문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 극한·미분 심화

선형근사와 미분소

접선으로 함숫값을 근사하고, dy로 변화량과 오차를 어림한다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

5문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 x=0.93x=0.93 일 때 log⁡(x)\log(x) 의 값을 어림하세요. 곡선 y=f(x)y=f(x) 와 선형 근사의 그래프를 그리세요.

(씨엘피-1 교재에서는 log⁡x\log x 가 xx 의 자연로그 log⁡ex\log_e x 를 뜻한다는 점을 기억하세요.)

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate log⁡(x)\log(x) when x=0.93x=0.93. Sketch the curve y=f(x)y=f(x) and your linear approximation.

(Remember that in CLP-1 we use log⁡x\log x to mean the natural logarithm of xx, log⁡ex\log_e x.)

정답·풀이 보기

f(0.93)f(0.93) 이 얼마인지는 알 수 없지만, 0.93 은 1 에 매우 가깝고 f(1)f(1) 은 분명히 알고 있다. x=1x=1 근처에서 f(x)f(x) 의 선형 근사는 다음과 같이 주어진다.

f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)따라서 다음을 계산한다:f(1)=log⁡(1)=0f′(x)=1xf′(1)=11=1그러므로f(x)≈0+1(x−1)=x−1x=0.93 일 때:f(0.93)≈0.93−1=−0.07\begin{aligned} f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1) \\ \text{따라서 다음을 계산한다:} \\ f(1)&=\log(1)=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\\ f'(1)&=\frac{1}{1}=1 \\ \text{그러므로} \\ f(x) &\approx 0+1(x-1)=x-1 \\ \text{$x=0.93$ 일 때:} \\ f(0.93) &\approx 0.93-1=-0.07 \end{aligned}

그림

원본 교재 풀이(영어)

We have no idea what f(0.93)f(0.93) is, but 0.93 is pretty close to 1, and we definitely know f(1)f(1). The linear approximation of f(x)f(x) about x=1x=1 is given by

f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)So, we calculate:f(1)=log⁡(1)=0f′(x)=1xf′(1)=11=1Therefore,f(x)≈0+1(x−1)=x−1When x=0.93:f(0.93)≈0.93−1=−0.07\begin{aligned} f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1) \\ \text{So, we calculate:} \\ f(1)&=\log(1)=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\\ f'(1)&=\frac{1}{1}=1 \\ \text{Therefore,} \\ f(x) &\approx 0+1(x-1)=x-1 \\ \text{When $x=0.93$:} \\ f(0.93) &\approx 0.93-1=-0.07 \end{aligned}

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 선형근사와 미분소그래프·표 해석보통자동 분류
2.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 5\sqrt{5} 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 5\sqrt{5}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

4 는 완전제곱수이고 5 에 가까우므로, 함수 f(x)=xf(x)=\sqrt{x} 를 x=4x=4 에서 근사한다.

f(4)=4=2f′(x)=12x⇒f′(4)=124=14f(x)≈f(4)+f′(4)(x−4)=2+14(x−4)f(5)≈2+14(5−4)=94\begin{aligned} f(4)&=\sqrt{4}=2\\ f'(x)&=\frac{1}{2\sqrt{x}} \qquad \Rightarrow \qquad f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}\\ f(x) &\approx f(4)+f'(4)(x-4)=2+\frac{1}{4}(x-4)\\ f(5)&\approx 2+\frac{1}{4}(5-4)=\frac{9}{4} \end{aligned}

5≈94\sqrt{5}\approx\dfrac{9}{4} 로 어림한다.

참고: (94)2=8116\left(\dfrac{9}{4}\right)^2=\dfrac{81}{16} 이고, 이는 8016=5\dfrac{80}{16}=5 에 꽤 가깝다. 따라서 이 근삿값은 꽤 좋아 보인다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=xf(x)=\sqrt{x} about x=4x=4, since 4 is a perfect square and it is close to 5.

f(4)=4=2f′(x)=12x⇒f′(4)=124=14f(x)≈f(4)+f′(4)(x−4)=2+14(x−4)f(5)≈2+14(5−4)=94\begin{aligned} f(4)&=\sqrt{4}=2\\ f'(x)&=\frac{1}{2\sqrt{x}} \qquad \Rightarrow \qquad f'(4)=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}\\ f(x) &\approx f(4)+f'(4)(x-4)=2+\frac{1}{4}(x-4)\\ f(5)&\approx 2+\frac{1}{4}(5-4)=\frac{9}{4} \end{aligned}

We estimate 5≈94\sqrt{5}\approx\dfrac{9}{4}.

