유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
84문제 · 5 / 5쪽
81.CLP-2 · 1.11절 · 32번대학 수준우리말 번역
적분 ∫1x21t1dt 를 심프슨 공식으로 어림하여 함수 logx 를 유리함수로 어림하세요. 구간 [1,3] 의 모든 x 에 대해 유리함수 f(x) 와 logx 의 오차가 0.1 이하가 되도록 하세요.
영어 원문 보기
Approximate the function logx with a rational function by approximating the integral ∫1x21t1dt using Simpson's rule. Your rational function f(x) should approximate logx with an error of not more than 0.1 for any x in the interval [1,3].
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
∫1xt1dt 를 심프슨 공식으로 어림하기 전에, 몇 개의 구간을 사용할지 알아야 한다. 그러려면 오차의 한계를 구해야 하고, 이는 dt4d4{t1} 의 한계를 구해야 한다는 뜻이다.
아래는 어림한 함수 f(x) 와 자연로그 함수를 같은 좌표축에 나타낸 그래프이다. 자연로그 함수는 붉은 점선으로, 어림한 함수는 푸른 실선으로 나타냈다. 어림한 함수는 작은 양수 x 에 대해 꽤 정확해 보인다.
원본 교재 풀이(영어)
Before we can take our Simpson's rule approximation of ∫1xt1dt, we need to know how many intervals to use. That means we need to bound our error, which means we need to bound dt4d4{t1}.
Now, we can find an appropriate n to ensure our error will be be less than 0.1 for any x in [1,3]:
180n4L(b−a)5180n424(x−1)5n4Because x−1≤2 for every x in [1,3], if n4>1824⋅25, then n4>1824⋅(x−1)5 for every allowed x.n4n<0.1<101>1824⋅(x−1)5>1824⋅25=3128>43128≈2.6
Since n must be even, n=4 is enough intervals to guarantee our error is not too high for any x in [1,3]. Now we find our Simpson's rule approximation with n=4, a=1, b=x, and Δx=4x−1. The points where we evaluate t1 are:
Below is a graph of our approximation f(x) and natural logarithm on the same axes. The natural logarithm function is shown red and dashed, while our approximating function is solid blue. Our approximation appears to be quite accurate for small, positive values of x.
(a) 이 적분을 u-치환이나 부분적분으로는 정확하게 계산할 수 없는 이유를 설명하세요.
(b) 적절한 부분구간을 사용하여 L4, R4, M4, T4, S8 을 계산하세요.
(c) (b)의 근삿값 중 ∫01xtan(x)dx 의 참값보다 큰 값은 어느 것입니까? 작은 값은 어느 것입니까? 그 이유는 무엇인지 설명하세요.
영어 원문 보기
Consider the definite integral ∫01xtan(x)dx.
(a) Explain why this integral cannot be evaluated exactly by using either u-substitution or by integrating by parts.
(b) Using appropriate subintervals, compute L4, R4, M4, T4, and S8.
(c) Which of the approximations in (b) is an over-estimate to the true value of ∫01xtan(x)dx? Which is an under-estimate? How do you know?
정답·풀이 보기
(a) 함수와 그 도함수의 쌍이 없으므로(합성함수조차 없으므로) u-치환을 사용할 수 없다. 부분적분이 되지 않음을 보이는 것은 더 복잡하지만, 결국 다음 사실로 귀결된다. 자연스러운 선택인 u=x, dv=tan(x)dx 를 쓰면 적분 ∫ln(sec(x))dx 를 계산해야 하는데, 이 적분은 초등함수로 나타낼 수 있는 원시함수를 갖지 않는 것으로 보인다. 대신 u=tan(x), dv=xdx 로 놓으면 적분 ∫x2⋅sec2(x)dx 를 계산해야 하는데, 이는 처음 적분보다 더 복잡하고 다시 부분적분을 시도하면 처음 상태로 되돌아가는 것처럼 보인다.
