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English

収束するのはどこまでか、べき級数の収束半径と端点の判定

べき級数は、中心からある距離までは収束し、それを超えると発散します。境目の距離が収束半径で、係数の伸び方だけで決まる[1]

半径そのものは比か根で出ます。手間がかかるのは、収束するか発散するかが半径では決まらない端点のほうです。

以下は 問です。比と根の使い分けから始め、欠けた級数、中心をずらした級数、上極限が要る場合、複素の特異点で半径が決まる例まで並べました。

半径を出す 2 つの式

コーシー・アダマールの公式は上極限で書かれます。どんな級数にも当てはまる形です[1]

比のほうは、極限が存在する場合だけ使えます。そのかわり計算は楽です。

階乗や指数が入っていれば比、 のべきや根号が入っていれば根、と選ぶと早い。どちらでも出る場合は比を選びます。

問題 1:階乗が分母にある

の収束半径を求めよ。

解答 1

です。比をとると階乗が約分されます。

で、すべての実数と複素数で収束します。 の展開なので、当然の結果です。

問題 2:階乗が分子にある

の収束半径を求めよ。

解答 2

比が逆になります。 です。

で、収束するのは だけ。中心以外のどこでも発散します。

半径が の級数も定義としては認められます。関数を表さないので、形式的べき級数として扱う場面のもの。

問題 3:根を使う

の収束半径を求めよ。

解答 3

乗根をとります。スターリングの近似 を使う。

です。実際に計算すると となり、 へゆっくり近づきます。

この級数は比でも出ます。 を使う形になり、手間はどちらも同じくらいです。

問題 4:中央二項係数

の収束半径を求めよ。

解答 4

比をとります。階乗が大きく約分されます。

です。 となり、 に近づいています。

この級数の和は で、 で分母が消えます。半径がその点までなのは自然な結果です。

問題 5:端点で挙動が分かれる

の収束域を求めよ。

解答 5

なので です。端点を別に調べます。

では で、調和級数なので発散します。 では交代級数となり、ライプニッツの判定から収束する。

収束域は です。同じ半径の両端で答えが分かれました[1]

和は で、 で発散し になります。級数の挙動と一致しています。

問題 6:多項式の係数

の収束半径を求めよ。

解答 6

比をとります。

です。分子の多項式は半径に効きません。 だからです。

半径を決めるのは指数の のほうです。多項式は何次でも 乗根が に行くので、無視できます。

問題 7:中心が 0 でない

の収束域を求めよ。

解答 7

と置きます。 です。

端点を調べます。 では で、 と比べて収束する。 では絶対収束します。

収束域は 、つまり です。 の範囲に戻すのを忘れないようにします。

係数が で減るときは、端点でも絶対収束します。 乗で減る場合と挙動が変わる点です。

問題 8:項が飛んでいる級数

の収束半径を求めよ。

解答 8

奇数次の係数が なので、比の分母が消えて使えません。 と置きかえます。

は等比級数で、 で収束します。 に戻すと です。

置きかえで直せない形なら、根の公式を使います。 は偶数次で 、奇数次で となり、上極限は です。

問題 9:上極限が要る例

が偶数)、 が奇数)とした級数の収束半径を求めよ。

解答 9

比は極限を持ちません。偶数から奇数へ移るとき 、奇数から偶数へ移るとき です。

根なら問題なく出ます。 を交互にとり、上極限は です。

確かめます。 では奇数番目の項が のままで、 に行きません。 なら偶数番目も奇数番目も等比で押さえられます。

比が使えるのは極限が存在する場合だけ。上極限の公式はどんな場合でも通ります[1]

