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아벨 극한 정리

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1. 개요

아벨 극한 정리는 멱급수의 극한에 대한 정리로, 급수가 수렴하는 경우 수렴 반지름의 경계점에서 멱급수의 극한을 구할 수 있게 해준다. 이 정리는 실수 멱급수와 복소수 멱급수에 대해 각각 다른 형태로 나타나며, 멱급수가 수렴하는 경우 경계점에서 연속성을 보장한다. 아벨 극한 정리는 급수를 적분으로 변환하거나, 수렴반경이 1인 경우에도 극한을 구하는 등 다양한 응용 분야에서 활용된다. 이 정리의 역은 타우버 정리로 알려져 있으며, 발산 급수 및 합산 방법에 대한 연구와도 관련이 깊다.

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아벨 극한 정리
개요
분야수학
하위 분야해석학
이름의 유래닐스 헨리크 아벨
내용
종류멱급수
관련 정리균등 수렴
관련 인물
주요 관련 인물닐스 헨리크 아벨

2. 정의

아벨 극한 정리는 멱급수의 수렴과 관련된 중요한 정리이다. 이 정리는 실수 멱급수와 복소수 멱급수, 두 가지 경우로 나누어 설명할 수 있다.

실수 멱급수의 경우, 중심이 0이고 수렴 반지름이 0인 멱급수

:\sum_{n=0}^\infty a_nx^n\qquad(a_0,a_1,a_2,\dots\in\mathbb R)

를 생각하자. 만약 \sum_{n=0}^\infty a_nr^n이 수렴하면, 다음이 성립한다.[6]

:\lim_{x\to r^-}\sum_{n=0}^\infty a_nx^n=\sum_{n=0}^\infty a_nr^n

즉, xr에 왼쪽에서 접근할 때 멱급수의 극한값이 \sum_{n=0}^\infty a_nr^n과 같아진다. 마찬가지로, \sum_{n=0}^\infty a_n(-r)^n이 수렴하면, 다음이 성립한다.[6]

:\lim_{x\to(-r)^+}\sum_{n=0}^\infty a_nx^n=\sum_{n=0}^\infty a_n(-r)^n

즉, x-r에 오른쪽에서 접근할 때 멱급수의 극한값이 \sum_{n=0}^\infty a_n(-r)^n과 같아진다.

복소수 멱급수의 경우,

:G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k

와 같이 표현되는 멱급수를 생각하자. 이 경우, z가 1로 접근할 때, "슈톨츠 각(Stolz angle)" 내에서 접근하는 경우에만 아벨 극한 정리가 성립한다. 슈톨츠 각은

20개의 Stolz 섹터, M은 1.01부터 10까지입니다. 빨간색 선은 오른쪽 끝의 원뿔에 대한 접선입니다.
그림과 같이 복소 평면에서 1을 꼭짓점으로 하는 특정 각도 내의 영역을 의미하며, 수식으로는 |1-z| \leq M(1-|z|) (M > 1인 상수)로 표현된다.

이 정리는 멱급수가 수렴하는 경계점에서의 극한값을 구하는 데 유용하게 사용된다.

2. 1. 실수 멱급수의 경우

중심이 0인 실수 멱급수

:\sum_{n=0}^\infty a_nx^n\qquad(a_0,a_1,a_2,\dots\in\mathbb R)

의 수렴 반지름이 0이라고 하자. '''아벨 극한 정리'''에 따르면, 만약

:\sum_{n=0}^\infty a_nr^n

이 수렴한다면, 다음이 성립한다.[6]

:\lim_{x\to r^-}\sum_{n=0}^\infty a_nx^n=\sum_{n=0}^\infty a_nr^n

또한, 만약

:\sum_{n=0}^\infty a_n(-r)^n

이 수렴한다면, 다음이 성립한다.[6]

:\lim_{x\to(-r)^+}\sum_{n=0}^\infty a_nx^n=\sum_{n=0}^\infty a_n(-r)^n

테일러 급수

:G (x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k

실수 계수 a_k를 가지는 수렴반경 1인 멱급수라고 하자. 급수

:\sum_{k=0}^\infty a_k

가 수렴 급수라고 가정하자. 그러면 G(x)x = 1에서 왼쪽에서 연속이며, 즉

:\lim_{x\to 1^-} G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k.

계수 a_n, 변수 x가 실수일 때, 이 정리는 다음과 같다.