(b) 계산 도구를 사용하여 다음 근삿값을 구한다. 값은 소수 5 째 자리까지 정확하게 나타낸 것이다.
L4=0.25892
R4=0.64827
M4=0.41550
T4=2L4+R4=0.45360
S8=32M4+T4=0.42820
(c) 이 근삿값들이나 f(x)=xtan(x) 의 그래프로부터, 이 구간에서 f 는 항상 증가하고 아래로 볼록임을 알 수 있다. 따라서 L4 와 M4 는 참값보다 작은 값이고, R4 와 M4 는 참값보다 큰 값이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) We can't use u-substitution since there's not a function-derivative pair present (nor even a composite function). To show that integration by parts doesn't work is more complicated, but comes down to the fact that if we use the natural choice of u=x and dv=tan(x)dx, to do so requires us to evaluate the integral ∫ln(sec(x))dx, which appears not to have an elementary antiderivative. If we try instead u=tan(x) and dv=xdx, then we have to evaluate the integral ∫x2⋅sec2(x)dx which is more complicated than the integral we started with and would seem to send us back where we started if we attempt integration by parts.
(b) We use computational technology to generate the following estimates, which are reported to 5 decimal places of accuracy:
L4=0.25892
R4=0.64827
M4=0.41550
T4=2L4+R4=0.45360
S8=32M4+T4=0.42820
(c) From the values of these estimates or from the graph of f(x)=xtan(x), we can observe that f is always increasing and concave up on the interval. Thus, L4 and M4 are underestimates while R4 and M4 are overestimates.
∫36f(x)dx 의 근삿값으로 L4=7.23, R4=6.75, M4=7.05 이다.
(a) f 는 [3,6] 에서 증가하나요, 감소하나요? 어떤 자료로 알 수 있는지 설명하세요.
(b) f 는 [3,6] 에서 아래로 볼록한가요, 위로 볼록한가요? 그 이유를 설명하세요.
(c) 주어진 정보를 바탕으로 ∫36f(x)dx 에 대한 가능한 한 가장 좋은 추정값을 구하세요.
영어 원문 보기
For an unknown function f(x), the following information is known.
f is continuous on [3,6];
f is either always increasing or always decreasing on [3,6];
f has the same concavity throughout the interval [3,6];
As approximations to ∫36f(x)dx, L4=7.23, R4=6.75, and M4=7.05.
(a) Is f increasing or decreasing on [3,6]? What data tells you?
(b) Is f concave up or concave down on [3,6]? Why?
(c) Determine the best possible estimate you can for ∫36f(x)dx, based on the given information.
정답·풀이 보기
(a) L4=7.23>6.75=R4 이고 함수가 항상 증가하거나 항상 감소한다는 것을 알고 있으므로, 왼쪽 끝점 방법의 값이 오른쪽 끝점 방법의 값보다 크려면 f 는 항상 감소해야 한다.
(b) 주어진 자료로부터 다음을 알 수 있다.
T4=2L4+R4=27.23+6.75=6.99.M4=7.05 이므로
R4<T4<M4<L4. 특히 이 함수는 구간에서 항상 감소할 뿐만 아니라 위로 볼록하다는 것도 알 수 있다. 오목성이 일정하므로, 사다리꼴 공식이 참값보다 작게 추정하면 중점 공식은 참값보다 크게 추정한다(또는 그 반대이다). T4<M4 이므로
T4<∫36f(x)dx<M4
이고, f 는 이 구간에서 위로 볼록해야 한다.
(c) 정적분에 대한 가장 좋은 추정값을 구하기 위해 심프슨 공식을 사용한다. 즉,
∫36f(x)dx≈S8=32M4+T4=32⋅7.05+6.99=7.03.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Because L4=7.23>6.75=R4 and we know the function is always increasing or always decreasing, for the left endpoint rule to give a value greater than the right endpoint rule, f must be always decreasing.
