수학 개념 지도
급수(Series)

수렴반경(Radius of convergence)

테일러 급수⁠(Taylor series)⁠가 수렴⁠(convergence)⁠하는 범위의 반지름. 중심에서 가장 가까운 복소평면⁠(complex plane)⁠의 특이점⁠(singularity)⁠까지의 거리와 같다(1/(1+x²)처럼 특이점이 극뿐이면 가장 가까운 극까지의 거리).

R=min⁡p ∈ 극∣p−c∣R = \min_{p\,\in\,\text{극}} |p - c|
먼저 보면 좋은 개념테일러 급수영점과 극

f(x)=11+x2f(x) = \dfrac{1}{1+x^2}은 실수⁠(real number)⁠ 어디서나 매끄럽고 유한합니다. 그런데 중심 c=c = 에서 만든 테일러 급수를 n=n = 차까지 올려 보면, 녹색 띠 안에서는 차수를 올릴수록 참값에 다가가지만(수렴), 띠 밖에서는 차수를 올릴수록 오히려 크게 빗나갑니다.

실수축만 봐서는 이유가 보이지 않습니다. 오른쪽 복소평면을 보세요. 이 함수⁠(function)⁠는 z=±iz = \pm i에서 분모가 0이 되는 극을 가집니다. 테일러 급수는 중심을 둘러싼 원판에서 수렴하고, 그 원판은 가장 가까운 극에 닿을 때까지만 커질 수 있습니다. 극에서는 함수가 무한대로 달아나니 원판이 극을 품을 수 없고, 복소수⁠(complex number)⁠에서 미분⁠(differentiation)⁠가능한 함수라면 극에 닿기 전까지의 원판 안에서는 급수⁠(series)⁠가 함수와 정확히 같습니다. 수렴반경은 R=1+c2=R = \sqrt{1 + c^2} = 이고, 실수축은 그 원판의 지름을 지나갈 뿐입니다.

중심을 옮기면 극까지의 거리가 바뀌어 수렴 구간의 폭도 바뀝니다. 실수 함수의 행동을 복소수가 설명하는 대표적인 예입니다. 극의 모양은 도메인 컬러링⁠(domain coloring)⁠으로 보면 선명합니다.

수렴반경의 원형은 등비급수⁠(geometric series)⁠입니다. 1/(1−x) = 1 + x + x² + ⋯는 x = 1의 극까지의 거리, 곧 반지름 1 안에서만 수렴합니다.

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