小学算数1201030 views
高校国語788606 views
高校物理160543 views
Computer368461 views
中学社会669002 views
中学理科1631220 views
MathPython498072 views
高校倫理1440914 views
世界の国564972 views
高校生物551985 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsLinux CommandsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalUniversity Entrance Exam MathColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesUniversity Entrance Exam Physics解析力学Quantum MechanicsStatistical MechanicsRelativityCelestial MechanicsAstrophysicsCosmologyElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

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 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。

HTML
CSS
JavaScript
<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。

微分は係数に n を掛ける

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。

積分は係数を n で割る

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、 で収束し、 のとき となる。

証明。 と置く。 は有界なので 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、 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。 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。

HTML
CSS
JavaScript
<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

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 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

の項まで展開せよ。

解答 15

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

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。

参考文献

Power series
Abel's theorem
Cauchy product
Binomial series
Taylor series
Leibniz formula for pi
Machin-like formula
Generating function
Fibonacci sequence
Power Series, Paul's Online Notes
Power Series and Functions, Paul's Online Notes
Potenzreihe
Abelscher Grenzwertsatz
Binomische Reihe
Erzeugende Funktion
Leibniz-Reihe
Série entière
Théorème d'Abel
Série génératrice
Formule de Machin
幂级数
阿贝尔定理
母函数
斐波那契数
べき級数の和を閉じた形にする作業は、等比級数を微分・積分・掛け算で移し替えることに尽きる。項別操作が使える範囲と端点の扱いを区別し、母関数や係数比較で漸化式・微分方程式を解くところまで進む。