두 가지 다른 방법을 사용하여 꽤 달라 보이는 두 개의 답을 얻었다. 그러나 두 답은 같아야 한다. 이를 확인하기 위해, 우리가 다루는 모든 x 와 y 의 값(곡선의 정의역에 속하는 순서쌍 (x,y))에 대해 등식
arcsin(x+2y)=x2+y2
이 성립함을 기억하자. 삼각형을 그리면 다음과 같다.
여기서 (빨간색으로 표시한) 밑변의 길이는 피타고라스 정리로부터 구한 것이다. 그러면
cos(x2+y2)=1−(x+2y)2 이므로, 풀이 2의 결과에 대입하면 다음과 같다.
Solution 1:
We begin by differentiating implicitly. Following the usual convention, we use y′ to mean y′(x).
arcsin(x+2y)1−(x+2y)21+2y′1−(x+2y)21+1−(x+2y)22y′1−(x+2y)22y′−2yy′y′(1−(x+2y)22−2y)y′y′=x2+y2Using the chain rule:=2x+2yy′=2x+2yy′=2x−1−(x+2y)21=2x−1−(x+2y)21=1−(x+2y)22−2y2x−1−(x+2y)21(1−(x+2y)21−(x+2y)2)=2−2y1−(x+2y)22x1−(x+2y)2−1
Solution 2:
We begin by taking the sine of both sides of the equation.
arcsin(x+2y)x+2yNow, we differentiate implicitly.1+2y′1+2y′2y′−2yy′cos(x2+y2)y′(2−2ycos(x2+y2))y′=x2+y2=sin(x2+y2)=cos(x2+y2)⋅(2x+2yy′)=2xcos(x2+y2)+2yy′cos(x2+y2)=2xcos(x2+y2)−1=2xcos(x2+y2)−1=2−2ycos(x2+y2)2xcos(x2+y2)−1
We used two different methods, and got two answers that look pretty different. However, the answers ought to be equivalent. To see this, we remember that for all values of x and y that we care about (those pairs (x,y) in the domain of our curve), the equality
arcsin(x+2y)=x2+y2
holds. Drawing a triangle:
where the adjacent side (in red) come from the Pythagorean Theorem. Then,
cos(x2+y2)=1−(x+2y)2, so using our second solution:
아래 그래프에는 세 곡선이 있습니다. 검은 곡선은 y=f(x), 빨간 곡선은 y=g(x)=1+2sin(1+x), 파란 곡선은 y=h(x)=0.7 입니다. f(0) 을 어림하려 할 때, 어떤 경우에 g(0) 을 쓰게 될까요? 또 어떤 경우에 h(0) 을 쓰게 될까요?
영어 원문 보기
The graph below shows three curves. The black curve is y=f(x), the red curve is y=g(x)=1+2sin(1+x), and the blue curve is y=h(x)=0.7. If you want to estimate f(0), what might cause you to use g(0)? What might cause you to use h(0)?
정답·풀이 보기
f(0) 은 h(0) 보다 g(0) 에 더 가까우므로, sin(1) 의 값을 효율적으로 알아낼 수단이 있고 정확도가 중요하다면 f(0)≈g(0)=1+2sin(1) 로 어림하는 것이 좋을 것이다. 계산기가 있다면 이 어림을 쓸 수 있다. 또한 이 단원의 뒷부분에서 계산기 없이 sin(1) 을 근사하는 방법을 배우지만, 그 방법에는 시간이 필요하다.
계산기가 없거나 시간이 많지 않다면 f(0)≈h(0)=0.7 을 쓰는 것이 가장 적절할 것이다. 이는 f(0)≈g(0) 만큼 정확하지는 않지만, sin(1) 의 값을 알아내려고 고민하지 않고도 매우 빠르게 어림값을 얻을 수 있다.
참고: 실생활에서 어떤 값을 어림할 때는 분명한 '정답' 방법이 없는 경우가 많다. 보통 정확도와 편리함 사이에서 균형을 잡아야 한다.
