를 을 만족하는 함수라고 하세요. (예를 들어 이면 되지만, 이 문제에서는 가 무엇인지 알 필요가 없습니다.)
(a) 가 구간 에 있을 때마다 임을 보이세요. (b) 구간 에서 의 최댓값을 구하세요. (c) 이라고 가정할 때, 를 오차 이내로 어림하려면 구간을 몇 개 사용해야 하는지 구하세요. (d) (b)에서 구한 의 값을 사용할 때, 를 오차 이내로 어림하려면 구간을 몇 개 사용해야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
Let be a function (For example, will do, but you don't need to know what is for this problem.) with .
(a) Show that whenever is in the interval . (b) Find the maximum value of over the interval . (c) Assuming , how many intervals should you use to approximate to within ? (d) Using the value of you found in (b), how many intervals should you use to approximate to within ?
정답·풀이 보기
(a) 일 때 이고 이므로 이다. (b) 닫힌구간에서 함수의 최댓값을 구하려면, 구간의 양 끝점과 구간 안의 임계점에서 함수의 값을 조사한다. 임계점은 함수의 도함수가 0이거나 존재하지 않는 점이다.
최대화하려는 함수는 이다 (구간에 음이 아닌 수만 있기 때문이다). 따라서 임계점은 이거나 존재하지 않을 때 나타난다. 몫의 미분법을 이용하여 를 구한다.
에 있는 임계점은 뿐이다. 따라서 에서 의 극값은 양 끝점에서 나타난다. 실제로 에 속하는 모든 에 대해 이므로 는 이 구간에서 증가하고, 따라서 최댓값은 에서 나타난다. 즉, (c) 중점법을 사용할 때 절대 오차는 최대 이다. 을 사용하여 이 값이 이하가 되게 하려면, 다음 계산으로 알맞은 의 값을 구한다.
(d) 중점법을 사용할 때 절대 오차는 최대 이다. 을 사용하여 이 값이 이하가 되게 하려면, 다음 계산으로 알맞은 의 값을 구한다.
참고: 이러한 계산을 얼마나 정확하게 할지는 상황에 따라 크게 달라진다. 예를 들어 을 손으로 구하고, 이를 이용해 을 손으로 구한 다음, 근삿값을 계산하도록 컴퓨터를 프로그래밍한다고 하자. 이처럼 간단한 적분에서는 구간 65개와 46개의 계산 시간 차이가 아주 작을 것이다. 따라서 (b)에서 추가로 하는 수고로 얻는 이점은 많지 않다. 그러나 처음의 대충 구한 으로 정도가 나왔다면, 계산 시간을 줄이기 위해 을 개선하는 데 시간을 들일 만하다. 또한 근삿값을 손으로 구한다면 46개의 항을 더하는 것과 65개의 항을 더하는 것의 차이는 상당할 것이므로, 가능한 한 가장 정확한 을 구하는 수고를 미리 들이는 것이 좋을 것이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) When , then and , so . (b) To find the maximum value of a function over a closed interval, we test the function's values at the endpoints of the interval and at its critical points inside the interval. The critical points are where the function's derivative is zero or does not exist.
The function we're trying to maximize is (since our interval only contains nonnegative numbers). So, the critical points occur when or does not exist. We find Using the quotient rule.
The only critical point in is . So, the extrema of over will occur at its endpoints. Indeed, since for all in , is increasing over this interval, so its maximum occurs at . That is, (c) The absolute error using the midpoint rule is at most . Using , if we want this to be no more than , we find an acceptable value of with the following calculation:
(d) The absolute error using the midpoint rule is at most . Using , if we want this to be no more than , we find an acceptable value of with the following calculation:
Remark: how accurate you want to be in these calculations depends a lot on your circumstances. Imagine, for instance, that you were finding by hand, using this to find by hand, then programming a computer to evaluate the approximation. For a simple integral like this, the difference between computing time for 65 intervals versus 46 is likely to be miniscule. So, there's not much to be gained by the extra work in (b). However, if your original sloppy gave you something like , you might want to put some time into improving it, to shorten computation time. Moreover, if you were finding the approximation by hand, the difference between adding 46 terms and adding 65 terms would be considerable, and you would probably want to put in the effort up front to find the most accurate possible.

