문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

급수 심화 전체 문제

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16문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 x=3x=3 에서의 이차근사는 다음과 같다. f(x)≈−x2+6xf(x) \approx -x^2+6x f(3)f(3), f′(3)f'(3), f′′(3)f''(3), f′′′(3)f'''(3) 의 값을 각각 구하세요.

영어 원문 보기

The quadratic approximation of a function f(x)f(x) about x=3x=3 is f(x)≈−x2+6xf(x) \approx -x^2+6x What are the values of f(3)f(3), f′(3)f'(3), f′′(3)f''(3), and f′′′(3)f'''(3)?

정답·풀이 보기

Q(x)Q(x) 가 33 에서 ff 의 이차근사이면 Q(3)=f(3)Q(3)=f(3), Q′(3)=f′(3)Q'(3)=f'(3), Q′′(3)=f′′(3)Q''(3)=f''(3) 이다. 그러나 f(x)f(x) 와 Q(x)Q(x) 의 3계 도함수가 같다는 보장은 없으므로, f′′′(3)f'''(3) 을 알기에는 정보가 충분하지 않다.

f(3)=−32+6(3)=9f′(3)=ddx{−x2+6x}∣x=3=−2x+6∣x=3=0f′′(3)=d2dx2{−x2+6x}∣x=3=ddx{−2x+6}∣x=3=−2\begin{aligned} f(3)&=-3^2+6(3)=9\\ f'(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}=\left.-2x+6\right|_{x=3}=0\\ f''(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}= \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-2x+6\right\}\right|_{x=3}=-2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If Q(x)Q(x) is the quadratic approximation of ff about 33, then Q(3)=f(3)Q(3)=f(3), Q′(3)=f′(3)Q'(3)=f'(3), and Q′′(3)=f′′(3)Q''(3)=f''(3). There is no guarantee that f(x)f(x) and Q(x)Q(x) share the same third derivative, though, so we do not have enough information to know f′′′(3)f'''(3).

f(3)=−32+6(3)=9f′(3)=ddx{−x2+6x}∣x=3=−2x+6∣x=3=0f′′(3)=d2dx2{−x2+6x}∣x=3=ddx{−2x+6}∣x=3=−2\begin{aligned} f(3)&=-3^2+6(3)=9\\ f'(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}=\left.-2x+6\right|_{x=3}=0\\ f''(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}= \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-2x+6\right\}\right|_{x=3}=-2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 6번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
2.CLP-1 · 3.4절 · 2번대학 수준우리말 번역

f(x)=2x+5f(x)=2x+5 의 x=ax=a 에서의 이차근사를 구하세요.

영어 원문 보기

Give a quadratic approximation of f(x)=2x+5f(x)=2x+5 about x=ax=a.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 x=ax=a 에서의 이차근사는 다음과 같다.

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2f(a)=2a+5, f′(a)=2, f′′(a)=0 을 대입하면:f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5\begin{aligned} f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{$f(a)=2a+5$, $f'(a)=2$, $f''(a)=0$ 을 대입하면:} \\ f(x) &\approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5 \end{aligned}

따라서 구하는 근사는 f(x)≈2x+5f(x) \approx 2x+5 이다.

참고: 이 근사는 xx 의 모든 값에 대해 정확하다. 이차함수, 일차함수, 상수함수의 이차근사는 항상 이렇게 된다.

원본 교재 풀이(영어)

The quadratic approximation of f(x)f(x) about x=ax=a is

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2We subsitute f(a)=2a+5, f′(a)=2, and f′′(a)=0:f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5\begin{aligned} f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{We subsitute $f(a)=2a+5$, $f'(a)=2$, and $f''(a)=0$:} \\ f(x) &\approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5 \end{aligned}

So, our approximation is f(x)≈2x+5f(x) \approx 2x+5.

Remark: Our approximation is exact for every value of xx. This will always happen with a quadratic approximation of a function that is quadratic, linear, or constant.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
3.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 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.