2. 2. 복소수 멱급수의 경우

테일러 급수

: G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k,

에 대해서도 이 정리는 성립하며, z \to 1이 단일 ''Stolz sector'' 내에서 완전히 이루어질 경우, 즉

: |1-z| \leq M(1-|z|)

인 어떤 고정된 유한 M > 1에 대해, 열린 원판의 영역일 경우 성립한다. 이 제한이 없으면, 극한이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 멱급수

: \sum_{n>0} \frac{z^{3^n}-z^{2\cdot 3^n}} n

z = 1에서 0으로 수렴하지만, e^{\pi i/3^n} 형태의 모든 점 근처에서는 유계 함수가 아니므로, z = 1에서의 값은 전체 열린 원판에서 z가 1로 향할 때의 극한이 아니다.

G(z)는 수렴 원판의 콤팩트 공간 부분 집합에서의 급수의 균등 수렴에 의해, t < 1에 대해 실수 닫힌 구간 [0, t]에서 연속적이다. 아벨의 정리를 통해 G(z)[0, 1]로의 제한이 연속적이라는 것을 알 수 있다.

Stolz 섹터 |1-z|\leq M(1-|z|)는 명시적인 방정식을 갖는다.

:y^2 = -\frac{M^4 (x^2 - 1) - 2 M^2 ((x - 1) x + 1) + 2 \sqrt{M^4 (-2 M^2 (x - 1) + 2 x - 1)} + (x - 1)^2}{(M^2 - 1)^2}

다양한 값에 대해 오른쪽에 표시된다.

섹터의 왼쪽 끝은 x = \frac{1-M}{1+M}이고, 오른쪽 끝은 x=1이다. 오른쪽 끝에서는 각도 2\theta를 가진 원뿔이 되며, 여기서 \cos\theta = \frac{1}{M}이다.

계수 a_n, 변수 z가 복소수일 때, 이 정리는 다음과 같이 확장된다.

\frac

{1-|z|}가 유계라는 것은, 적당한 양의 실수 M이 존재하여 \frac

{1-|z|} < M 이 성립하는 것이다. 이 조건은 "슈톨츠 각(Stolz angle)[2]에서 접근한다"라고 표현하기도 한다[3][4]. 그 기하학적인 의미는, 실수 축상의 구간 (-\infty,1)에 대칭이고 1을 꼭짓점으로 하며 그 각이 180°보다 작은 각 영역 안에 z가 있다는 것이다.

3. 증명

편의상 r=1이고[7] \sum_{n=0}^\infty a_n이 수렴한다고 가정한다. 이 경우 멱급수가 [0,1]에서 균등 수렴함을 보이는 것으로 충분하다. 두 함수열 (f_n,g_n\colon[0,1]\to\mathbb R)_{n=0}^\infty를 다음과 같이 정의한다.

:f_n(x)=a_n\qquad(x\in[0,1],\;n\ge 0)

:g_n(x)=x^n\qquad(x\in[0,1],\;n\ge 0)

그러면,

:\sum_{n=0}^\infty f_n(x)

[0,1]에서 균등 수렴하고, 임의의 x\in[0,1]에 대하여, (g_n(x))_{n=0}^\infty는 감소 수열이다. 또한, 임의의 x\in[0,1]n\ge 0에 대하여,

:|g_n(x)|\le 1

이다. 아벨 판정법에 의하여,

:\sum_{n=0}^\infty a_nx^n

[0,1]에서 균등 수렴한다.

a_0에서 상수를 빼면, \sum_{k=0}^\infty a_k=0이라고 가정할 수 있다. s_n=\sum_{k=0}^n a_k라고 하자. 그런 다음 a_k=s_k-s_{k-1}을 대입하고 급수를 간단하게 조작(부분합)하면 다음을 얻는다.

:G_a(z) = (1-z)\sum_{k=0}^{\infty} s_k z^k.

주어진 \varepsilon > 0에 대해, 모든 k \geq n에 대해 |s_k| < \varepsilon가 되도록 충분히 큰 n을 선택하고 다음을 관찰한다.

:\left|(1-z)\sum_{k=n}^\infty s_kz^k \right| \leq \varepsilon |1-z|\sum_{k=n}^\infty |z|^k = \varepsilon|1-z|\frac

< \varepsilon M

여기서 z는 주어진 Stolz 각도 내에 있다. z가 충분히 1에 가까울 때마다 다음을 얻는다.