원본 교재 풀이(영어)
Since f(0) is closer to g(0) than it is to h(0), you would probably want to estimate f(0)≈g(0)=1+2sin(1) if you had the means to efficiently figure out what sin(1) is, and if you were concerned with accuracy. If you had a calculator, you could use this estimation. Also, later in this chapter we will learn methods of approximating sin(1) that do not require a calculator, but they do require time.
Without a calculator, or without a lot of time, using f(0)≈h(0)=0.7 probably makes the most sense. It isn't as accurate as f(0)≈g(0), but you get an estimate very quickly, without worrying about figuring out what sin(1) is.
Remark: when you're approximating something in real life, there probably won't be an obvious “correct" way to do it. There's usually a trade-off between accuracy and ease.
상수 근사를 이용하여 10.13 의 값을 어림하세요. 어림한 값은 암산으로 계산할 수 있는 것이어야 합니다.
영어 원문 보기
Use a constant approximation to estimate the value of 10.13. Your estimation should be something you can calculate in your head.
정답·풀이 보기
10.1 은 10 에 꽤 가까우므로 10.13≈103=1000 으로 어림한다.
참고: 이러한 어림은 계산을 할 때 매우 유용하다. 계산 과정에서 실수하기 쉬운데, 10.13 이 대략 천 정도여야 한다는 것을 염두에 두면 구한 답이 타당한지 확인하는 좋은 방법이 된다.
원본 교재 풀이(영어)
Since 10.1 is pretty close to 10, we estimate 10.13≈103=1000.
Remark: these kinds of approximations are very useful when you are doing computations. It's easy to make a mistake in your work, and having in mind that 10.13 should be about a thousand is a good way to check that whatever answer you have makes sense.
f(x) 가 함수이고, x=5 근처에서의 선형 근사를 계산하여
f(x)≈3x−9
를 얻었다고 하자.
(a) f(5) 는 얼마입니까?
(b) f′(5) 는 얼마입니까?
(c) f(0) 은 얼마입니까?
영어 원문 보기
Suppose f(x) is a function, and we calculated its linear approximation near x=5 to be
f(x)≈3x−9.
(a) What is f(5)?
(b) What is f′(5)?
(c) What is f(0)?
정답·풀이 보기
선형 근사는 L(x)=3x−9 이다. x=5 에서 근사하므로 f(5)=L(5) 이고 f′(5)=L′(5) 이다. 그러나 x=5 일 때 f(x) 와 L(x) 의 값이 같다는 보장은 없다. 따라서
(a) f(5)=L(5)=6
(b) f′(5)=L′(5)=3
(c) f(0) 을 구하기에는 정보가 충분하지 않다.
원본 교재 풀이(영어)
The linear approximation is L(x)=3x−9. Since we're approximating at x=5, f(5)=L(5), and f′(5)=L′(5). However, there is no guarantee that f(x) and L(x) have the same value when x=5. So:
곡선 y=f(x) 가 아래에 나타나 있습니다. x=2 에서 f(x) 의 선형 근사의 그래프를 그리세요.
영어 원문 보기
The curve y=f(x) is shown below. Sketch the linear approximation of f(x) about x=2.
정답·풀이 보기
선형 근사는 점 (2,f(2)) 를 지나고 기울기가 f′(2) 인 직선이다.
즉, x=2 에서 f(x) 의 선형 근사는 x=2 에서 f(x) 의 접선이다. 이를 아래에 빨간색으로 나타내었다.
원본 교재 풀이(영어)
The linear approximation is a line, passing through (2,f(2)), with slope f′(2).
That is, the linear approximation to f(x) about x=2 is the tangent line to f(x) at x=2. It is shown below in red.
What is the linear approximation of the function f(x)=2x+5 about x=a?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
임의의 상수 a 에 대해 f(a)=(2a+5) 이고 f′(a)=2 이므로, 근사하면
f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5
f(x) 자체가 일차함수이므로 선형 근사는 사실 f(x) 그 자체이다. 따라서 선형 근사는 모든 x 의 값에 대해 완벽하게 정확하다.
원본 교재 풀이(영어)
For any constant a, f(a)=(2a+5), and f′(a)=2, so our approximation gives us
f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5
Since f(x) itself is a linear function, the linear approximation is actually just f(x) itself. As a consequence, the linear approximation is perfectly accurate for all values of x.
