Linearism › 미적분학 › CA.12

12장. 테일러 급수

미적분학 · 4부. 급수

심화 · 약 15분 · 연습문제 6 · 그림 1

요약

거듭제곱급수와 수렴 반지름, 항별 미분·적분, 테일러 다항식과 나머지, 주요 함수의 매클로린 급수, 오일러 공식

6장의 선형근사는 함수를 접선(1차식)으로 어림했습니다. 더 높은 차수의 다항식으로 어림하면 더 정확해지고, 차수를 끝없이 올리면 많은 함수가 “무한 차수의 다항식”, 곧 거듭제곱급수와 같아집니다. 계산기가 sin⁡\sin과 exe^x를 계산하는 방법이고, 복소수로 넓히면 오일러 공식 eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta가 나옵니다.

12.1 거듭제곱급수

정의 12.1. ∑n=0∞cn(x−a)n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty c_n(x - a)^n 꼴의 급수를 aa를 중심으로 하는 거듭제곱급수(power series)라 합니다.

정리 12.2 (수렴 반지름). 거듭제곱급수마다 0≤R≤∞0 \le R \le \infty인 RR이 있어, ∣x−a∣<R|x - a| < R이면 절대수렴하고 ∣x−a∣>R|x - a| > R이면 발산합니다. RR을 수렴 반지름(radius of convergence)이라 합니다. 끝점 ∣x−a∣=R|x - a| = R은 따로 살펴야 합니다.

RR은 보통 비 판정으로 구합니다: lim⁡∣cn+1cn∣=L\lim\left|\frac{c_{n+1}}{c_n}\right| = L이면 R=1/LR = 1/L.

예제 12.3. ∑xn\sum x^n은 R=1R = 1이고 ∣x∣<1|x| < 1에서 11−x\frac1{1 - x}입니다(등비급수). ∑xnn!\sum\frac{x^n}{n!}은 1/(n+1)!1/n!=1n+1→0\frac{1/(n+1)!}{1/n!} = \frac1{n+1} \to 0이라 R=∞R = \infty입니다.

정리 12.4 (항별 미분·적분). 수렴 반지름 안에서 거듭제곱급수는 항별로 미분하고 적분할 수 있고, 수렴 반지름은 그대로입니다.

예제 12.5. 11+x=1−x+x2−⋯\frac1{1 + x} = 1 - x + x^2 - \cdots를 항별 적분하면 ln⁡(1+x)=x−x22+x33−⋯\ln(1 + x) = x - \frac{x^2}2 + \frac{x^3}3 - \cdots (∣x∣<1|x| < 1, 끝점 x=1x = 1에서도 성립하여 ln⁡2=1−12+13−⋯\ln 2 = 1 - \frac12 + \frac13 - \cdots). 11+x2=1−x2+x4−⋯\frac{1}{1 + x^2} = 1 - x^2 + x^4 - \cdots를 적분하면 arctan⁡x=x−x33+x55−⋯\arctan x = x - \frac{x^3}3 + \frac{x^5}5 - \cdots이고, x=1x = 1이면 π4=1−13+15−⋯\frac\pi4 = 1 - \frac13 + \frac15 - \cdots(라이프니츠)입니다.

12.2 테일러 다항식

ff와 aa에서의 값, 도함수, 이계도함수, …가 모두 같은 다항식을 찾습니다.

정의 12.6. ff의 aa에서의 nn차 테일러 다항식(Taylor polynomial)은

Tn(x)=∑k=0nf(k)(a)k!(x−a)k=f(a)+f′(a)(x−a)+f′′(a)2(x−a)2+⋯ .T_n(x) = \sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x - a)^k = f(a) + f'(a)(x - a) + \frac{f''(a)}{2}(x - a)^2 + \cdots.

a=0a = 0이면 매클로린 다항식(Maclaurin polynomial)이라 합니다. T1T_1은 6장의 선형근사입니다.

계수가 f(k)(a)k!\frac{f^{(k)}(a)}{k!}인 이유: (x−a)k(x - a)^k를 kk번 미분하면 k!k!이 나오므로, Tn(k)(a)=f(k)(a)T_n^{(k)}(a) = f^{(k)}(a)가 되려면 그 계수로 나눠야 합니다.