Remark: (94)2=8116\left(\dfrac{9}{4}\right)^2=\dfrac{81}{16}, which is pretty close to 8016=5\dfrac{80}{16}=5. Our approximation seems pretty good.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
3.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 305\sqrt[5]{30} 을 어림하세요

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 305\sqrt[5]{30}

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=x5f(x)=\sqrt[5]{x} 를 근사한다. f(a)f(a) 와 f′(a)f'(a) 를 알 수 있고 aa 가 3030 에서 너무 멀지 않도록, 어떤 값 x=ax=a 를 중심으로 근사해야 한다.

f(x)=x5=x15f′(x)=15x−45=15x54a 는 5제곱근을 아는 수여야 한다. 325=2 이고 32는 30에 꽤 가까우므로 a=32 가 아주 좋은 선택이다.f(32)=325=2f′(32)=15⋅24=180x=32 에서 f(x) 의 선형 근사는f(x)≈2+180(x−32)x=30 일 때:f(30)≈2+180(30−32)=2−140=7940\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[5]{x}=x^{\frac{1}{5}}\\ f'(x)&=\frac{1}{5}x^{-\frac{4}{5}}=\frac{1}{5\sqrt[5]{x}^4} \\ \text{$a$ 는 5제곱근을 아는 수여야 한다. $\sqrt[5]{32}=2$ 이고 32는 30에 꽤 가까우므로 $a=32$ 가 아주 좋은 선택이다.} \\ f(32)&=\sqrt[5]{32}=2\\ f'(32)&=\frac{1}{5\cdot 2^4}=\frac{1}{80} \\ \text{$x=32$ 에서 $f(x)$ 의 선형 근사는} \\ f(x) &\approx 2+\frac{1}{80}(x-32) \\ \text{$x=30$ 일 때:} \\ f(30) &\approx 2+\frac{1}{80}(30-32)=2-\frac{1}{40}=\frac{79}{40} \end{aligned}

따라서 305≈7940\sqrt[5]{30}\approx \dfrac{79}{40} 로 어림한다.

참고: 7940=1.975\dfrac{79}{40} = 1.975 이고, 305≈1.97435\sqrt[5]{30} \approx 1.97435 이다. 꽤 괜찮은 어림이다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=x5f(x)=\sqrt[5]{x}. We need to centre the approximation about some value x=ax=a such that we know f(a)f(a) and f′(a)f'(a), and aa is not too far from 3030.

f(x)=x5=x15f′(x)=15x−45=15x54a needs to be a number whose fifth root we know. Since 325=2, and 32 is reasonably close to 30, a=32 is a great choice.f(32)=325=2f′(32)=15⋅24=180The linear approximation of f(x) about x=32 isf(x)≈2+180(x−32)When x=30:f(30)≈2+180(30−32)=2−140=7940\begin{aligned} f(x)&=\sqrt[5]{x}=x^{\frac{1}{5}}\\ f'(x)&=\frac{1}{5}x^{-\frac{4}{5}}=\frac{1}{5\sqrt[5]{x}^4} \\ \text{$a$ needs to be a number whose fifth root we know. Since $\sqrt[5]{32}=2$, and 32 is reasonably close to 30, $a=32$ is a great choice.} \\ f(32)&=\sqrt[5]{32}=2\\ f'(32)&=\frac{1}{5\cdot 2^4}=\frac{1}{80} \\ \text{The linear approximation of $f(x)$ about $x=32$ is} \\ f(x) &\approx 2+\frac{1}{80}(x-32) \\ \text{When $x=30$:} \\ f(30) &\approx 2+\frac{1}{80}(30-32)=2-\frac{1}{40}=\frac{79}{40} \end{aligned}

We estimate 305≈7940\sqrt[5]{30}\approx \dfrac{79}{40}.

Remark: 7940=1.975\dfrac{79}{40} = 1.975, while 305≈1.97435\sqrt[5]{30} \approx 1.97435. This is a decent estimation.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 5번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 라 하자.