We approximate the function f(x)=5x. We need to centre the approximation about some value x=a such that we know f(a) and f′(a), and a is not too far from 30.
f(x)f′(x)a needs to be a number whose fifth root we know. Since 532=2, and 32 is reasonably close to 30, a=32 is a great choice.f(32)f′(32)The linear approximation of f(x) about x=32 isf(x)When x=30:f(30)=5x=x51=51x−54=55x41=532=2=5⋅241=801≈2+801(x−32)≈2+801(30−32)=2−401=4079
We estimate 530≈4079.
Remark: 4079=1.975, while 530≈1.97435. This is a decent estimation.
We estimate 10.13≈1030. If we calculate 10.13 exactly (which is certainly possible to do by hand), we get 1030.301.
Remark: in the previous subsection, we used a constant approximation to estimate 10.13≈1000. That approximation was easy to do in your head, in a matter of seconds. The linear approximation is more accurate, but not much faster than simply calculating 10.13.
f(x) 가 어떤 함수이고 f(b) 를 어림하려 한다고 가정하세요. 이를 위해 값 a 를 택하고 a 에서 f(x) 의 (선형 또는 상수) 근사를 사용합니다. 상수 근사가 선형 근사보다 f(b) 를 더 정확하게 어림하는 함수 f(x) 와 값 a, b 의 예를 하나 드세요.
영어 원문 보기
Imagine f(x) is some function, and you want to estimate f(b). To do this, you choose a value a and take an approximation (linear or constant) of f(x) about a. Give an example of a function f(x), and values a and b, where the constant approximation gives a more accurate estimation of f(b) than the linear approximation.
정답·풀이 보기
가능한 답은 여러 가지이다. 그중 하나는 다음과 같다.
f(x)=sinxa=0b=πf(π)=0 이고 f(0)=0 임을 안다. x=0 에서 f(x) 의 상수 근사를 사용하면 f(π)≈f(0)=0 으로 어림되며, 이는 정확한 값과 같다. 그러나 x=0 에서 f(x) 의 선형 근사를 만들면
f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin(0)+cos(0)π=π
가 되고, 이는 정확한 값이 아니다.
참고: 실제로는 sin(π) 의 값을 정확히 알고 있으므로 이를 어림하지 않는다. 이 문제의 목적은 더 정교한 근사가 항상 더 정확한 것은 아님을 보여 주는 것이다. 이 절의 끝에서, 어림한 값이 충분히 정확한지 확인할 수 있도록 어림의 오차를 어떻게 한정하는지 다룰 것이다.
원본 교재 풀이(영어)
There are many possible answers. One is:
f(x)=sinxa=0b=π
We know that f(π)=0 and f(0)=0. Using a constant approximation of f(x) about x=0, our estimation is f(π)≈f(0)=0, which is exactly the correct value. However, is we make a linear approximation of f(x) about x=0, we get
f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin(0)+cos(0)π=π
which is not exactly the correct value.
Remark: in reality, we wouldn't estimate sin(π), because we know its value exactly. The purpose of this problem is to demonstrate that fancier approximations are not always more accurate. At the end of this section, we'll talk about how to bound the error of your estimations, to make sure that you are finding something sufficiently accurate.
The linear approximation L(x) of f(x) about x=a is chosen so that L(a)=f(a)
and L′(a)=f′(a). So,
L′(a)41aWe’ve narrowed down a to 3 or −3. Recall the linear approximation of f(x) about x=a is f(a)+f′(a)(x−a), so its constant term is f(a)−af′(a)=arctan(a)−1+a2a. We compute this for a=3 and a=−3.a=3:a=−3:So, when a=3,L(x)=f′(a)=1+a21=1+a21=±3arctan(a)−1+a2a=arctan(3)−1+(3)23=3π−43=124π−27arctan(a)−1+a2a=arctan(−3)−1+(−3)2−3=−3π+43=12−4π+27=41x+124π−27
and this does not hold when a=−3. We conclude a=3.