:\left|(1-z)\sum_{k=0}^{n-1} s_kz^k \right| < \varepsilon,

따라서 z가 충분히 1에 가깝고 Stolz 각도 내에 있을 때 \left|G_a(z)\right| < (M+1) \varepsilon이다.

필요하다면 a_0에 상수를 더하여 \sum_{n=0}^{\infty}a_n=0이라고 가정해도 좋다. 제 n 부분합을 s_n이라고 쓰면, a_n=s_{n}-s_{n-1}이다. 이것을 이용하면,

:\begin{align}s_n(z)&=a_0+a_1z+\cdots+a_nz^n \\ &=s_0+(s_1-s_0)z+\cdots+(s_{n}-s_{n-1})z^n \\ &=s_0(1-z)+s_1(z-z^2)+\cdots+s_{n-1}(z^{n-1}-z^{n})+s_nz^n \\ &=(1-z)(s_0+s_1z+\cdots+s_{n-1}z^{n-1})+s_nz^n\end{align}

이 된다. s_nz^n \rightarrow 0이므로,

:f(z)=(1-z)\sum_{n = 0}^{\infty} s_nz^n=(1-z)\sum_{n = 0}^{m-1} s_nz^n + (1-z)\sum_{n = m}^{\infty} s_nz^n

으로 나타낼 수 있다. s_n \rightarrow 0이므로, 임의의 양의 실수 ε에 대해 충분히 큰 m 이후의 항 s_n|s_n|<\varepsilon으로 만들 수 있으므로, 충분히 큰 m 이후의 항의 합의 절대값 \left|\sum_{n = m}^{\infty} s_nz^n\right|은 등비 급수 \varepsilon \sum_{n = m}^{\infty} |z|^n=\varepsilon |z|^m/(1-|z|)<\varepsilon /(1-|z|)로 위에서 평가된다. 따라서, 삼각 부등식에 의해,

:|f(z)|<|1-z|\left|\sum_{n = 0}^{m-1}s_nz^n\right|+\varepsilon \frac

{1-|z|}.

제1항은 z \rightarrow 1로 하여 \varepsilon으로 만들 수 있다. 제2항은 스톨츠 각도에서 접근한다는 조건[2]에 의해 M\varepsilon로 만들 수 있다. 따라서, |f(z)|<(1+M)\varepsilon으로 만들 수 있으므로, 정리에 언급된 조건 하에서 z \rightarrow 1로 하면 f(z) \rightarrow 0이 됨이 증명되었다[3][4]

4. 따름정리

아벨 극한 정리에 따르면, 실수 멱급수가 수렴 구간의 오른쪽 끝점에서 수렴하면 이 끝점에서 좌연속 함수이고, 왼쪽 끝점에서 수렴하면 이 끝점에서 우연속 함수이다. 즉, 실수 멱급수는 전체 수렴 구간에서 연속 함수이다.[7] 그러나 복소수 멱급수는 수렴 영역의 경계점에서 수렴하더라도, 이 경계점에서 연속 함수가 아닐 수 있다.

이 정리의 직접적인 결과로, 다음 급수가 수렴하는 0이 아닌 복소수 z가 있다면, 다음이 성립한다.

\lim_{t\to 1^{-}} G(tz) = \sum_{k=0}^\infty a_kz^k

여기서 극한은 좌극한으로 취한다.

이 정리는 무한대로 발산하는 합을 고려하도록 일반화될 수도 있다. 만약

\sum_{k=0}^\infty a_k = \infty

라면

\lim_{z\to 1^{-}} G(z) \to \infty.

하지만 급수가 무한대로 발산하는 경우가 아닌 다른 이유로 발산하는 것으로만 알려져 있다면, 이 정리의 주장은 실패할 수 있다. 예를 들어, 다음 멱급수를 생각해 보자.

\frac{1}{1+z}

z = 1에서 급수는 1 - 1 + 1 - 1 + \cdots와 같지만, \tfrac{1}{1+1} = \tfrac{1}{2}.이다.

또한 이 정리는 수렴 반지름이 R = 1이 아닌 경우에도 성립한다. 다음과 같은 멱급수를 생각해보자.

G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_kx^k

수렴 반지름이 R이고, 급수가 x = R에서 수렴한다고 가정하면, G(x)x = R에서 좌측에서 연속이다. 즉,

\lim_{x\to R^-}G(x) = G(R).

5. 일반화

아벨 극한 정리의 일반화는 다음과 같다.