영어 원문 보기

The 3rd order Taylor polynomial for a function f(x)f(x) about x=1x=1 is T3(x)=x3−5x2+9xT_3(x)=x^3-5x^2+9x What is f′′(1)f''(1)?

정답·풀이 보기

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.

원본 교재 풀이(영어)

Since T3(x)T_3(x) is the third order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=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)
  • T3′′′(1)=f′′′(1)T_3'''(1)=f'''(1)

In particular, f′′(1)=T3′′(1)f''(1)=T_3''(1).

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}

So, f′′(1)=−4f''(1)=-4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 1번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
4.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

f(x)=3x2−5f(x)=3x^2-5 라 하자. xx 를 1010 으로 측정했지만 실제 값이 1111 일 때, 선형 근사를 이용하여 f(x)f(x) 에 생기는 오차를 어림하고, 이어서 이차 근사를 이용하여 어림하세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)=3x2−5f(x)=3x^2-5. If you measure xx to be 1010, but its actual value is 1111, estimate the resulting error in f(x)f(x) using the linear approximation, and then the quadratic approximation.

정답·풀이 보기

f′(x)=6xf'(x)=6x 이므로 x=10x=10 일 때 f′(10)=60f'(10)=60 이다. Δy=f(11)−f(10)\Delta y=f(11)-f(10), Δx=11−10\Delta x = 11-10 이라 하면 선형 근사로부터 Δy≈60Δx=60\Delta y \approx 60\Delta x = 60 을 얻는다. 따라서 선형 근사는 f(x)f(x) 의 오차를 약 60 으로 어림한다.

f′′(x)=6f''(x)=6 이므로 이차 근사(f′(10)=60f'(10)=60, f′′(10)=6f''(10)=6, Δx=1\Delta x = 1 을 이용)로부터 Δy≈f′(10)Δx+12f′′(1)(Δx)2=60⋅1+12(6)(1)2=63\Delta y \approx f'(10)\Delta x+\frac{1}{2}f''(1)\left(\Delta x\right)^2= 60\cdot 1 +\frac{1}{2}(6)(1)^2= 63 을 얻는다. 따라서 이차 근사는 f(x)f(x) 의 오차를 약 63 으로 어림한다. (실제로 f(11)−f(10)f(11)-f(10) 의 정확한 값은 63 이다. 이차 근사로 어림한 오차가 실제 오차와 정확히 같은 것은 우연이 아니다. 이는 f(x)f(x) 가 이차 함수라는 사실에서 비롯된 결과이다.)

원본 교재 풀이(영어)

Since f′(x)=6xf'(x)=6x, when x=10x=10, f′(10)=60f'(10)=60. If Δy=f(11)−f(10)\Delta y=f(11)-f(10), and Δx=11−10\Delta x = 11-10, then the linear approximation tells us Δy≈60Δx=60\Delta y \approx 60\Delta x = 60 So, the linear approximates estimates the error in f(x)f(x) to be about 60.

Since f′′(x)=6f''(x)=6, the quadratic approximation (using f′(10)=60f'(10)=60, f′′(10)=6f''(10)=6, and Δx=1\Delta x = 1) tells us Δy≈f′(10)Δx+12f′′(1)(Δx)2=60⋅1+12(6)(1)2=63\Delta y \approx f'(10)\Delta x+\frac{1}{2}f''(1)\left(\Delta x\right)^2= 60\cdot 1 +\frac{1}{2}(6)(1)^2= 63 So, the quadratic approximates estimates the error in f(x)f(x) to be about 63. (Indeed, the exact value of f(11)−f(10)f(11)-f(10) is 63. It is not a fluke that our estimated error, using a quadratic approximation, is exactly the same as our actual error. It is a consequence of the fact that f(x)f(x) is a quadratic function.)

