문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

접평면과 선형근사

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

CLP-3 · 2.6절 · 14번대학 수준우리말 번역

z=f(x,y)z = f(x,y) 가 다음 식으로 음함수로 주어져 있다고 하자.

ez+yz=x+y.e^z + yz = x + y.

(a) 전미분 dz\mathrm{d}z 를 구하세요. (b) 점 (1,0)(1,0) 에서의 선형 근사를 이용하여 f(0.99,0.01)f(0.99,0.01) 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Let z=f(x,y)z = f(x,y) be given implicitly by

ez+yz=x+y.e^z + yz = x + y.

(a) Find the differential dz\mathrm{d}z. (b) Use linear approximation at the point (1,0)(1,0) to approximate f(0.99,0.01)f(0.99,0.01).

정답·풀이 보기

정의에 따라 x=ax=a, y=by=b 에서의 전미분은

fx(a,b) dx+fy(a,b) dyf_x(a,b)\,\mathrm{d}x + f_y(a,b)\,\mathrm{d}y

이므로 편도함수 fx(a,b)f_x(a,b) 와 fy(a,b)f_y(a,b) 를 구해야 한다. 주어진 조건에서

ef(x,y)+y f(x,y)=x+ye^{f(x,y)} + y\,f(x,y) = x + y

가 모든 xx 와 yy 에 대해 성립한다. 이 등식의 양변을 xx 에 대해, 그리고 yy 에 대해 각각 미분하면 연쇄 법칙에 의해

ef(x,y)fx(x,y)+y fx(x,y)=1ef(x,y)fy(x,y)+f(x,y)+y fy(x,y)=1\begin{aligned} e^{f(x,y)}f_x(x,y) + y\,f_x(x,y) = 1 \\ e^{f(x,y)}f_y(x,y) + f(x,y) +y\,f_y(x,y) = 1 \end{aligned}

을 얻는다. 첫째 식을 fxf_x 에 대해, 둘째 식을 fyf_y 에 대해 풀면

fx(x,y)=1ef(x,y)+yfy(x,y)=1−f(x,y)ef(x,y)+y\begin{aligned} f_x(x,y) &= \frac{1}{e^{f(x,y)}+y} \\ f_y(x,y) &= \frac{1-f(x,y)}{e^{f(x,y)}+y} \end{aligned}

이다. 따라서 x=ax=a, y=by=b 에서의 전미분은

dxef(a,b)+b+1−f(a,b)ef(a,b)+b dy\frac{\mathrm{d}x}{e^{f(a,b)}+b} + \frac{1-f(a,b)}{e^{f(a,b)}+b} \,\mathrm{d}y

이다. 일반적인 aa 와 bb 에 대해서는 f(a,b)f(a,b) 를 명시적으로 구할 수 없으므로, 이 이상 할 수 있는 것은 많지 않다.

(b) 특히 a=1a=1, b=0b=0 일 때

ef(1,0)+0 f(1,0)=1+0  ⟹  ef(1,0)=1  ⟹  f(1,0)=0e^{f(1,0)} + 0\,f(1,0) = 1 + 0 \implies e^{f(1,0)} = 1 \implies f(1,0)=0

이고, 선형 근사는 다음과 같이 간단해진다.

f(1+dx , dy)≈f(1,0)+dxef(1,0)+0+1−f(1,0)ef(1,0)+0 dy=dx+dyf\big(1+\mathrm{d}x\,,\,\mathrm{d}y\big) \approx f(1,0) + \frac{\mathrm{d}x}{e^{f(1,0)}+0} + \frac{1-f(1,0)}{e^{f(1,0)}+0} \,\mathrm{d}y = \mathrm{d}x +\mathrm{d}y

dx=−0.01\mathrm{d}x = -0.01, dy=0.01\mathrm{d}y = 0.01 로 잡으면

f(0.99 , 0.01)≈−0.01+0.01=0f\big(0.99\,,\,0.01\big) \approx -0.01 + 0.01 =0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By definition, the differential at x=ax=a, y=by=b is

fx(a,b) dx+fy(a,b) dyf_x(a,b)\,\mathrm{d}x + f_y(a,b)\,\mathrm{d}y

so we have to determine the partial derivatives fx(a,b)f_x(a,b) and fy(a,b)f_y(a,b). We are told that

ef(x,y)+y f(x,y)=x+ye^{f(x,y)} + y\,f(x,y) = x + y

for all xx and yy. Differentiating this equation with respect to xx and with respect to yy gives, by the chain rule,

ef(x,y)fx(x,y)+y fx(x,y)=1ef(x,y)fy(x,y)+f(x,y)+y fy(x,y)=1\begin{aligned} e^{f(x,y)}f_x(x,y) + y\,f_x(x,y) = 1 \\ e^{f(x,y)}f_y(x,y) + f(x,y) +y\,f_y(x,y) = 1 \end{aligned}