::G (x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k

실수 계수 a_k를 가지는 수렴반경 1인 멱급수이고,

::\sum_{k=0}^\infty a_k

가 수렴 급수이면, G(x)x = 1에서 왼쪽에서 연속이며, 다음이 성립한다.

::\lim_{x\to 1^-} G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k.
::G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k,

에 대해서도 성립하며, z \to 1이 단일 ''Stolz sector'' 내에서 완전히 이루어질 경우, 즉

::|1-z| \leq M(1-|z|)

인 어떤 고정된 유한 M > 1에 대해, 열린 원판의 영역일 경우 성립한다. 이 제한이 없으면 극한이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 멱급수

::\sum_{n>0} \frac{z^{3^n}-z^{2\cdot 3^n}} n

z = 1에서 0으로 수렴하지만, e^{\pi i/3^n} 형태의 모든 점 근처에서는 유계 함수가 아니므로, z = 1에서의 값은 전체 열린 원판에서 z가 1로 향할 때의 극한이 아니다.

G(z)는 수렴 원판의 콤팩트 공간 부분 집합에서의 급수의 균등 수렴에 의해, t < 1에 대해 실수 닫힌 구간 [0, t]에서 연속적이다. 아벨의 정리를 통해 G(z)[0, 1]로의 제한이 연속적이라는 것을 알 수 있다.

  • 일반적인 점으로의 확장: 위의 논의에서 멱급수의 중심을 z=0으로 하였지만, 일반적인 점을 중심으로 해도 정리가 성립한다. 마찬가지로, "수렴반경이 1", "원주상의 점 z=1"이라는 가정도 본질적이지 않다. 이것들은 정규화된 결과로 보아야 하며, 평행 이동, 확대 축소, 회전을 가하면 위의 논의는 일반화할 수 있다.

5. 1. 경계점에서 무한대로 발산하는 경우

중심이 0이고 모든 계수가 음이 아닌 실수인 멱급수

:sum|영어n=0 anxn (a0, a1, a2, ... ≥ 0)

의 수렴 반지름이 0 < r < ∞이고,

:sum|영어n=0 anrn = ∞

라고 하자. 그렇다면, 다음이 성립한다.[6]

:limx→r- sum|영어n=0 anxn = ∞

만약

:sum|영어k=0 ak = ∞

라면

:limz→1- G(z) → ∞

이다.

하지만, 급수가 무한대로 발산하는 경우가 아닌 다른 이유로 발산하는 것으로만 알려져 있다면, 이 정리의 주장은 실패할 수 있다. 예를 들어

:1/(1+z)영어

의 멱급수를 생각해 보자.

z = 1영어에서 급수는 1 - 1 + 1 - 1 + ⋯영어와 같지만, 1/(1+1) = 1/2영어이다.

또한, 이 정리는 수렴 반지름이 R = 1영어이 아닌 경우에도 성립한다. 다음과 같은 멱급수를 생각해보자.

:G(x) = sum|영어k=0 akxk

수렴 반지름이 R영어이고, 급수가 x = R영어에서 수렴한다고 가정하자. 그러면 G(x)영어는 x = R영어에서 좌측에서 연속이다. 즉,

:limx→R-G(x)영어 = G(R)영어.

정리의 가정에 있는 " sum|영어n=0 an은 수렴한다"는 조건은 필요하다. 이 조건이 없으면 다음과 같은 반례가 있다.

:1/(1+x) = 1 - x + x|영어2 - ⋯ (수렴반경 1)

좌변은 limx→1-0 1/(1+x) = 1/2영어에 수렴하지만, 우변은 1 - 1 + 1 - 1 + ⋯영어에 가까워져 수렴하지 않는다.

5. 2. 경계점에서 수렴하지 않는 경우

Abel's theorem영어은 수렴 반지름이 R = 1이 아닌 경우에도 성립한다. 다음과 같은 멱급수를 생각해 보자.

:G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_kx^k

수렴 반지름이 R이고, 급수가 x = R에서 수렴한다고 가정하자. 그러면 G(x)x = R에서 좌측에서 연속이다. 즉,

:\lim_{x\to R^-}G(x) = G(R).

이 정리에서 " \sum_{n=0}^{\infty} a_n 은 수렴한다"는 조건은 반드시 필요하다. 이 조건이 없으면 다음과 같은 반례가 있다.

