無限級数で定義される関数(どこかに不連続点があります)

[問題 CL-10] 無限級数で定義される関数

 無限級数で定義された関数
\[f(x)=x^2+\frac{x^2}{1+x^2}+\frac{x^2}{(1+x^2)^2}+\: \cdots \:+\frac{x^2}{(1+x^2)^{n-1}}+\: \cdots \]のグラフの概形を描いてください。
 

問題 CL-010 のヒント

 今回はやさしい問題です。不連続点は ○ で明示してくださいね。

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問題 CL-010 の解答

 $f(x)$ は公比 $1/(1+x^2)$ の等比級数ですが $x=0$ のときだけは $f(0)=0$ となるので注意が必要です。$x \neq 0$ のときは
 
\[0 \lt \frac{1}{1+x^2} \lt 1\]
なので、等比級数の和の公式を使って
 
\[f(x)=\frac{x^2}{1-1/(1+x^2)}=1+x^2\]
という2次関数となります。よってグラフは下図のようになります。

 Excel不連続関数グラフ

 x = 0 のところで不連続になっています。

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