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 6번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
5.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

f(x)=5x3−24x2+ex−π4f(x)= 5x^3-24x^2+ex-\pi^4 이라 하고, T5(x)T_5(x) 를 x=1x=1 에서 f(x)f(x) 의 5차 테일러 다항식이라 하자. 오차 ∣f(37)−T(37)∣|f(37)-T(37)| 에 대해 구할 수 있는 가장 좋은 한계를 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=5x3−24x2+ex−π4f(x)= 5x^3-24x^2+ex-\pi^4, and let T5(x)T_5(x) be the fifth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=1. Give the best bound you can on the error ∣f(37)−T(37)∣|f(37)-T(37)|.

정답·풀이 보기

다항식을 그보다 차수가 크거나 같은 테일러 다항식으로 근사하면, 그 테일러 다항식은 근사하려는 함수와 완전히 같다. 따라서 오차는 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Whenever you approximate a polynomial with a Taylor polynomial of greater or equal degree, your Taylor polynomial is exactly the same as the function you are approximating. So, the error is zero.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
6.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

당신과 친구는 둘 다 sin⁡(33)\sin(33) 의 값을 어림하려고 합니다. 친구는 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 1차 매클로린 다항식을 사용하고, 당신은 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 0차(상수) 매클로린 다항식을 사용합니다. 당신과 친구 중 누가 더 좋은 근삿값을 얻나요?

영어 원문 보기

You and your friend both want to approximate sin⁡(33)\sin(33). Your friend uses the first order Maclaurin polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x, while you use the zeroth order (constant) Maclaurin polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x. Who has a better approximation, you or your friend?

정답·풀이 보기

상수 근사는 다음을 준다.

sin⁡(33)≈sin⁡(0)=0반면 일차 근사는 다음을 준다.f(x)≈f(0)+f′(0)xsin⁡(x)≈sin⁡(0)+cos⁡(0)x=xsin⁡(33)≈33\begin{aligned} \sin(33)&\approx \sin (0)=0 \\ \text{반면 일차 근사는 다음을 준다.} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x\\ \sin(x)& \approx \sin (0)+\cos(0) x\\&= x\\ \sin(33)&\approx 33 \end{aligned}

−1≤sin⁡(33)≤1-1 \leq \sin(33)\leq 1 이므로 상수 근사가 더 좋다. (하지만 둘 다 조금 엉뚱하다.)

그림

원본 교재 풀이(영어)

The constant approximation gives

sin⁡(33)≈sin⁡(0)=0while the linear approximation givesf(x)≈f(0)+f′(0)xsin⁡(x)≈sin⁡(0)+cos⁡(0)x=xsin⁡(33)≈33\begin{aligned} \sin(33)&\approx \sin (0)=0 \\ \text{while the linear approximation gives} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x\\ \sin(x)& \approx \sin (0)+\cos(0) x\\&= x\\ \sin(33)&\approx 33 \end{aligned}

Since −1≤sin⁡(33)≤1-1 \leq \sin(33)\leq 1, the constant approximation is better. (But both are a little silly.)

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.7절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
7.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

3차 매클로린 다항식이 4+3x2+12x34 + 3x^2 + \frac{1}{2}x^3 인 함수 f(x)f(x) 를 생각하세요. f′(0)f'(0) 은 얼마입니까? f′′(0)f''(0) 은 얼마입니까?

영어 원문 보기

Consider a function f(x)f(x) whose third order Maclaurin polynomial is 4+3x2+12x34 + 3x^2 + \frac{1}{2}x^3. What is f′(0)f'(0)? What is f′′(0)f''(0)?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 3차 매클로린 다항식은

f(0)+f′(0)x+f′′(0)2⋅x2+f′′′(0)6⋅x3=4+3x2+12x3.\begin{aligned} f(0) + f'(0)x +\frac{f''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{f'''(0)}{6}\cdot x^3 &=4+3x^2+\frac{1}{2}x^3. \end{aligned}

xx 의 계수는 한쪽에서 f′(0)f'(0) 이고 다른 쪽에서 00 이므로 f′(0)=0f'(0)=0 이다.