이 책의 이 부분까지는 숙제 문제 하나를 푸는 데 모두 약 5분이 걸립니다. 이 절에서 배운 용어를 사용하여 다음 질문에 답하세요. 15분을 더 쓰면 숙제 문제를 몇 개 더 끝낼 수 있습니까?
영어 원문 보기
At this point in the book, every homework problem takes you about 5 minutes. Use the terms you learned in this section to answer the question: if you spend 15 minutes more, how many more homework problems will you finish?
정답·풀이 보기
f(x) 를 x 분 동안 공부했을 때 끝낸 문제의 수라 하자.
문제에서 5Δy≈Δx 임을 알 수 있다. 따라서 Δx=15 이면 Δy≈3 이다. 즉, 15분을 더 쓰면 약 3문제를 더 끝낼 것이다.
참고: 이 문제에 쓰인 수학은 일부러 쉽게 만든 것이다. Δy 나 f(x+Δx) 같은 기호는 헷갈릴 수 있지만, 기본 개념은 꽤 간단하다.
원본 교재 풀이(영어)
Let f(x) be the number of problems finished after x minutes of work.
The question tells us that 5Δy≈Δx. So, if Δx=15, Δy≈3. That is, in 15 minutes more, you will finish about 3 more problems.
Remark: the math behind this problem is intended to be easy! Looking at symbols like Δy and f(x+Δx) can be confusing, but the basic idea is pretty simple.
The linear approximation for Δy when Δx=101 isΔyThe quadratic approximation for Δy when Δx=101 isΔy≈f′(5)Δx=261⋅101=2601≈0.003846≈f′(5)Δx+21f′′(5)(Δx)2=261⋅101+21⋅262−10⋅1021=1352051≈0.003772
높이 x 미터의 절벽에서 물로 뛰어내릴 때, 물에 닿는 순간의 속력은 다음과 같이 주어진다.
s(x)=19.6xsecm
마지막 다이빙은 높이 4 미터에서 한 것이었다.
(a) Δy 의 선형 근사를 이용하여, 높이 5 미터에서 뛰어내릴 때 물에 닿는 순간 얼마나 더 빠르게 떨어질지 어림하세요.
(b) 한 다이버가 세 번 뛰어내린다. 첫 번째는 x 미터에서, 두 번째는 x+Δx 미터에서, 세 번째는 x+2Δx 미터에서 뛰어내리며, x 와 Δx 는 고정된 양수이다.
첫 번째 점프에서 두 번째 점프로 갈 때의 종단 속력의 증가량과, 두 번째 점프에서 세 번째 점프로 갈 때의 종단 속력의 증가량 중 어느 쪽이 더 큰지 구하세요.
영어 원문 보기
When diving off a cliff from x metres above the water, your speed as you hit the water is given by
s(x)=19.6xsecm
Your last dive was from a height of 4 metres.
(a) Use a linear approximation of Δy
to estimate how much faster you will be falling when you hit the water if you jump from a height of 5 metres.
(b) A diver makes three jumps: the first is from x metres, the second from
x+Δx metres, and the third from
x+2Δx metres, for some fixed positive values of x and Δx.
Which is bigger: the increase in terminal speed from the first to the second jump, or the increase in terminal speed from the second to the third jump?
정답·풀이 보기
(a)
x 가 4 근처일 때, Δy 의 선형 근사는
Δy문제에서 Δx=5−4=1 이다. 미분하면,s′(t)s′(4)선형근사에의하여Δy≈s′(4)Δx=19.6⋅2x1=x4.9,이므로=44.9≈44.9(1)≈1.1
따라서 4 미터에서 5 미터로 높이를 올리면 물에 닿는 순간의 속력은 약 1.1 미터/초 증가한다.
(b) 이번에도 선형 근사를 이용하면
Δy≈s′(a)Δx=a4.9⋅Δx
첫 두 점프 사이와 마지막 두 점프 사이의 높이 차이는 Δx 로 같다. 첫 번째 점프의 처음 높이는 두 번째 점프의 처음 높이보다 낮다. 그러므로 a 에 해당하는 값은 첫 번째 점프에서가 두 번째 점프에서보다 작다. 따라서 Δy 는 첫 두 점프 사이에서가 마지막 두 점프 사이에서보다 크다. 즉, 첫 번째 점프에서 두 번째 점프로 갈 때의 속력 증가량이 두 번째 점프에서 세 번째 점프로 갈 때의 속력 증가량보다 크다.