Solving the first equation for fxf_x and the second for fyf_y gives

fx(x,y)=1ef(x,y)+yfy(x,y)=1−f(x,y)ef(x,y)+y\begin{aligned} f_x(x,y) &= \frac{1}{e^{f(x,y)}+y} \\ f_y(x,y) &= \frac{1-f(x,y)}{e^{f(x,y)}+y} \end{aligned}

So the differential at x=ax=a, y=by=b is

dxef(a,b)+b+1−f(a,b)ef(a,b)+b dy\frac{\mathrm{d}x}{e^{f(a,b)}+b} + \frac{1-f(a,b)}{e^{f(a,b)}+b} \,\mathrm{d}y

Since we can't solve explicitly for f(a,b)f(a,b) for general aa and bb. There's not much more that we can do with this.

(b) In particular, when a=1a=1 and b=0b=0, we have

ef(1,0)+0 f(1,0)=1+0  ⟹  ef(1,0)=1  ⟹  f(1,0)=0e^{f(1,0)} + 0\,f(1,0) = 1 + 0 \implies e^{f(1,0)} = 1 \implies f(1,0)=0

and the linear approximation simpifies to

f(1+dx , dy)≈f(1,0)+dxef(1,0)+0+1−f(1,0)ef(1,0)+0 dy=dx+dyf\big(1+\mathrm{d}x\,,\,\mathrm{d}y\big) \approx f(1,0) + \frac{\mathrm{d}x}{e^{f(1,0)}+0} + \frac{1-f(1,0)}{e^{f(1,0)}+0} \,\mathrm{d}y = \mathrm{d}x +\mathrm{d}y

Choosing dx=−0.01\mathrm{d}x = -0.01 and dy=0.01\mathrm{d}y = 0.01, we have

f(0.99 , 0.01)≈−0.01+0.01=0f\big(0.99\,,\,0.01\big) \approx -0.01 + 0.01 =0

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.6절 · 17번우리말 번역

금속의 두께가 0.04cm일 때, 지름이 8cm이고 높이가 12cm인 닫힌 금속 캔에 들어 있는 금속의 부피를 미분을 이용하여 어림하세요.

다 풀었으면 정답 확인

지름이 dd 이고 높이가 hh 인 원기둥의 부피는 V(d,h)=π(d2)2hV(d,h)=\pi\big(\frac{d}{2}\big)^2h 이다. 이 문제의 표현은 주어진 치수가 안쪽 치수인지 바깥쪽 치수인지 밝히지 않아 다소 모호하다. 바깥쪽 치수라고 가정하자. 그러면 금속을 포함한 캔의 부피는 V(8,12)V(8,12) 이고, 금속을 제외한 안쪽 부피는

V(8−2×0.04 , 12−2×0.04)≈V(8,12)+Vd(8,12)(−2×0.04)+Vh(8,12)(−2×0.04)=V(8,12)+12π×8×12×(−2×0.04)+π(82)2 ⁣ ⁣(−2×0.04)=V(8,12)−π×128×0.04\begin{aligned} V(8-2\times0.04\,,\,12-2\times 0.04) &\approx V(8,12) +V_d(8,12)(-2\times 0.04) +V_h(8,12)(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) +\frac{1}{2}\pi\times 8\times 12\times(-2\times 0.04) +\pi\left(\frac{8}{2}\right)^2\!\!(-2\times 0.04)\\ &=V(8,12) -\pi\times 128\times 0.04 \end{aligned}

이다. 따라서 금속의 부피는 약 π×128×0.04=5.12π≈16.1\pi\times 128\times 0.04= 5.12\pi\approx 16.1cc 이다. (이 정도의 근사에서는 주어진 치수가 안쪽 치수이든 바깥쪽 치수이든 상관없다.)

이 문제로 이어서 풀기
# 접평면과 선형근사계산보통자동 분류

「접평면과 선형근사」 문제 목록으로