차수를 올리면 근사 다항식이 원래 함수에 붙어 있는 범위가 넓어집니다

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정리 12.7 (테일러 정리, 라그랑주 나머지). ff가 n+1n + 1번 미분 가능하면 f(x)=Tn(x)+Rn(x)f(x) = T_n(x) + R_n(x)이고, xx와 aa 사이의 어떤 cc에 대해

Rn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(x−a)n+1.R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n + 1)!}(x - a)^{n+1}.

n=0n = 0이면 평균값 정리(5장)입니다. 나머지를 막으면 근사의 오차를 보장할 수 있습니다.

예제 12.8. e0.1e^{0.1}을 T2T_2로 어림하면 1+0.1+0.005=1.1051 + 0.1 + 0.005 = 1.105이고, 오차는 ec3!(0.1)3≤e0.16⋅0.001<0.0002\frac{e^c}{3!}(0.1)^3 \le \frac{e^{0.1}}{6}\cdot0.001 < 0.0002입니다. (실제 1.10517…1.10517\ldots)

12.3 테일러 급수

n→∞n \to \infty에서 Rn(x)→0R_n(x) \to 0이면 ff는 그 테일러 급수와 같습니다.

정리 12.9 (주요 매클로린 급수).

ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+⋯(R=∞)sin⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+1(2n+1)!=x−x33!+x55!−⋯(R=∞)cos⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n(2n)!=1−x22!+x44!−⋯(R=∞)11−x=∑n=0∞xn(R=1)ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n+1xnn(R=1)\begin{aligned} e^x &= \sum_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots & (R = \infty)\\ \sin x &= \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{(2n+1)!} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots & (R = \infty)\\ \cos x &= \sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n}}{(2n)!} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots & (R = \infty)\\ \frac{1}{1 - x} &= \sum_{n=0}^\infty x^n & (R = 1)\\ \ln(1 + x) &= \sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}x^n}{n} & (R = 1) \end{aligned}

증명 (exe^x). 모든 도함수가 exe^x이므로 계수는 1n!\frac1{n!}입니다. 나머지는 ∣Rn(x)∣≤e∣x∣∣x∣n+1(n+1)!|R_n(x)| \le \frac{e^{|x|}|x|^{n+1}}{(n+1)!}이고, 계승이 어떤 거듭제곱보다 빨리 커지므로 0으로 갑니다. □

sin⁡\sin은 기함수라 홀수 차수만, cos⁡\cos은 우함수라 짝수 차수만 있습니다. 항별 미분하면 (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x가 급수에서도 확인됩니다.

12.4 급수의 활용

극한. lim⁡x→0sin⁡x−xx3=lim⁡−x3/6+x5/120−⋯x3=−16\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{\sin x - x}{x^3} = \lim\frac{-x^3/6 + x^5/120 - \cdots}{x^3} = -\frac16. 로피탈 정리를 세 번 쓰는 것보다 빠릅니다.

적분. 원시함수를 초등함수로 쓸 수 없는 e−x2e^{-x^2}도 급수로는 적분됩니다:

∫01e−x2dx=∫01(1−x2+x42−x66+⋯ )dx=1−13+110−142+⋯≈0.7468.\int_0^1e^{-x^2}dx = \int_0^1\left(1 - x^2 + \frac{x^4}{2} - \frac{x^6}{6} + \cdots\right)dx = 1 - \frac13 + \frac1{10} - \frac1{42} + \cdots \approx 0.7468.

12.5 오일러 공식

exe^x의 급수에 x=iθx = i\theta(i2=−1i^2 = -1)를 넣고 실수부와 허수부를 모으면

eiθ=1+iθ−θ22!−iθ33!+θ44!+⋯=(1−θ22!+⋯ )+i(θ−θ33!+⋯ )e^{i\theta} = 1 + i\theta - \frac{\theta^2}{2!} - i\frac{\theta^3}{3!} + \frac{\theta^4}{4!} + \cdots = \left(1 - \frac{\theta^2}{2!} + \cdots\right) + i\left(\theta - \frac{\theta^3}{3!} + \cdots\right)

이므로

정리 12.10 (오일러 공식). eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta. 특히 eiπ+1=0e^{i\pi} + 1 = 0.