(a) 선형 근사를 이용하여 f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5) 를 어림하세요. (b) 이차 근사를 이용하여 f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5) 를 어림하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x.

(a) Use a linear approximation to estimate f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5). (b) Use a quadratic approximation to estimate f(5.1)−f(5)f(5.1)-f(5).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

먼저 x=5x=5 에서 ff 의 1계 미분계수와 2계 미분계수를 구하자.

f′(x)=11+x2f′(5)=126f′′(x)=−2x(1+x2)2f′′(5)=−10262\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{1+x^2} & f'(5)&=\frac{1}{26}\\ f''(x)&=\frac{-2x}{\left(1+x^2\right)^2} & f''(5)&=\frac{-10}{26^2} \end{aligned}

Δx=110 일 때 Δy 의 선형 근사는Δy≈f′(5)Δx=126⋅110=1260≈0.003846Δx=110 일 때 Δy 의 이차 근사는Δy≈f′(5)Δx+12f′′(5)(Δx)2=126⋅110+12⋅−10262⋅1102=5113520≈0.003772\begin{aligned} \\ \text{$\Delta x = \dfrac{1}{10}$ 일 때 $\Delta y$ 의 선형 근사는} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x = \frac{1}{26}\cdot \frac{1}{10}=\frac{1}{260} \approx 0.003846 \\ \text{$\Delta x = \dfrac{1}{10}$ 일 때 $\Delta y$ 의 이차 근사는} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x + \frac{1}{2}f''(5)\left(\Delta x\right)^2 = \frac{1}{26}\cdot\frac{1}{10}+\frac{1}{2}\cdot\frac{-10}{26^2}\cdot\frac{1}{10^2}=\frac{51}{13520}\approx 0.003772 \end{aligned}

참고: Δy=arctan⁡(5.1)−arctan⁡(5)≈0.003774\Delta y = \arctan(5.1)-\arctan(5)\approx 0.003774 이다.

원본 교재 풀이(영어)

First, let's find the first and second derivatives of ff when x=5x=5.

f′(x)=11+x2f′(5)=126f′′(x)=−2x(1+x2)2f′′(5)=−10262\begin{aligned} f'(x)&=\frac{1}{1+x^2} & f'(5)&=\frac{1}{26}\\ f''(x)&=\frac{-2x}{\left(1+x^2\right)^2} & f''(5)&=\frac{-10}{26^2} \end{aligned}

The linear approximation for Δy when Δx=110 isΔy≈f′(5)Δx=126⋅110=1260≈0.003846The quadratic approximation for Δy when Δx=110 isΔy≈f′(5)Δx+12f′′(5)(Δx)2=126⋅110+12⋅−10262⋅1102=5113520≈0.003772\begin{aligned} \\ \text{The linear approximation for $\Delta y$ when $\Delta x = \dfrac{1}{10}$ is} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x = \frac{1}{26}\cdot \frac{1}{10}=\frac{1}{260} \approx 0.003846 \\ \text{The quadratic approximation for $\Delta y$ when $\Delta x = \dfrac{1}{10}$ is} \\ \Delta y &\approx f'(5)\Delta x + \frac{1}{2}f''(5)\left(\Delta x\right)^2 = \frac{1}{26}\cdot\frac{1}{10}+\frac{1}{2}\cdot\frac{-10}{26^2}\cdot\frac{1}{10^2}=\frac{51}{13520}\approx 0.003772 \end{aligned}

Remark: Δy=arctan⁡(5.1)−arctan⁡(5)≈0.003774\Delta y = \arctan(5.1)-\arctan(5)\approx 0.003774.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 2번
# 선형근사와 미분소계산보통자동 분류
5.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

높이 xx 미터의 절벽에서 물로 뛰어내릴 때, 물에 닿는 순간의 속력은 다음과 같이 주어진다. s(x)=19.6x  msecs(x)=\sqrt{19.6x}~~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{sec}} 마지막 다이빙은 높이 4 미터에서 한 것이었다.

(a) Δy\Delta y 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 xx 미터에서, 두 번째는 x+Δxx+\Delta x 미터에서, 세 번째는 x+2Δxx+2\Delta x 미터에서 뛰어내리며, xx 와 Δx\Delta x 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 xx metres above the water, your speed as you hit the water is given by s(x)=19.6x  msecs(x)=\sqrt{19.6x}~~\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{sec}} Your last dive was from a height of 4 metres.