:\frac{1}{1+x}=1-x+x^2-\cdots (수렴반경 1)

좌변은 \lim_{x \to 1-0} \frac{1}{1+x} = \frac{1}{2}에 수렴하지만, 우변은 1-1+1-1+\cdots에 가까워져 수렴하지 않는다.[6]

5. 3. 복소수의 경우 (일반화)

중심이 0인 복소수 멱급수

:\sum_{n=0}^\infty a_nz^n\qquad(a_0,a_1,a_2,\dots\in\mathbb C)

의 수렴 반지름이 0이고, |\zeta|=r인 어떤 \zeta\in\mathbb C에 대하여

:\sum_{n=0}^\infty a_n\zeta^n

이 수렴한다고 하자. 그렇다면 다음이 성립한다.

:\lim_{t\to 1^-}\sum_{n=0}^\infty a_n(t\zeta)^n=\sum_{n=0}^\infty a_n\zeta^n

보다 일반적으로, 곡선 \gamma\colon[0,1]\to\operatorname{ball}_{\mathbb C}(0,r)\cup\{\zeta\}가 다음을 만족시킨다고 하자. (여기서 \operatorname{ball}은 열린 공이다.)

  • \gamma(1)=\zeta
  • \sup_{t\in[0,1)}\frac

<\infty

그렇다면 다음이 성립한다.[5]

:\lim_{t\to 1^-}\sum_{n=0}^\infty a_n\gamma(t)^n=\sum_{n=0}^\infty a_n\zeta^n

테일러 급수

:G (x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k

실수 계수 a_k를 가지는 수렴반경 1인 멱급수라고 하자. 만약 급수

:\sum_{k=0}^\infty a_k

가 수렴 급수라고 가정하면, G(x)x = 1에서 왼쪽에서 연속이며, 다음이 성립한다.

:\lim_{x\to 1^-} G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k.

정리복소수 멱급수

:G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k,

에 대해서도 성립하며, z \to 1이 단일 ''Stolz sector'' 내에서 완전히 이루어질 경우, 즉

:|1-z| \leq M(1-|z|)

인 어떤 고정된 유한 M > 1에 대해, 열린 원판의 영역일 경우 성립한다. 이 제한이 없으면 극한이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 멱급수

:\sum_{n>0} \frac{z^{3^n}-z^{2\cdot 3^n}} n

z = 1에서 0으로 수렴하지만, e^{\pi i/3^n} 형태의 모든 점 근처에서는 유계 함수가 아니므로, z = 1에서의 값은 전체 열린 원판에서 z가 1로 향할 때의 극한이 아니다.

G(z)는 수렴 원판의 콤팩트 공간 부분 집합에서의 급수의 균등 수렴에 의해, t < 1에 대해 실수 닫힌 구간 [0, t]에서 연속적이다. 아벨의 정리를 통해 G(z)[0, 1]로의 제한이 연속적이라는 것을 알 수 있다.

이 정리의 직접적인 결과로, 급수

:\sum_{k=0}^\infty a_k z^k

가 수렴하는 0이 아닌 복소수 z가 있다면, 다음이 성립한다.

:\lim_{t\to 1^{-}} G(tz) = \sum_{k=0}^\infty a_kz^k

여기서 극한은 좌극한으로 취한다.

이 정리는 무한대로 발산하는 합을 고려하도록 일반화될 수도 있다. 만약

:\sum_{k=0}^\infty a_k = \infty

라면

:\lim_{z\to 1^{-}} G(z) \to \infty.

이다.

하지만, 급수가 무한대로 발산하는 경우가 아닌 다른 이유로 발산하는 것으로만 알려져 있다면, 이 정리의 주장은 실패할 수 있다. 예를 들어

:\frac{1}{1+z}

의 멱급수를 생각해 보자.

z = 1에서 급수는 1 - 1 + 1 - 1 + \cdots와 같지만, \tfrac{1}{1+1} = \tfrac{1}{2}.이다.

또한, 이 정리는 수렴 반지름이 R = 1이 아닌 경우에도 성립한다. 다음과 같은 멱급수를 생각해보자.

:G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_kx^k

수렴 반지름이 R이고, 급수가 x = R에서 수렴한다고 가정하자. 그러면 G(x)x = R에서 좌측에서 연속이다. 즉,

:\lim_{x\to R^-}G(x) = G(R).

