문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 적분 기법

수치적분

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

CLP-2 · 1.11절 · 32번대학 수준우리말 번역

적분 ∫1x121t dt\displaystyle\int_1^{x\vphantom{\frac{1}{2}}} \frac{1}{t}~\mathrm{d}t 를 심프슨 공식으로 어림하여 함수 log⁡x\log x 를 유리함수로 어림하세요. 구간 [1,3][1,3] 의 모든 xx 에 대해 유리함수 f(x)f(x) 와 log⁡x\log x 의 오차가 0.1 이하가 되도록 하세요.

영어 원문 보기

Approximate the function log⁡x\log x with a rational function by approximating the integral ∫1x121t dt\displaystyle\int_1^{x\vphantom{\frac{1}{2}}} \frac{1}{t}~\mathrm{d}t using Simpson's rule. Your rational function f(x)f(x) should approximate log⁡x\log x with an error of not more than 0.1 for any xx in the interval [1,3][1,3].

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

∫1x1t dt\displaystyle\int_1^x \dfrac{1}{t}~\mathrm{d}t 를 심프슨 공식으로 어림하기 전에, 몇 개의 구간을 사용할지 알아야 한다. 그러려면 오차의 한계를 구해야 하고, 이는 d4dt4{1t}\frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\} 의 한계를 구해야 한다는 뜻이다.

ddt{1t}=−1t2d2dt2{1t}=2t3d3dt3{1t}=−6t4d4dt4{1t}=24t5\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=-\frac{1}{t^2}& \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{t}^2}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=\frac{2}{t^3}\\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{t}^3}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=-\frac{6}{t^4}& \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=\frac{24}{t^5} \end{aligned}

따라서 구간 [1,3][1,3] 에서 ∣d4dt4{1t}∣≤24\displaystyle\left|\frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\}\right| \leq 24 이다.

이제 [1,3][1,3] 의 모든 xx 에 대해 오차가 0.1보다 작도록 보장하는 적당한 nn 을 구할 수 있다.

L(b−a)5180n4<0.124(x−1)5180n4<110n4>24⋅(x−1)518[1,3] 의 모든 x 에 대해 x−1≤2 이므로, n4>24⋅2518 이면 허용되는 모든 x 에 대해 n4>24⋅(x−1)518 이다.n4>24⋅2518=1283n>12834≈2.6\begin{aligned} \frac{L(b-a)^5}{180 n^4}&<0 .1 \\\frac{24(x-1)^5}{180 n^4}&< \frac{1}{10} \\n^4 &> \frac{24\cdot (x-1)^5}{18} \\ \text{$[1,3]$ 의 모든 $x$ 에 대해 $x-1 \leq 2$ 이므로, $n^4 > \dfrac{24\cdot 2^5}{18}$ 이면 허용되는 모든 $x$ 에 대해 $n^4 > \dfrac{24\cdot (x-1)^5}{18}$ 이다.} \\ n^4&> \frac{24\cdot 2^5}{18}= \frac{128}{3}\\ n&>\sqrt[4]{\frac{128}{3}}\approx 2.6 \end{aligned}

nn 은 짝수여야 하므로, n=4n=4 개의 구간이면 [1,3][1,3] 의 모든 xx 에 대해 오차가 너무 크지 않도록 보장하기에 충분하다. 이제 n=4n=4, a=1a=1, b=xb=x, Δx=x−14\Delta x = \dfrac{x-1}{4} 로 심프슨 공식에 의한 어림값을 구한다. 1t\frac{1}{t} 의 값을 계산하는 점들은 다음과 같다.

x0=1x1=1+x−14x2=1+2x−14x3=1+3x−14x4=1+4x−14=x+34=x+12=3x+14=x\begin{aligned} x_0 =& 1 & x_1&=1+ \frac{x-1}{4}& x_2&=1+2\frac{x-1}{4}& x_3&=1+3\frac{x-1}{4}& x_4&=1+4\frac{x-1}{4}\\ & & &=\frac{x+3}{4}& &=\frac{x+1}{2}&&=\frac{3x+1}{4}& &=x \end{aligned}

그림

log⁡x=∫1x1t dt≈Δx3[1x0+4x1+2x2+4x3+1x4]=x−112[1+16x+3+4x+1+163x+1+1x]=f(x)\begin{aligned} \log x=\int_1^x \frac{1}{t}~\mathrm{d}t&\approx \frac{\Delta x}{3}\left[\frac{1}{x_0}+\frac{4}{x_1}+\frac{2}{x_2}+\frac{4}{x_3}+\frac{1}{x_4}\right]\\ &=\frac{x-1}{12}\left[1+\frac{16}{x+3}+\frac{4}{x+1}+\frac{16}{3x+1}+\frac{1}{x}\right]\\ &=f(x) \end{aligned}