지수함수와 삼각함수가 복소수에서는 하나라는 이 공식이 푸리에 해석의 출발점이고, 복소해석학에서 본격적으로 다룹니다.

쓰이는 곳. 최적화의 이차 근사(뉴턴 방법), 활성화 함수와 손실 함수의 근사, 물리의 섭동 이론, 계산기가 sin⁡\sin, exe^x를 계산하는 방법이 테일러 급수입니다. 오일러 공식은 푸리에 해석과 교류 회로의 출발점입니다.

12.6 이 장의 요약

  • 거듭제곱급수는 수렴 반지름 안에서 다항식처럼 미분·적분할 수 있습니다.
  • Tn=∑f(k)(a)k!(x−a)kT_n = \sum\frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x - a)^k, 오차 f(n+1)(c)(n+1)!(x−a)n+1\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x - a)^{n+1}.
  • exe^x, sin⁡x\sin x, cos⁡x\cos x의 급수는 모든 xx에서 수렴합니다. eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta.

문제

12.1 [계산] · 확인 문제

f(x)=e2xf(x) = e^{2x}의 매클로린 급수 ∑cnxn\sum c_nx^n의 계수를 씁니다.

계수 값
c0c_0 [?]
c1c_1 [?]
c2c_2 [?]
c3c_3 [?]
정답
1
2
2
4/3
풀이

e2x=∑(2x)nn!e^{2x} = \sum\frac{(2x)^n}{n!}이므로 cn=2nn!c_n = \frac{2^n}{n!}: 1,2,2,86=431, 2, 2, \frac86 = \frac43.

12.2 [계산] · 확인 문제

∑n=0∞(x−3)n2n\sum_{n=0}^\infty\dfrac{(x - 3)^n}{2^n}의 수렴 반지름은?

정답
2
풀이

등비급수로 ∣x−32∣<1\left|\frac{x - 3}{2}\right| < 1, 곧 ∣x−3∣<2|x - 3| < 2에서 수렴하므로 R=2R = 2입니다.

12.3 [계산] · 확인 문제

급수로 구한 lim⁡x→0ex−1−x−x2/2x3\displaystyle\lim_{x\to0}\frac{e^x - 1 - x - x^2/2}{x^3}은?

정답
1/6
풀이

분자는 x36+x424+⋯\frac{x^3}{6} + \frac{x^4}{24} + \cdots이므로 극한은 16\frac16입니다.

12.4 [계산]

cos⁡x\cos x의 4차 매클로린 다항식으로 cos⁡(0.5)\cos(0.5)를 어림한 값은? (소수 다섯째 자리까지)

정답
0.87760
풀이

1−0.252+0.062524=1−0.125+0.0026042=0.87760421 - \frac{0.25}2 + \frac{0.0625}{24} = 1 - 0.125 + 0.0026042 = 0.8776042입니다. 실제 값은 0.8775826…0.8775826\ldots입니다.

12.5 [계산]

∑n=0∞1n!\sum_{n=0}^\infty\dfrac{1}{n!}의 값은? (소수 넷째 자리까지)

정답
2.7183
풀이

exe^x의 급수에 x=1x = 1을 넣은 것이므로 e≈2.7183e \approx 2.7183입니다.

12.6 [증명]

오일러 공식에서 cos⁡θ=eiθ+e−iθ2\cos\theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2}, sin⁡θ=eiθ−e−iθ2i\sin\theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}를 유도합니다.

풀이

eiθ=cos⁡θ+isin⁡θe^{i\theta} = \cos\theta + i\sin\theta이고 θ\theta에 −θ-\theta를 넣으면 cos⁡\cos은 우함수, sin⁡\sin은 기함수이므로 e−iθ=cos⁡θ−isin⁡θe^{-i\theta} = \cos\theta - i\sin\theta입니다. 두 식을 더해 2로 나누면 cos⁡θ\cos\theta, 빼서 2i2i로 나누면 sin⁡θ\sin\theta가 나옵니다.