한다.

따라서 테일러 급수는 멱급수의 특수한 형태이다.

수렴반경 (Radius of convergence)

위와 같은 멱급수에 대해서 ∣x−c∣<R|x-c|<R 에서 절대 수렴하고 ∣x−c∣>R|x-c|>R 에서 발산할 때, RR을 수렴반경이라고 한다.

경계 ∣x−c∣=R|x-c|=R에서의 수렴 여부는 별도로 판단한다.

특히 멱급수

∑n=0∞an(x−c)n\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-c)^n

의 계수 ana_n에 비율판정법 또는 근판정법을 적용하여 얻은 값을 LL이라 하면,

R=1LR=\frac{1}{L}

이다.

비율판정법 (Ratio Test)

급수 ∑an\sum a_n에 대하여

L=lim⁡n→∞∣an+1an∣L=\lim_{n\to\infty}\left| \frac{a_{n+1}}{a_n}\right|

이라 하면,

L<1⇒절대수렴L>1⇒발산L=1⇒판정 불가능\begin{aligned} L<1 &\Rightarrow \text{절대수렴} \\ L>1 &\Rightarrow \text{발산} \\ L=1 &\Rightarrow \text{판정 불가능} \end{aligned}

근판정법 (Cauchy’s root Test)

급수 ∑an\sum a_n에 대하여

L=lim sup⁡n→∞∣an∣nL=\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}

이 존재한다고 하자. 그러면,

L<1⇒절대수렴L>1⇒발산L=1⇒판정 불가능\begin{aligned} L<1 &\Rightarrow \text{절대수렴} \\ L>1 &\Rightarrow \text{발산} \\ L=1 &\Rightarrow \text{판정 불가능} \end{aligned}

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