問題 10:対数を含む係数

の収束半径を求めよ。

解答 10

根をとります。 に収束します。 です。

になります。 と同じ事情で、対数も多項式も半径には効きません。

半径に効くのは指数的に伸び縮みする部分だけ。 が入っていないかを先に見ます。

問題 11:分母に指数と n がある

の収束域を求めよ。

解答 11

比から です。端点を調べます。

では となり発散します。 では交代級数となり収束する。

収束域は です。 で書き直した形なので、問題 と同じ挙動になります。

問題 12:実軸に特異点がないのに半径が有限

のまわりの展開について、収束半径を求めよ。

解答 12

幾何級数から で、、つまり です。

実数の範囲では、この関数はどこでも定義されていてなめらかです。それでも では級数が発散する。

理由は複素数の側にあります。 で分母が になり、中心からの距離が です[1]

収束半径は、中心から最も近い特異点までの距離に等しくなります。実軸だけを見ていると説明がつかない現象です。

問題 13:項別微分と半径

の収束半径が のとき、項別に微分した級数の収束半径を求めよ。

解答 13

微分した級数は です。係数に が掛かりました。

根をとると で、 です。上極限は変わりません。

半径は のままです。積分しても同じで、係数に が掛かるだけなので変わりません。

端点での挙動は変わります。 で収束しますが、微分した で発散する。

問題 14:2 つの級数の積

収束半径が の級数を掛けたとき、積の収束半径はどうなるか。

解答 14

コーシー積は 以上の半径を持ちます。どちらの円の内側でも両方が絶対収束するので、積も収束するからです。

等号になるとは限りません。 はどちらも半径 ですが、積は で半径が になる。

特異点が打ち消し合うと半径が伸びます。積のほうが素直な関数になる場合です。

半径だけでは決まらないこと

端点の挙動は係数の細かい形で決まります。半径を出したところで、まだ 点残っている。

係数が で減る

正の端点で発散、負の端点で収束。 が代表です。

係数が で減る

両端で絶対収束します。 が収束するためです。

係数が減らない

両端で発散します。項が に行かないので、収束の必要条件を満たしません。

係数が符号を振る

上極限の公式で半径を出します。比は極限を持たないことがあります。

端点の判定は、 に値を入れて数の級数として調べる。べき級数の問題ではなく、級数の収束判定の問題に変わります。

の収束半径はどれですか。

__RESULT__

比をとると です。半径はその逆数で になります。問題 の級数と分子分母が入れかわった形です。

よくある誤り

端点を調べずに収束域を答える。半径を出しても 点が残ります。
中心をずらした級数で の範囲に戻し忘れる。 を解いてから答えます。
項が飛んでいる級数に比をそのまま当てる。 で割ることになるので、置きかえるか根を使います。
多項式や対数の係数が半径に効くと思う。 乗根が に行くので効きません。
比が使えない場合に上極限へ切りかえない。極限がないときは根の公式です。
実軸だけ見て半径を説明しようとする。 は複素の特異点で決まります。
項別微分で半径が変わると思う。半径は同じで、端点の挙動だけが変わります。

半径は係数の指数的な伸びだけで決まり、端点は別問題。この 段構えで見れば、どの級数でも手順は同じです。

参考文献

[1] が収束半径の定義・コーシー・アダマールの公式・比による式・端点の挙動・特異点との関係、[2] がドイツ語での定式化、[3] がべき級数と項別微分、[4] がスターリングの近似、[5] がコーシー積です。

Radius of convergence - Wikipedia
Konvergenzradius - Wikipedia
Power series - Wikipedia
Stirling's approximation - Wikipedia
Cauchy product - Wikipedia
半径は係数の指数的な伸びだけで決まります。階乗や指数が入っていれば比、$n$ のべきや根号が入っていれば根。多項式や対数の係数は $n$ 乗根が $1$ に行くので効きません。$14$ 問を通して、項が飛んでいる級数で比が使えない場合、比が極限を持たず上極限が要る場合、中心をずらしたときに $x$ の範囲へ戻す手順を扱いました。実軸に特異点がない $\dfrac{1}{1+x^2}$ の半径が $1$ になるのは $\pm i$ のため。半径を出しても端点の $2$ 点は別問題として残ります。