이를 식으로 더 나타내면, 첫 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는
Δy한편다음두점프사이의종단속력의변화는Δy≈x4.9⋅Δx≈x+Δx4.9⋅Δx
x 와 Δx 가 양수일 때 x4.9⋅Δx>x+Δx4.9⋅Δx 이므로, 종단 속력의 변화는 첫 두 점프 사이에서가 다음 두 점프 사이에서보다 크다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
When x is near 4, the linear approximation of Δy is
ΔyFrom the problem, Δx=5−4=1. Differentiating,s′(t)s′(4)The linear approximation gives usΔy≈s′(4)Δx=19.6⋅2x1=x4.9, so =44.9≈44.9(1)≈1.1
So moving from 4 metres to 5 metres increases the speed with which you hit the water by about 1.1 metres per second.
(b) Again, we'll use the linear approximation
Δy≈s′(a)Δx=a4.9⋅Δx
The difference in height between the first two jumps and between the last two jumps is the same, Δx. The initial height of the first jump is smaller than the initial height of the second jump. So, the value corresponding to a is smaller for the first jump than for the second. Therefore, Δy is larger between the first two jumps than it is between the last two jumps. So, the increase in speed from the first jump to the second is larger than the increase in speed from the second jump to the third.
To put that more symbolically, the change in terminal speed between the first two jumps is
Δywhile the change in terminal speed between the next two jumps isΔy≈x4.9⋅Δx≈x+Δx4.9⋅Δx
Since x4.9⋅Δx>x+Δx4.9⋅Δx (when x and Δx are positive), the change in terminal speed is greater between the first two jumps than between the next two jumps.
If we plug in x=1 to the numerator and the denominator, we find they are both zero. So, we have an indeterminate form appropriate for L'Hopital's Rule.
x→0+limxlogx 의 값을 구하세요. (기억하세요: 이 노트에서 log 는 밑이 e 인 로그를 뜻합니다.)
영어 원문 보기
Evaluate x→0+limxlogx. (Remember: in these notes, log means logarithm base e.)
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
주의하자. 이것은 부정형이 아니다!
x→0+ 일 때 분자 logx→−∞ 이다. 즉, 분자는 절댓값이 한없이 커지는 음수가 된다.
x→0+ 일 때 분모 x→0+ 이므로, 분수 전체는 절댓값이 더욱 커지고 여전히 음수이다. 따라서 x→0+limxlogx=−∞ 이다.
참고: 여기서 로피탈의 정리를 사용하려 했다면 잘못된 답이 나왔을 것이다. 분자와 분모를 각각 미분하면 분수는 1x1=x1 이 되고, x→0+limx1=∞ 이다. 로피탈의 정리를 적용할 수 없는 이유는 분자와 분모가 모두 무한대로 가거나 모두 0으로 가는 것과 같은 부정형이 아니기 때문이다.
원본 교재 풀이(영어)
Be careful– this is not an indeterminate form!
As x→0+, the numerator logx→−∞. That is, the numerator is becoming an increasingly huge, negative number.
As x→0+, the denominator x→0+, which only serves to make the total fraction even larger, and still negative. So, x→0+limxlogx=−∞.
Remark: if we had tried to use l'Hopital's Rule here, we would have come up with the wrong answer. If we differentiate the numerator and the denominator, the fraction becomes 1x1=x1, and x→0+limx1=∞. The reason we cannot apply l'Hopital's Rule is that we do not have an indeterminate form, like both numerator and denominator going to infinity, or both numerator and denominator going to zero.
We rearrange the expression to a more natural form:
x→∞lim(logx)2e−xBoth the numerator and denominator go to infinity as x goes to infinity. So, we can apply l’Hoˆpital’s Rule. In fact, we end up applying it twice.The numerator gets smaller and smaller while the denominator gets larger and larger, so:=x→∞limden→∞num→∞ex(logx)2=x→∞limden→∞num→∞xex2logx=x→∞limxex+ex2/x=0