이상의 논의에서 "멱급수의 중심은 z=0 "으로 하였지만, 일반적인 점을 중심으로 해도 정리가 성립한다. 마찬가지로, "수렴반경이 1", "원주상의 점 z=1 "이라는 가정 역시 본질적이지 않다. 이것들은 정규화된 결과로 보아야 할 것이다. 실제로, 평행 이동, 확대 축소, 회전을 가하면 위의 논의는 일반화할 수 있다.

6. 역사

독일의 수학자 카를 프리드리히 가우스가 처음 제시하였다. 그러나 가우스가 제시한 증명은 증명되지 않은 결론을 사용하는 오류를 포함한다. 이 정리의 이름은 노르웨이의 수학자 닐스 헨리크 아벨의 이름을 따서 지어졌다.

7. 응용

아벨 극한 정리는 급수를 적분으로 변환하여 계산할 때 종종 이용된다. 이는 아벨의 합 공식이상 적분을 변수를 포함하는 이상 적분의 극한으로 변환시켜 구하는 것과 비슷하다.

어떤 테일러 급수

:G (x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k

실수 계수 a_k를 가지는 수렴반경 1인 멱급수라고 하고,

:\sum_{k=0}^\infty a_k

가 수렴 급수라고 가정하면, G(x)x = 1에서 왼쪽에서 연속이다. 즉,

:\lim_{x\to 1^-} G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k.

정리복소수 멱급수

:G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k,

에 대해서도 성립하며, z \to 1이 단일 ''Stolz sector'' 내에서 완전히 이루어질 경우, 즉

:|1-z| \leq M(1-|z|)

인 어떤 고정된 유한 M > 1에 대해, 열린 원판의 영역일 경우 성립한다. 이 제한이 없으면 극한이 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 멱급수

:\sum_{n>0} \frac{z^{3^n}-z^{2\cdot 3^n}} n

z = 1에서 0으로 수렴하지만, e^{\pi i/3^n} 형태의 모든 점 근처에서는 유계 함수가 아니므로, z = 1에서의 값은 전체 열린 원판에서 z가 1로 향할 때의 극한이 아니다.

G(z)는 수렴 원판의 콤팩트 공간 부분 집합에서의 급수의 균등 수렴에 의해, t < 1에 대해 실수 닫힌 구간 [0, t]에서 연속적이다. 아벨의 정리를 통해 G(z)[0, 1]로의 제한이 연속적이라는 것을 알 수 있다.

7. 1. 구체적인 예

아벨 극한 정리는 급수를 적분으로 변환하여 계산할 때 유용하게 사용된다. 이는 아벨의 합 공식을 이용하여 이상 적분을 변수를 포함하는 이상 적분의 극한으로 변환하는 것과 유사하다.

예를 들어, 다음 급수를 계산해 보자.

:\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{3n+1}=1-\frac 14+\frac 17-\cdots

이 급수는 교대급수 판정법에 의해 수렴한다. 함수 f\colon[0,1]\to\mathbb R를 다음과 같이 정의한다.

:f(x)=\sum_{n=0}^\infty(-1)^n\frac{x^{3n+1}}{3n+1}\qquad(x\in[0,1])

아벨 극한 정리에 의해 f는 연속 함수이다. x\in[0,1)에 대해

:f'(x)=\sum_{n=0}^\infty(-1)^nx^{3n}=\frac 1{1+x^3}

이므로,

:f(x)=f(0)+\int_0^xf'(x)\mathrm dx=\frac 16\ln\frac{(x+1)^2}{x^2-x+1}+\frac 1{\sqrt 3}\arctan\frac{2x-1}{\sqrt 3}+\frac\pi{6\sqrt 3}

이다. 따라서,

:\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^n}{3n+1}=f(1)=\lim_{x\to 1^-}f(x)=\frac 13\ln 2+\frac\pi{3\sqrt 3}

이다.

아벨 정리는 수렴반경이 1이라 극한이 유한할지 불확실한 경우에도, 변수가 1로 접근할 때 거듭제곱 급수의 극한을 구할 수 있게 해준다. 예를 들어, 이항 급수에서 활용된다.

아벨 정리를 이용하면 다양한 급수를 닫힌 형식으로 계산할 수 있다. 예를 들어,

:a_k = \frac{(-1)^k}{k+1}

일 때,

:G_a(z) = \frac{\ln(1+z)}{z}, \qquad 0 < z < 1,

이며, 이는 균등 수렴하는 기하 급수를 [-z, 0]에서 항별로 적분하여 얻을 수 있다. 아벨 정리에 의해

:\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{k+1}

\ln 2로 수렴한다. 마찬가지로,

:\sum_{k=0}^\infty \frac{(-1)^k}{2k+1}

\arctan 1 = \tfrac{\pi}{4}로 수렴한다.

