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.

4문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

상수 근사를 이용하여 10.1310.1^3 의 값을 어림하세요. 어림한 값은 암산으로 계산할 수 있는 것이어야 합니다.

영어 원문 보기

Use a constant approximation to estimate the value of 10.1310.1^3. Your estimation should be something you can calculate in your head.

정답·풀이 보기

10.110.1 은 1010 에 꽤 가까우므로 10.13≈103=100010.1^3 \approx 10^3=1000 으로 어림한다.

참고: 이러한 어림은 계산을 할 때 매우 유용하다. 계산 과정에서 실수하기 쉬운데, 10.1310.1^3 이 대략 천 정도여야 한다는 것을 염두에 두면 구한 답이 타당한지 확인하는 좋은 방법이 된다.

원본 교재 풀이(영어)

Since 10.110.1 is pretty close to 1010, we estimate 10.13≈103=100010.1^3 \approx 10^3=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 10.1310.1^3 should be about a thousand is a good way to check that whatever answer you have makes sense.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 4.2절 · 28번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
2.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 10.1310.1^3 의 값을 어림하고, 어림한 값을 실제 값과 비교하세요.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate 10.1310.1^3, then compare your estimation with the actual value.

정답·풀이 보기

f(x)=x3f(x)=x^3 이면 f(10.1)=10.13f(10.1)=10.1^3 이고, 이것이 우리가 어림하려는 값이다. x=10x=10 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사를 구해 보자.

f(10)=103=1000f′(x)=3x2f′(10)=3(102)=300f(a)≈f(10)+f′(10)(x−10)=1000+300(x−10)f(10.1)≈1000+300(10.1−10)=1030\begin{aligned} f(10)&=10^3=1000\\ f'(x)&=3x^2\\ f'(10)&=3(10^2)=300\\ f(a) &\approx f(10)+f'(10)(x-10)\\ &=1000+300(x-10)\\ f(10.1)& \approx 1000+300(10.1-10)=1030 \end{aligned}

따라서 10.13≈103010.1^3 \approx 1030 으로 어림한다. 10.1310.1^3 을 정확하게 계산하면(손으로도 충분히 계산할 수 있다) 1030.301 이다.

참고: 앞 절에서는 상수 근사를 이용하여 10.13≈100010.1^3 \approx 1000 으로 어림했다. 그 어림은 몇 초 만에 머릿속으로 쉽게 할 수 있었다. 선형 근사는 더 정확하지만, 10.1310.1^3 을 그냥 계산하는 것보다 그리 빠르지는 않다.

원본 교재 풀이(영어)

If f(x)=x3f(x)=x^3, then f(10.1)=10.13f(10.1)=10.1^3, which is the value we want to estimate. Let's take the linear approximation of f(x)f(x) about x=10x=10:

f(10)=103=1000f′(x)=3x2f′(10)=3(102)=300f(a)≈f(10)+f′(10)(x−10)=1000+300(x−10)f(10.1)≈1000+300(10.1−10)=1030\begin{aligned} f(10)&=10^3=1000\\ f'(x)&=3x^2\\ f'(10)&=3(10^2)=300\\ f(a) &\approx f(10)+f'(10)(x-10)\\ &=1000+300(x-10)\\ f(10.1)& \approx 1000+300(10.1-10)=1030 \end{aligned}

We estimate 10.13≈103010.1^3 \approx 1030. If we calculate 10.1310.1^3 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≈100010.1^3 \approx 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 10.1310.1^3.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 6번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
3.CLP-1 · 3.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 어떤 함수이고 f(b)f(b) 를 어림하려 한다고 가정하세요. 이를 위해 값 aa 를 택하고 aa 에서 f(x)f(x) 의 (선형 또는 상수) 근사를 사용합니다. 상수 근사가 선형 근사보다 f(b)f(b) 를 더 정확하게 어림하는 함수 f(x)f(x) 와 값 aa, bb 의 예를 하나 드세요.

영어 원문 보기

Imagine f(x)f(x) is some function, and you want to estimate f(b)f(b). To do this, you choose a value aa and take an approximation (linear or constant) of f(x)f(x) about aa. Give an example of a function f(x)f(x), and values aa and bb, where the constant approximation gives a more accurate estimation of f(b)f(b) than the linear approximation.

정답·풀이 보기

가능한 답은 여러 가지이다. 그중 하나는 다음과 같다. f(x)=sin⁡xa=0b=πf(x)=\sin x \qquad a=0 \qquad b=\pi f(π)=0f(\pi)=0 이고 f(0)=0f(0)=0 임을 안다. x=0x=0 에서 f(x)f(x) 의 상수 근사를 사용하면 f(π)≈f(0)=0f(\pi)\approx f(0)=0 으로 어림되며, 이는 정확한 값과 같다. 그러나 x=0x=0 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사를 만들면 f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin⁡(0)+cos⁡(0)π=πf(\pi) \approx f(0)+f'(0)(\pi-0)=\sin(0)+\cos(0)\pi=\pi 가 되고, 이는 정확한 값이 아니다.

