べき級数の計算問題|項別微分・項別積分・コーシー積・母関数
べき級数の計算は、次の 1 本を出発点にして、微分・積分・掛け算で別の級数へ移す作業である。
べき級数は収束半径の内部で項別に微分でき、項別に積分できる。この事実と等比級数があれば、以下の問題はほとんど片づく。
操作のたびに収束域が変わるので、そこだけは毎回確かめる。
問題 1:等比級数を微分する
の和を求めよ()。
解答 1
等比級数の両辺を で微分する。項別微分は収束半径の内部で許される。
左辺で を と置き直せば、求める形になる。
両辺に を掛けた次の形も、あとで繰り返し使う。
係数に が掛かった級数は、微分で作る。これが基本の型である。
問題 2:微分をもう一度使う
の和を求めよ()。
解答 2
「微分して を掛ける」という操作は、係数に を 1 つ掛ける働きをする。問題 1 の結果にもう一度かける。
両辺に を掛ける。
でも でも、同じ操作を繰り返せばよい。1 回ごとに分母の次数が 1 つ上がる。
問題 3:数値を代入する
を求めよ。
解答 3
は収束域の内部にあるので、問題 1 の式にそのまま代入できる。
一般項に と指数関数が混ざった数値級数は、いったん の関数に戻すと閉じた値が出る。
問題 4:2 乗の場合を計算する
を求めよ。
解答 4
問題 2 の式に を代入する。
分子が の多項式である限り、同じやり方でいつでも値が求まる。
問題 5:項別積分で逆正接を作る
の和を求めよ。
解答 5
公比 の等比級数から始める。
から まで項別に積分する()。左辺の積分は である。
この等式が保証されるのは、いまのところ に限る。端点の でも級数自体は交代級数として収束するが、そこで等号が成り立つかは別の問題である。
<svg viewBox="0 0 460 170" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
<line x1="70" y1="95" x2="390" y2="95" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
<line x1="110" y1="95" x2="350" y2="95" stroke="#1b81e0" stroke-width="3"></line>
<line x1="230" y1="90" x2="230" y2="100" stroke="#9a9a9a" stroke-width="1"></line>
<circle cx="110" cy="95" r="4" fill="#ffffff" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></circle>
<circle cx="350" cy="95" r="4" fill="#ffffff" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></circle>
<text x="55" y="26" font-size="11" fill="#1f1f1f">収束半径の内部と端点では、できることが違う</text>
<text x="146" y="82" font-size="11" fill="#1b81e0">項別に微分・積分してよい</text>
<text x="104" y="118" font-size="11" fill="#9a9a9a">-1</text>
<text x="226" y="118" font-size="11" fill="#9a9a9a">0</text>
<text x="346" y="118" font-size="11" fill="#9a9a9a">1</text>
<text x="55" y="152" font-size="11" fill="#d0562a">白丸の端点は、そこだけ別に調べる必要がある</text>
</svg>問題 6:対数の級数を作る
の和を求め、 の値を出せ。
解答 6
等比級数を から まで項別積分する。
を代入すれば値が出る。
係数を で割った級数は、積分で作る。掛けるときが微分、割るときが積分と覚えておけばよい。
を微分して を掛けると になる。係数の増え方を強めたいときに使う。何回でも繰り返せて、そのたびに分母の次数が上がる。
を から まで積分すると になる。係数の増え方を弱めたいときに使う。対数や逆正接は、この向きで等比級数から現れる。
どちらの操作も収束半径を変えない。変わるのは端点での振る舞いだけである。
問題 7:端点で等号が成り立つか
の級数に を代入して としてよいか。
解答 7
項別積分が保証するのは での等式だけなので、代入しただけでは根拠にならない。ここで使うのがアーベルの定理である。
定理(アーベル)。 が収束するなら、 は で収束し、 のとき となる。
証明。、 と置く。 は有界なので で は収束する。 と約束して差を取る。
とし、 を使って を引く。
を取り、 で となる を選ぶ。右辺を の前後で切る。後半は次のように押さえられる。
前半は有限個の和なので、 で因子 が効いて に近づく。したがって に十分近い では となる。
ライプニッツの級数 は交代級数として収束するので、この定理が使える。 は で連続だから、両側の極限が一致して等号が言える。
端点での代入には、級数がそこで収束することと、この定理の 2 つが要る。
問題 8:円周率を実際に計算する
上の級数で を求めるとき、どれくらいの項数が必要か。速い級数はあるか。
解答 8
交代級数の打ち切り誤差は、次に足す項の絶対値以下である。 項で止めると の誤差は 以下になる。
誤差を 未満にするだけで 、つまり 200 項ほど要る。桁を 1 つ増やすたびに項数が 10 倍になり、実用にならない。
の級数は引数が小さいほど速く収束する。 を使うと、次の形が得られる。
項が の速さで減るので、10 項で誤差が を下回る。
引数をさらに小さくしたのがマチンの公式である。
正しさは正接の加法定理で確かめられる。 と置くと 、 となり、 が出る。