G_a(z)는 수열 a의 생성 함수라고 불린다. 아벨 정리는 확률 생성 함수처럼 실수 값을 가지며 음이 아닌 수열의 생성 함수를 다룰 때 유용하며, 특히 갈톤-왓슨 과정 이론에서 중요하다.

다음은 그 예시 중 하나이다.

:\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}=1-\frac{1}{3}+\frac{1}{5}-\dotsb=\frac{\pi}{4}

역삼각함수에서 \arctan\tan의 역함수로 주값을 취하면, \arctan xx로 미분하면 다음과 같다.

:(\arctan x)'=\frac{1}{1+x^2}

우변은 급수로 전개될 수 있으며, 수렴 반경은 1이다. 0에서 0을 기점으로 양변의 부정적분을 구하면, 수렴 반경 내에서 급수는 광의적으로 균등하게 절대 수렴하므로 적분과 무한 합을 교환할 수 있다.

:\arctan x = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}x^{2n+1}

교대급수에 관한 라이프니츠 정리에 의해 \sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}가 수렴함을 알 수 있다. 아벨의 연속성 정리를 적용하면 위 식을 얻는다.

\log(1+x)에 대해 비슷한 논의를 하면,

:\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n+1}=1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\dotsb=\log2

임을 알 수 있다.

8. 관련 개념

아벨 극한 정리는 다음과 같은 관련 개념들을 포함한다.

테일러 급수

: G (x) = \sum_{k=0}^\infty a_k x^k

위 식은 실수 계수 a_k를 가지는 수렴반경 1인 멱급수이다.

: \sum_{k=0}^\infty a_k

위 급수가 수렴 급수이면, G(x)x = 1에서 왼쪽에서 연속이다. 즉,

: \lim_{x\to 1^-} G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_k.

정리복소수 멱급수

: G(z) = \sum_{k=0}^\infty a_k z^k,

에도 성립한다. z \to 1이 단일 ''Stolz sector'' 내에서 이루어지는 경우, 즉

: |1-z| \leq M(1-|z|)

를 만족하는 유한한 M > 1에 대해, 열린 원판 영역에서 성립한다.

G(z)는 수렴 원판의 콤팩트 공간 부분 집합에서 급수의 균등 수렴에 의해, t < 1에 대해 실수 닫힌 구간 [0, t]에서 연속이다. 아벨 정리에 의해 G(z)[0, 1]로의 제한이 연속임을 알 수 있다.

이 정리의 결과로,

: \sum_{k=0}^\infty a_k z^k

가 수렴하는 0이 아닌 복소수 z에 대해, 다음이 성립한다.

: \lim_{t\to 1^{-}} G(tz) = \sum_{k=0}^\infty a_kz^k

(단, 극한은 좌극한)

: \sum_{k=0}^\infty a_k = \infty

이면,

: \lim_{z\to 1^{-}} G(z) \to \infty.

이다.

또한, 수렴 반지름이 R \ne 1인 경우에도 이 정리는 성립한다. 멱급수

: G(x) = \sum_{k=0}^\infty a_kx^k

의 수렴 반지름이 R이고, x = R에서 수렴하면, G(x)x = R에서 좌측 연속이다.

: \lim_{x\to R^-}G(x) = G(R).

아벨 정리의 역은 타우버 정리이다. 발산 급수와 그 합산 방법에 대한 연구는 ''아벨형 정리''와 ''타우버형 정리''를 포함한다.

참조

[1] 간행물 Untersuchungen über die Reihe 1+ \frac{m}{1} x + \frac{m\cdot (m-1)}{2\cdot 1} x^2 + \frac{m\cdot (m-1)\cdot (m-2)}{3\cdot 2\cdot 1} x^3 + \ldots u.s.w.
[2] 웹사이트 Stolz Angle http://demonstration[...] the Wolfram Demonstrations Project 2018-03-10
[3] 서적
[4] 서적
[5] 서적 Complex Analysis https://archive.org/[...] McGraw-Hill 1979
[6] 서적 Theory and Application of Infinite Series Blackie & Son 1954
[7] 서적 数学分析. 第二册 北京大学出版社 2010-02



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