아래는 어림한 함수 f(x)f(x) 와 자연로그 함수를 같은 좌표축에 나타낸 그래프이다. 자연로그 함수는 붉은 점선으로, 어림한 함수는 푸른 실선으로 나타냈다. 어림한 함수는 작은 양수 xx 에 대해 꽤 정확해 보인다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

Before we can take our Simpson's rule approximation of ∫1x1t dt\displaystyle\int_1^x \dfrac{1}{t}~\mathrm{d}t, we need to know how many intervals to use. That means we need to bound our error, which means we need to bound d4dt4{1t}\frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\}.

ddt{1t}=−1t2d2dt2{1t}=2t3d3dt3{1t}=−6t4d4dt4{1t}=24t5\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=-\frac{1}{t^2}& \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{t}^2}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=\frac{2}{t^3}\\ \frac{\mathrm{d}^3}{\mathrm{d}{t}^3}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=-\frac{6}{t^4}& \frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\}&=\frac{24}{t^5} \end{aligned}

So, over the interval [1,3][1,3], ∣d4dt4{1t}∣≤24\displaystyle\left|\frac{\mathrm{d}^4}{\mathrm{d}{t}^4}\left\{\frac{1}{t}\right\}\right| \leq 24.

Now, we can find an appropriate nn to ensure our error will be be less than 0.1 for any xx in [1,3][1,3]:

L(b−a)5180n4<0.124(x−1)5180n4<110n4>24⋅(x−1)518Because x−1≤2 for every x in [1,3], if n4>24⋅2518, then n4>24⋅(x−1)518 for every allowed x.n4>24⋅2518=1283n>12834≈2.6\begin{aligned} \frac{L(b-a)^5}{180 n^4}&<0 .1 \\\frac{24(x-1)^5}{180 n^4}&< \frac{1}{10} \\n^4 &> \frac{24\cdot (x-1)^5}{18} \\ \text{Because $x-1 \leq 2$ for every $x$ in $[1,3]$, if $n^4 > \dfrac{24\cdot 2^5}{18}$, then $n^4 > \dfrac{24\cdot (x-1)^5}{18}$ for every allowed $x$.} \\ n^4&> \frac{24\cdot 2^5}{18}= \frac{128}{3}\\ n&>\sqrt[4]{\frac{128}{3}}\approx 2.6 \end{aligned}

Since nn must be even, n=4n=4 is enough intervals to guarantee our error is not too high for any xx in [1,3][1,3]. Now we find our Simpson's rule approximation with n=4n=4, a=1a=1, b=xb=x, and Δx=x−14\Delta x = \dfrac{x-1}{4}. The points where we evaluate 1t\frac{1}{t} are:

x0=1x1=1+x−14x2=1+2x−14x3=1+3x−14x4=1+4x−14=x+34=x+12=3x+14=x\begin{aligned} x_0 =& 1 & x_1&=1+ \frac{x-1}{4}& x_2&=1+2\frac{x-1}{4}& x_3&=1+3\frac{x-1}{4}& x_4&=1+4\frac{x-1}{4}\\ & & &=\frac{x+3}{4}& &=\frac{x+1}{2}&&=\frac{3x+1}{4}& &=x \end{aligned}

figure

log⁡x=∫1x1t dt≈Δx3[1x0+4x1+2x2+4x3+1x4]=x−112[1+16x+3+4x+1+163x+1+1x]=f(x)\begin{aligned} \log x=\int_1^x \frac{1}{t}~\mathrm{d}t&\approx \frac{\Delta x}{3}\left[\frac{1}{x_0}+\frac{4}{x_1}+\frac{2}{x_2}+\frac{4}{x_3}+\frac{1}{x_4}\right]\\ &=\frac{x-1}{12}\left[1+\frac{16}{x+3}+\frac{4}{x+1}+\frac{16}{3x+1}+\frac{1}{x}\right]\\ &=f(x) \end{aligned}

Below is a graph of our approximation f(x)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 xx.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 2권 · 3.6절 · 9번우리말 번역

주어진 공식을 사용하여 적분값을 반올림하여 소수 셋째 자리까지 어림하세요.

∫01sin⁡2(πx)dx{\int }_{0}^{1}{\sin }^{2}(\pi x)dx; 사다리꼴 공식; n=6n=6

답 쓰고 채점
다 풀었으면 정답 확인

0.500

이 문제로 이어서 풀기
# 수치적분계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

「수치적분」 문제 목록으로