(b) From the given data, we know that
T4=2L4+R4=27.23+6.75=6.99. Since M4=7.05, it follows that
R4<T4<M4<L4. In particular, we know that the function is not only always decreasing on the interval, but it also concave down. Because the concavity is constant, it follows that if the trapezoid rule under-estimates the true value, then the midpoint rule must over-estimate the true value (or vice-versa). Since T4<M4, this means that
T4<∫36f(x)dx<M4
and that f must be concave down on the interval.
(c) We use Simpson's Rule to determine the best possible estimate for the definite integral. That is,
∫36f(x)dx≈S8=32M4+T4=32⋅7.05+6.99=7.03.
미주리주 브랜슨의 화이트 강에 있는 테이블 록 댐을 통과하는 물의 흐름 속도는 초당 세제곱피트(CFS)로 측정한다. 기술자들이 수문을 열면서 유량을 기록한 결과는 다음 표와 같다.
물의 유량 자료.
시간(초), t
0
10
20
30
40
50
60
유량(CFS), r(t)
2000
2100
2400
3000
3900
5100
6500
(a) 위 표에 주어진 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 부피를 나타내는 정적분은 무엇인가요?
(b) 주어진 자료를 이용하여, (a)에서 구한 적분을 어림하기 위해 n 이 가능한 가장 큰 값일 때의 Mn 을 계산하세요. Mn 이 적분의 정확한 값보다 크다고 생각하나요, 작다고 생각하나요? 그 이유는 무엇인가요?
(c) 주어진 자료를 바탕으로, n 이 가능한 가장 큰 값일 때의 Sn 을 계산하여 (a)에서 구한 적분을 어림하세요.
(d) 601Sn 과 72000+2100+2400+3000+3900+5100+6500 을 계산하세요. 이 두 값은 모두 어떤 양을 어림한 것인가요? 어느 쪽이 더 정확한 어림값인가요?
영어 원문 보기
The rate at which water flows through Table Rock Dam on the White River in Branson, MO, is measured in cubic feet per second (CFS). As engineers open the floodgates, flow rates are recorded according to the following chart.
Water flow data.
seconds, t
0
10
20
30
40
50
60
flow in CFS, r(t)
2000
2100
2400
3000
3900
5100
6500
(a) What definite integral measures the total volume of water to flow through the dam in the 60 second time period provided by the table above?
(b) Use the given data to calculate Mn for the largest possible value of n to approximate the integral you stated in (a). Do you think Mn over- or under-estimates the exact value of the integral? Why?
(c) Approximate the integral stated in (a) by calculating Sn for the largest possible value of n, based on the given data.
(d) Compute 601Sn and 72000+2100+2400+3000+3900+5100+6500. What quantity do both of these values estimate? Which is a more accurate approximation?
정답·풀이 보기
(a) r(t) 는 초당 세제곱피트로, △t 는 초로 측정되므로 정적분
∫060r(t)dt
은 60초 동안 댐을 통과한 물의 전체 양(세제곱피트)을 나타낸다.
(b) 함숫값이 7 개이므로 사용할 수 있는 구간의 최대 개수는 6 이다. 함숫값을 계산할 때 자료를 하나씩 건너뛰어 써야 하므로 M3 을 계산할 수 있다. 이렇게 계산하면
∫060r(t)dt≈M3=r(10)⋅20+r(30)⋅20+r(50)⋅20=(2100+3000+5100)⋅20=204000. 따라서 0≤t≤60 동안 댐을 통과한 물은 약 204000 세제곱피트이다.
0≤t≤60 에서 r 은 증가하는 비율이 점점 커지며 증가하는 것으로 보인다. 특히 자료로 보아 이 구간에서 r 은 아래로 볼록이다. 따라서 사다리꼴 공식은 정적분의 참값보다 크게 어림하고, 중점 공식은 참값보다 작게 어림한다. 그러므로
∫060r(t)dt>M3=204000.