(a) Use a linear approximation of Δy\Delta y 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 xx metres, the second from x+Δxx+\Delta x metres, and the third from x+2Δxx+2\Delta x metres, for some fixed positive values of xx and Δx\Delta x. 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)

xx 가 4 근처일 때, Δy\Delta y 의 선형 근사는

Δy≈s′(4)Δx문제에서 Δx=5−4=1 이다. 미분하면,s′(t)=19.6⋅12x=4.9x, 이므로 s′(4)=4.94선형 근사에 의하여Δy≈4.94(1)≈1.1\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(4)\Delta x \\ \text{문제에서 $\Delta x= 5-4=1$ 이다. 미분하면,} \\ s'(t)&=\sqrt{19.6}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}=\sqrt{\frac{4.9}{x}},\text{ 이므로 }\\ s'(4)&=\sqrt{\frac{4.9}{4}} \\ \text{선형 근사에 의하여} \\ \Delta y& \approx \sqrt{\frac{4.9}{4}}(1)\approx1.1 \end{aligned}

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=4.9a⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(a)\Delta x\\ &=\sqrt{\frac{4.9}{a}}\cdot\Delta x \end{aligned}

첫 두 점프 사이와 마지막 두 점프 사이의 높이 차이는 Δx\Delta x 로 같다. 첫 번째 점프의 처음 높이는 두 번째 점프의 처음 높이보다 낮다. 그러므로 aa 에 해당하는 값은 첫 번째 점프에서가 두 번째 점프에서보다 작다. 따라서 Δy\Delta y 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

Δy≈4.9x⋅Δx한편 다음 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는Δy≈4.9x+Δx⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x}}\cdot\Delta x \\ \text{한편 다음 두 점프 사이의 종단 속력의 변화는} \\ \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x \end{aligned}

xx 와 Δx\Delta x 가 양수일 때 4.9x⋅Δx>4.9x+Δx⋅Δx \sqrt{\dfrac{4.9}{x}}\cdot\Delta x> \sqrt{\dfrac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x 이므로, 종단 속력의 변화는 첫 두 점프 사이에서가 다음 두 점프 사이에서보다 크다.

원본 교재 풀이(영어)

(a)

When xx is near 4, the linear approximation of Δy\Delta y is

Δy≈s′(4)ΔxFrom the problem, Δx=5−4=1. Differentiating,s′(t)=19.6⋅12x=4.9x, so s′(4)=4.94The linear approximation gives usΔy≈4.94(1)≈1.1\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(4)\Delta x \\ \text{From the problem, $\Delta x= 5-4=1$. Differentiating,} \\ s'(t)&=\sqrt{19.6}\cdot\frac{1}{2\sqrt{x}}=\sqrt{\frac{4.9}{x}},\text{ so }\\ s'(4)&=\sqrt{\frac{4.9}{4}} \\ \text{The linear approximation gives us} \\ \Delta y& \approx \sqrt{\frac{4.9}{4}}(1)\approx1.1 \end{aligned}

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=4.9a⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx s'(a)\Delta x\\ &=\sqrt{\frac{4.9}{a}}\cdot\Delta x \end{aligned}

The difference in height between the first two jumps and between the last two jumps is the same, Δx\Delta x. The initial height of the first jump is smaller than the initial height of the second jump. So, the value corresponding to aa is smaller for the first jump than for the second. Therefore, Δy\Delta y 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

Δy≈4.9x⋅Δxwhile the change in terminal speed between the next two jumps isΔy≈4.9x+Δx⋅Δx\begin{aligned} \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x}}\cdot\Delta x \\ \text{while the change in terminal speed between the next two jumps is} \\ \Delta y &\approx \sqrt{\frac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x \end{aligned}

Since 4.9x⋅Δx>4.9x+Δx⋅Δx \sqrt{\dfrac{4.9}{x}}\cdot\Delta x> \sqrt{\dfrac{4.9}{x+\Delta x}}\cdot\Delta x (when xx and Δx\Delta x are positive), the change in terminal speed is greater between the first two jumps than between the next two jumps.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.2절 · 8번
# 선형근사와 미분소활용보통자동 분류