문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

테일러 다항식과 오차

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x)=x3[2log⁡x−113]f(x)=x^3\left[2\log x - \dfrac{11}{3}\right] 의 x=ax=a 에서의 3차 테일러 다항식이 T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T_3(x)=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3 일 때, aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

The third order Taylor polynomial for f(x)=x3[2log⁡x−113]f(x)=x^3\left[2\log x - \dfrac{11}{3}\right] about x=ax=a is T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T_3(x)=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3 What is aa?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

T3(x)T_3(x) 는 x=ax=a 에서 f(x)f(x) 의 3차 테일러 다항식이므로 다음이 성립한다.

  • f(a)=T3(a)f(a)=T_3(a)
  • f′(a)=T3′(a)f'(a)=T'_3(a)
  • f′′(a)=T3′′(a)f''(a)=T''_3(a)
  • f′′′(a)=T3′′′(a)f'''(a)=T'''_3(a)

그런데 이 중 일부는 별로 쓸모가 없어 보인다. 예를 들어 첫 번째 항목을 이용하면 다음 방정식을 얻는다. a3[2log⁡a−113]=−23e3+3ea−6ea2+a3a^3\left[2\log a - \frac{11}{3}\right]=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ea-6\sqrt{e}a^2+a^3 이것을 푸는 것은 매우 어렵다. 대신 목록의 아래로 갈수록 식이 어떻게 되는지 생각해 보자. T3(x)T_3(x) 는 삼차식이므로 T3′′′(x)T_3'''(x) 는 상수이다(따라서 T3′′′(a)T_3'''(a) 는 aa 에 의존하지 않는다). 이것이 가장 간단한 방법일 것 같다. 미분을 시작하자. f′′′(a)f'''(a) 와 T3′′′(a)T_3'''(a) 를 모두 알아야 한다.

f(x)=x3[2log⁡x−113]f′(x)=x3[2x]+3x2[2log⁡x−113]=6x2log⁡x−9x2f′′(x)=6x2⋅1x+12xlog⁡x−18x=12xlog⁡x−12xf′′′(x)=12x⋅1x+12log⁡x−12=12log⁡xf′′′(a)=12log⁡a이제 테일러 다항식으로 넘어가자. e 는 상수임을 기억하자.T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T3′(x)=3e−12ex+3x2T3′′(x)=−12e+6xT3′′′(x)=6T3′′′(a)=6마지막 항목에서 다음 방정식을 얻는다:f′′′(a)=T3′′′(a)12log⁡a=6log⁡a=12a=e12\begin{aligned} f(x)&=x^3\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]\\ f'(x)&=x^3\left[\frac{2}{x}\right]+3x^2\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]=6x^2\log x -9x^2\\ f''(x)&=6x^2\cdot\frac{1}{x}+12x\log x - 18x=12x\log x - 12 x\\ f'''(x)&=12x\cdot\frac{1}{x}+12\log x - 12 = 12\log x\\ f'''(a)&=12\log a \\ \text{이제 테일러 다항식으로 넘어가자. $e$ 는 상수임을 기억하자.} \\ T_3(x)&=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3\\ T_3'(x)&=3e-12\sqrt{e}x+3x^2\\ T_3''(x)&=-12\sqrt{e}+6x\\ T_3'''(x)&=6\\ T_3'''(a)&=6 \\ \text{마지막 항목에서 다음 방정식을 얻는다:} \\ f'''(a)&=T_3'''(a)\\ 12\log a &= 6\\ \log a &= \frac{1}{2}\\ a&=e^{\tfrac{1}{2}} \end{aligned}

따라서 a=ea=\sqrt{e} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since T3(x)T_3(x) is the third order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=ax=a, we know the following things to be true:

  • f(a)=T3(a)f(a)=T_3(a)
  • f′(a)=T3′(a)f'(a)=T'_3(a)
  • f′′(a)=T3′′(a)f''(a)=T''_3(a)
  • f′′′(a)=T3′′′(a)f'''(a)=T'''_3(a)

But, some of these don't look super useful. For instance, if we try to use the first bullet, we get this equation: a3[2log⁡a−113]=−23e3+3ea−6ea2+a3a^3\left[2\log a - \frac{11}{3}\right]=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ea-6\sqrt{e}a^2+a^3 Solving this would be terrible. Instead, let's think about how the equations look when we move further down the list. Since T3(x)T_3(x) is a cubic equation, T3′′′(x)T_3'''(x) is a constant (and so T3′′′(a)T_3'''(a) does not depend on aa). That sounds like it's probably the simplest option. Let's start differentiating. We'll need to know both f′′′(a)f'''(a) and T3′′′(a)T_3'''(a).

f(x)=x3[2log⁡x−113]f′(x)=x3[2x]+3x2[2log⁡x−113]=6x2log⁡x−9x2f′′(x)=6x2⋅1x+12xlog⁡x−18x=12xlog⁡x−12xf′′′(x)=12x⋅1x+12log⁡x−12=12log⁡xf′′′(a)=12log⁡aNow, let’s move to the Taylor polynomial. Remember that e is a constant.T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T3′(x)=3e−12ex+3x2T3′′(x)=−12e+6xT3′′′(x)=6T3′′′(a)=6The final bullet point gives us the equation:f′′′(a)=T3′′′(a)12log⁡a=6log⁡a=12a=e12\begin{aligned} f(x)&=x^3\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]\\ f'(x)&=x^3\left[\frac{2}{x}\right]+3x^2\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]=6x^2\log x -9x^2\\ f''(x)&=6x^2\cdot\frac{1}{x}+12x\log x - 18x=12x\log x - 12 x\\ f'''(x)&=12x\cdot\frac{1}{x}+12\log x - 12 = 12\log x\\ f'''(a)&=12\log a \\ \text{Now, let's move to the Taylor polynomial. Remember that $e$ is a constant.} \\ T_3(x)&=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3\\ T_3'(x)&=3e-12\sqrt{e}x+3x^2\\ T_3''(x)&=-12\sqrt{e}+6x\\ T_3'''(x)&=6\\ T_3'''(a)&=6 \\ \text{The final bullet point gives us the equation:} \\ f'''(a)&=T_3'''(a)\\ 12\log a &= 6\\ \log a &= \frac{1}{2}\\ a&=e^{\tfrac{1}{2}} \end{aligned}

So, a=ea=\sqrt{e}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.4절 · 1번우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 x=1x=1 에서의 3차 테일러 다항식이 T3(x)=x3−5x2+9xT_3(x)=x^3-5x^2+9x 일 때, f′′(1)f''(1) 의 값을 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

T3(x)T_3(x) 는 f(x)f(x) 의 x=1x=1 에서의 3차 테일러 다항식이므로

  • T3(1)=f(1)T_3(1)=f(1)
  • T3′(1)=f′(1)T_3'(1)=f'(1)
  • T3′′(1)=f′′(1)T_3''(1)=f''(1)
  • T3′′′(1)=f′′′(1)T_3'''(1)=f'''(1)

특히 f′′(1)=T3′′(1)f''(1)=T_3''(1) 이다.

T3′(x)=3x2−10x+9T3′′(x)=6x−10T3′′(1)=6−10=−4\begin{aligned} T_3'(x)&=3x^2-10x+9\\ T_3''(x)&=6x-10\\ T_3''(1)&=6-10=-4 \end{aligned}

따라서 f′′(1)=−4f''(1)=-4 이다.

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