(c) S6 으로 적분을 어림하려면 M3 과 함께 T3 의 값을 알아야 한다. T3 을 구하기 위해 L3 과 R3 을 계산한다. 먼저
L3=r(0)⋅20+r(20)⋅20+r(40)⋅20=(2000+2400+3900)⋅20=166000. 마찬가지로
R3=r(20)⋅20+r(40)⋅20+r(60)⋅20=(2400+3900+6500)⋅20=256000. 따라서
T3=2L3+R3=2166000+256000=211000. 이제 S6 을 계산하는 데 필요한 값을 모두 구했다. 그러므로
∫060r(t)dt≈S6=32M3+T3=32⋅204000+211000=3619000≈206333.33.
(d) 먼저
601S6=60206333.33=930950≈3438.89. 이 값은 [0,60] 에서 r 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 그 이유는
rAVG[0,60]=60−01∫060r(t)dt, 이고 ∫060r(t)dt≈S6 이기 때문이다. 따라서 평균적으로 물은 초당 3438.89 세제곱피트의 속도로 댐을 통과한다.
다음으로
72000+2100+2400+3000+3900+5100+6500=725000≈3571.43
은 구간 [0,60] 에서 알려진 r(t) 의 값 7 개의 평균이므로, 이것도 r 의 평균값을 어림한 하나의 값이다. 이 평균은 모든 값을 똑같이 취급한다. 반면 S6 은 양 끝점보다 중점을 더 크게 반영하며, L6 과 R6 같은 단순한 어림값에 내재한 오차의 일부를 없애도록 만들어진 것이다. 7 개의 속도 값의 이 단순 평균은 왼쪽 또는 오른쪽 리만 합을 사용하는 것과 비슷하므로, S6 으로 구한 r 의 평균값 어림값이 댐을 통과하는 물의 평균 속도를 구하는 데 더 정확하다고 예상할 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) Because r(t) is measured in cubic feet per second and △t is measured in seconds, the definite integral
∫060r(t)dt
measures the total amount of water (in cubic feet) that flow through the dam in 60 seconds.
(b) With 7 function values and thus 6 subintervals as the maximum number of intervals we can use, we can compute M3 since we need to use every other data point to evaluate the function. Doing so,
∫060r(t)dt≈M3=r(10)⋅20+r(30)⋅20+r(50)⋅20=(2100+3000+5100)⋅20=204000. Thus, approximately 204000 cubic feet of water pass through the dam on the interval 0≤t≤60.
We observe that r appears to be increasing at an increasing rate on 0≤t≤60. In particular, the data suggests that r is concave up on the interval. As such, the trapezoid rule will over-estimate the true value of the definite integral and the midpoint rule will under-estimate the value. Thus,
∫060r(t)dt>M3=204000.
(c) In order to estimate the integral using S6, we need to know the value of T3 along with M3. To find T3, we compute L3 and R3. First
L3=r(0)⋅20+r(20)⋅20+r(40)⋅20=(2000+2400+3900)⋅20=166000. Similarly,
R3=r(20)⋅20+r(40)⋅20+r(60)⋅20=(2400+3900+6500)⋅20=256000. Thus,
T3=2L3+R3=2166000+256000=211000. Finally, we now have the information needed to compute S6. We thus find that
∫060r(t)dt≈S6=32M3+T3=32⋅204000+211000=3619000≈206333.33.
(d) First,
601S6=60206333.33=930950≈3438.89. This is one estimate for the average value of r on [0,60] since
rAVG[0,60]=60−01∫060r(t)dt, and ∫060r(t)dt≈S6. Thus, on average, water is flowing through the dam at a rate of 3438.89 cubic feet per second.
Next,
72000+2100+2400+3000+3900+5100+6500=725000≈3571.43
is the average of the 7 known values of r(t) on the interval [0,60], and thus is one estimate of the average value of r. This average treats all of them equally, as opposed to S6 which counts midpoints more than endpoints and is developed in such a way to remove some of the error inherent in using simple estimates like L6 and R6. This simple average of 7 rate values is analogous to using a left or right Riemann sum, and thus we expect that the estimate of the average value of r that comes from S6 is more accurate for computing the average rate at which water flows through the dam.