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 で 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。 で 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 で 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 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。 の 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。 は と 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。 は に収束します。 で 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。 や や 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。 を 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 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。 は で収束しますが、微分した は で発散する。
問題 14:2 つの級数の積
収束半径が と 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。 と 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。
正の端点で発散、負の端点で収束。 が代表です。
両端で絶対収束します。 が収束するためです。
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。
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。
よくある誤り
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。









比をとると cncn+1=(n+1)n+1n!(n+1)!nn=(n+1n)n→e1 です。半径はその逆数で e になります。問題 3 の級数と分子分母が入れかわった形です。