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 · 2번대학 수준우리말 번역

t=5t=5 에서 s(t)=4.9t2−t+10s(t)=4.9t^2-t+10 의 100차 테일러 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

Give the 100th order Taylor polynomial for s(t)=4.9t2−t+10s(t)=4.9t^2-t+10 about t=5t=5.

정답·풀이 보기

테일러 다항식은 함수 s(t)s(t) 의 다항식 근사를 준다. s(t)s(t) 자체가 다항식이므로, nn 이 s(t)s(t) 의 차수보다 크거나 같을 때 nn차 테일러 다항식은 그대로 s(t)s(t) 가 된다. 따라서 이 경우 T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10T_{100}(t)=s(t)=4.9t^2-t+10 이다.

이것이 만족스럽지 않다면 T100(t)T_{100}(t) 를 구하는 일반적인 방법으로 계산해 볼 수 있다.

s(t)=4.9t2−t+10s(5)=4.9(25)−5+10=127.5s′(t)=9.8t−1s′(5)=9.8(5)−1=48s′′(t)=9.8s′′(5)=9.8\begin{aligned} s(t)&=4.9t^2-t+10 & s(5)&=4.9(25)-5+10=127.5\\ s'(t)&=9.8t-1 & s'(5)&=9.8(5)-1=48\\ s''(t)&=9.8 & s''(5)&=9.8 \end{aligned}

s(t)s(t) 의 나머지 도함수는 모두 항등적으로 0 이므로 특히 t=5t=5 일 때도 0 이다. 따라서

T100(t)=127.5+48(t−5)+129.8(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+\frac{1}{2}9.8(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2 \end{aligned}

이제 T100(t)T_{100}(t) 가 정말 s(t)s(t) 와 같은지 확인할 수 있다.

T100(t)=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t2−10t+25)=[127.5+48(−5)+4.9(25)]+[48−4.9(10)]t+4.9t2=10−t+4.9t2=s(t)\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t^2-10t+25)\\ &=[127.5+48(-5)+4.9(25)]+[48-4.9(10)]t+4.9t^2\\ &=10-t+4.9t^2=s(t) \end{aligned}

예상대로이다.

원본 교재 풀이(영어)

A Taylor polynomial gives a polynomial approximation for a function s(t)s(t). Since s(t)s(t) is itself a polynomial, any nnth order Taylor polynomial, with nn greater than or equal to the degree of s(t)s(t), will simply give s(t)s(t). So, in our case, T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10T_{100}(t)=s(t)=4.9t^2-t+10.

If that isn't satisfying, you can go through the normal method of calculating T100(t)T_{100}(t).

s(t)=4.9t2−t+10s(5)=4.9(25)−5+10=127.5s′(t)=9.8t−1s′(5)=9.8(5)−1=48s′′(t)=9.8s′′(5)=9.8\begin{aligned} s(t)&=4.9t^2-t+10 & s(5)&=4.9(25)-5+10=127.5\\ s'(t)&=9.8t-1 & s'(5)&=9.8(5)-1=48\\ s''(t)&=9.8 & s''(5)&=9.8 \end{aligned}

The rest of the derivatives of s(t)s(t) are identically zero, so they are (in particular) zero when t=5t=5. Therefore,

T100(t)=127.5+48(t−5)+129.8(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+\frac{1}{2}9.8(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2 \end{aligned}

We can now check that T100(t)T_{100}(t) really is the same as s(t)s(t).

T100(t)=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t2−10t+25)=[127.5+48(−5)+4.9(25)]+[48−4.9(10)]t+4.9t2=10−t+4.9t2=s(t)\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t^2-10t+25)\\ &=[127.5+48(-5)+4.9(25)]+[48-4.9(10)]t+4.9t^2\\ &=10-t+4.9t^2=s(t) \end{aligned}

as expected.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.4절 · 3번우리말 번역

f(x)=2xf(x)=2^x 의 x=1x=1 에서의 nn차 테일러 다항식을 시그마 기호로 나타내세요.

다 풀었으면 정답 확인

먼저 f(x)f(x) 를 미분하면서 규칙을 찾아보자. log⁡2=log⁡e2\log 2 = \log_e 2 는 상수임을 기억하자.

f(x)=2xf′(x)=2xlog⁡2f′′(x)=2x(log⁡2)2f(3)(x)=2x(log⁡2)3f(4)(x)=2x(log⁡2)4f(5)(x)=2x(log⁡2)5따라서 일반적으로f(k)(x)=2x(log⁡2)k이 식은 k=0 과 k=1 일 때도 성립함을 알 수 있다. x=1 일 때f(k)(1)=2(log⁡2)kf(x) 의 x=1 에서의 n차 테일러 다항식은Tn(x)=∑k=0nf(k)(1)k!(x−1)k=∑k=0n2(log⁡2)kk!(x−1)k\begin{aligned} f(x)&=2^x\\ f'(x)&=2^x\log 2\\ f''(x)&=2^x\left(\log 2\right)^2\\ f^{(3)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^3\\ f^{(4)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^4\\ f^{(5)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^5 \\ \text{따라서 일반적으로} \\ f^{(k)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^k \\ \text{이 식은 $k=0$ 과 $k=1$ 일 때도 성립함을 알 수 있다. $x=1$ 일 때} \\ f^{(k)}(1)&=2\left(\log 2\right)^k \\ \text{$f(x)$ 의 $x=1$ 에서의 $n$차 테일러 다항식은} \\ T_{n}(x)&=\sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(1)}{k!}(x-1)^k\\ &=\sum_{k=0}^n \frac{2(\log 2)^k}{k!}(x-1)^k \end{aligned}

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