引数の小さい逆正接に分解するこの形が、計算機以前から実用に使われた。級数は同じでも、代入する点を選ぶだけで速さが変わる。
<svg viewBox="0 0 460 240" width="100%" style="max-width:460px;display:block;margin:0 auto">
<line x1="70" y1="110" x2="410" y2="110" stroke="#9a9a9a" stroke-width="1" stroke-dasharray="4 3"></line>
<line x1="70" y1="185" x2="410" y2="185" stroke="#c8c8c8" stroke-width="1"></line>
<polyline points="80,58 114,139 148,91 182,125 216,98 250,120 284,102 318,118 352,103 386,116" fill="none" stroke="#d0562a" stroke-width="1.5"></polyline>
<polyline points="80,91 114,114 148,109 182,110 216,110 250,110 284,110" fill="none" stroke="#1b81e0" stroke-width="1.5"></polyline>
<circle cx="386" cy="116" r="3" fill="#d0562a"></circle>
<circle cx="284" cy="110" r="3" fill="#1b81e0"></circle>
<text x="55" y="26" font-size="11" fill="#1f1f1f">同じ級数でも、代入する点を小さくすると収束が速くなる</text>
<text x="298" y="88" font-size="11" fill="#1b81e0">3 の累乗で減る級数</text>
<text x="240" y="152" font-size="11" fill="#d0562a">ライプニッツの級数</text>
<text x="414" y="114" font-size="11" fill="#9a9a9a">π</text>
<text x="76" y="203" font-size="11" fill="#9a9a9a">1</text>
<text x="212" y="203" font-size="11" fill="#9a9a9a">5</text>
<text x="382" y="203" font-size="11" fill="#9a9a9a">10</text>
<text x="55" y="228" font-size="11" fill="#9a9a9a">横軸は足した項数、破線が真の値</text>
</svg>問題 9:べき級数どうしを掛ける
をべき級数で表せ()。
解答 9
では絶対収束するので、コーシー積を取ってよい。係数は添字の和が になる組み合わせを全部足したものである。
したがって となり、問題 1 で求めた と一致する。
を 2 乗した結果と、係数を数え上げた結果が合う。掛け算を係数の側から見ると、組み合わせの数を数える作業になる。
問題 10:積で恒等式を確かめる
と の級数の積が になることを、係数の計算で確かめよ。
解答 10
どちらもすべての で絶対収束するので、コーシー積を取ってよい。
右の和は二項定理から に等しい。 では 、 では である。
よって積は定数 になる。指数法則を、係数の側から見た形である。
問題 11:部分分数分解で係数を出す
をべき級数に展開し、収束半径を述べよ。
解答 11
分母は と因数分解できる。部分分数に分ける。
通分すると となり、確かに元に戻る。それぞれを等比級数に直して足す。
2 つの等比級数が収束するのは と である。両方が要るので収束半径は になる。
有理関数の展開はこの手順で必ず求まる。分母の零点のうち、原点にいちばん近いものが収束半径を決める。
問題 12:漸化式から母関数を作る
、、 で定まる数列について、 を閉じた形で表せ。
解答 12
漸化式の形に合わせて 、、 を並べ、引き算する。
の項は漸化式からすべて になる。残るのは の分で、 である。
分母の零点は である。原点に近いほうの絶対値が なので、これが収束半径になる。
数列の側の情報が、1 つの関数に畳み込まれた形である。
問題 13:母関数から一般項を出す
問題 12 の を部分分数に分けて、 の閉じた式を求めよ。
解答 13
、 と置く。、 だから、分母は次のように分解できる。
を使って部分分数に分ける。
右辺の 2 つを等比級数に直し、 の係数を比べる。
漸化式で定義された数列の一般項が、べき級数の係数比較から出てくる。 なので、 が大きいところでは にほぼ等しい。
問題 14:係数比較で微分方程式を解く
、 をべき級数で解け。
解答 14
と置き、両辺を展開する。
の係数を比べると である。()の係数を比べると、次の漸化式が出る。
から奇数番号はすべて になる。偶数番号は から順に 、、 と決まり、 である。
微分方程式を、係数の漸化式に翻訳するのがこの解き方の要点である。
問題 15:二項級数を導く
を の項まで展開せよ。
解答 15
は を満たす。 と置いて係数を比べると、次の漸化式が出る。
から順に決まり、係数は二項係数を実数の指数へ広げた形になる。
を入れて係数を計算する。
で 3 項まで取ると になる。真の値は で、小数第 5 位まで合っている。
問題 16:級数から関数を特定する
が と を満たすことを確かめ、 を決定せよ。
解答 16
項別微分して添字をずらすと、元の級数に戻る。
では の項だけが残るので である。
解が に限ることも示せる。 と置くと、積の微分から になる。 は定数で、 だから である。
級数を先に与え、それが満たす微分方程式から関数を言い当てる。母関数の考え方と同じ向きの議論である。










