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 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
{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)
는 [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] 및 n\ge 0에 대하여,
으로 나타낼 수 있다. s_n \rightarrow 0이므로, 임의의 양의 실수 ε에 대해 충분히 큰 m 이후의 항 s_n은 |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,
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.
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
는 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)의 [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
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)는 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 공식이 이상 적분을 변수를 포함하는 이상 적분의 극한으로 변환시켜 구하는 것과 비슷하다.
의 수렴 반지름이 R이고, x = R에서 수렴하면, G(x)는 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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