그림

참고: 실제로는 sin⁡(π)\sin(\pi) 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)=sin⁡xa=0b=πf(x)=\sin x \qquad a=0 \qquad b=\pi We know that f(π)=0f(\pi)=0 and f(0)=0f(0)=0. Using a constant approximation of f(x)f(x) about x=0x=0, our estimation is f(π)≈f(0)=0f(\pi)\approx f(0)=0, which is exactly the correct value. However, is we make a linear approximation of f(x)f(x) about x=0x=0, we get f(π)≈f(0)+f′(0)(π−0)=sin⁡(0)+cos⁡(0)π=πf(\pi) \approx f(0)+f'(0)(\pi-0)=\sin(0)+\cos(0)\pi=\pi which is not exactly the correct value.

figure

Remark: in reality, we wouldn't estimate sin⁡(π)\sin(\pi), 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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류
4.CLP-1 · 3.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

함수 L(x)=14x+4π−2712L(x)=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} 은 f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x 의 어느 점 x=ax=a 에서의 선형 근사인지 구하세요.

영어 원문 보기

The function L(x)=14x+4π−2712L(x)=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} is the linear approximation of f(x)=arctan⁡xf(x)=\arctan x about what point x=ax=a?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

x=ax=a 에서 f(x)f(x) 의 선형 근사 L(x)L(x) 는 L(a)=f(a)L(a)=f(a) 이고 L′(a)=f′(a)L'(a)=f'(a) 가 되도록 정해진다. 따라서

L′(a)=f′(a)=11+a214=11+a2a=±3a 는 3 또는 −3 으로 좁혀졌다. x=a 에서 f(x) 의 선형 근사는 f(a)+f′(a)(x−a) 이므로, 그 상수항은 f(a)−af′(a)=arctan⁡(a)−a1+a2 임을 떠올리자. 이를 a=3 과 a=−3 에 대해 계산한다.a=3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(3)−31+(3)2=π3−34=4π−2712a=−3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(−3)−−31+(−3)2=−π3+34=−4π+2712따라서 a=3 일 때,L(x)=14x+4π−2712\begin{aligned} L'(a)&= f'(a)=\dfrac{1}{1+a^2}\\ \frac{1}{4}&=\frac{1}{1+a^2}\\ a&=\pm\sqrt{3} \\ \text{$a$ 는 $\sqrt{3}$ 또는 $-\sqrt{3}$ 으로 좁혀졌다. $x=a$ 에서 $f(x)$ 의 선형 근사는 $f(a)+f'(a)(x-a)$ 이므로, 그 상수항은 $f(a)-af'(a)=\arctan(a)-\dfrac{a}{1+a^2}$ 임을 떠올리자. 이를 $a=\sqrt{3}$ 과 $a=-\sqrt{3}$ 에 대해 계산한다.} \\ a=\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(\sqrt{3}\right)-\frac{\sqrt{3}}{1+\left(\sqrt{3}\right)^2}=\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12}\\ a=-\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(-\sqrt{3}\right)-\frac{-\sqrt{3}}{1+\left(-\sqrt{3}\right)^2}=-\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{-4\pi+\sqrt{27}}{12} \\ \text{따라서 $a=\sqrt{3}$ 일 때,} \\ L(x)&=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} \end{aligned}

이고, 이는 a=−3a=-\sqrt{3} 일 때는 성립하지 않는다. 따라서 a=3a=\sqrt{3} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The linear approximation L(x)L(x) of f(x)f(x) about x=ax=a is chosen so that L(a)=f(a)L(a)=f(a) and L′(a)=f′(a)L'(a)=f'(a). So,

L′(a)=f′(a)=11+a214=11+a2a=±3We’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)−a1+a2. We compute this for a=3 and a=−3.a=3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(3)−31+(3)2=π3−34=4π−2712a=−3:  arctan⁡(a)−a1+a2=arctan⁡(−3)−−31+(−3)2=−π3+34=−4π+2712So, when a=3,L(x)=14x+4π−2712\begin{aligned} L'(a)&= f'(a)=\dfrac{1}{1+a^2}\\ \frac{1}{4}&=\frac{1}{1+a^2}\\ a&=\pm\sqrt{3} \\ \text{We've narrowed down $a$ to $\sqrt{3}$ or $-\sqrt{3}$. Recall the linear approximation of $f(x)$ about $x=a$ is $f(a)+f'(a)(x-a),$ so its constant term is $f(a)-af'(a)=\arctan(a)-\dfrac{a}{1+a^2}$. We compute this for $a=\sqrt{3}$ and $a=-\sqrt{3}$.} \\ a=\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(\sqrt{3}\right)-\frac{\sqrt{3}}{1+\left(\sqrt{3}\right)^2}=\frac{\pi}{3}-\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12}\\ a=-\sqrt{3}:~&~\arctan\left(a\right)-\frac{a}{1+a^2} =\arctan\left(-\sqrt{3}\right)-\frac{-\sqrt{3}}{1+\left(-\sqrt{3}\right)^2}=-\frac{\pi}{3}+\frac{\sqrt{3}}{4}=\frac{-4\pi+\sqrt{27}}{12} \\ \text{So, when $a=\sqrt{3}$,} \\ L(x)&=\frac{1}{4}x+\frac{4\pi-\sqrt{27}}{12} \end{aligned}

and this does not hold when a=−3a=-\sqrt{3}. We conclude a=3a=\sqrt{3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 8번
# 선형근사와 미분소계산도전자동 분류