x2x^2 의 계수는 한쪽에서 12f′′(0)\dfrac{1}{2}f''(0) 이고 다른 쪽에서 33 이므로 f′′(0)=6f''(0)=6 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third Maclaurin polynomial for f(x)f(x) is

f(0)+f′(0)x+f′′(0)2⋅x2+f′′′(0)6⋅x3=4+3x2+12x3.\begin{aligned} f(0) + f'(0)x +\frac{f''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{f'''(0)}{6}\cdot x^3 &=4+3x^2+\frac{1}{2}x^3. \end{aligned}

The coefficient of xx is f′(0)f'(0) on one side, and 00 on the other, so f′(0)=0f'(0)=0.

The coefficient of x2x^2 is 12f′′(0)\dfrac{1}{2}f''(0) on one side, and 33 on the other, so f′′(0)=6f''(0)=6.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
8.CLP-1 · 3.4절 · 2번대학 수준우리말 번역

3차 매클로린 다항식이 1+4x−13x2+23x31+4x-\dfrac{1}{3}x^2 + \dfrac{2}{3}x^3 인 함수 h(x)h(x) 를 생각하세요. h(3)(0)h^{(3)}(0) 은 얼마입니까?

영어 원문 보기

Consider a function h(x)h(x) whose third order Maclaurin polynomial is 1+4x−13x2+23x31+4x-\dfrac{1}{3}x^2 + \dfrac{2}{3}x^3. What is h(3)(0)h^{(3)}(0)?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

h(x)h(x) 의 3차 매클로린 다항식은

h(0)+h′(0)x+h′′(0)2⋅x2+h(3)(0)3!⋅x3=1+4x−13x2+23x3\begin{aligned} h(0) + h'(0)x +\frac{h''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{h^{(3)}(0)}{3!}\cdot x^3 &= 1+4x-\frac{1}{3}x^2 + \frac{2}{3}x^3 \end{aligned}

이다.

x3x^3 의 계수는 한쪽에서는 13!h(3)(0)\dfrac{1}{3!}h^{(3)}(0) 이고 다른 쪽에서는 23\dfrac{2}{3} 이다. 따라서 h(3)(0)6=23 \dfrac{h^{(3)}(0)}{6}=\dfrac{2}{3} 이므로 h(3)(0)=6⋅23=4h^{(3)}(0)=6\cdot\dfrac{2}{3} = 4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third Maclaurin polynomial for h(x)h(x) is

h(0)+h′(0)x+h′′(0)2⋅x2+h(3)(0)3!⋅x3=1+4x−13x2+23x3\begin{aligned} h(0) + h'(0)x +\frac{h''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{h^{(3)}(0)}{3!}\cdot x^3 &= 1+4x-\frac{1}{3}x^2 + \frac{2}{3}x^3 \end{aligned}

The coefficient of x3x^3 is 13!h(3)(0)\dfrac{1}{3!}h^{(3)}(0) on one side, and 23\dfrac{2}{3} on the other. Thus h(3)(0)6=23 \dfrac{h^{(3)}(0)}{6}=\dfrac{2}{3}, so h(3)(0)=6⋅23=4h^{(3)}(0)=6\cdot\dfrac{2}{3} = 4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 1번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
9.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

x=2x=2 에서 h(x)h(x) 의 3차 테일러 다항식은 3+12(x−2)+2(x−2)33 + \dfrac{1}{2}(x-2) + 2(x-2)^3 이다.

h′(2)h'(2) 는 얼마입니까? h′′(2)h''(2) 는 얼마입니까?

영어 원문 보기

The third order Taylor polynomial of h(x)h(x) about x=2x=2 is 3+12(x−2)+2(x−2)33 + \dfrac{1}{2}(x-2) + 2(x-2)^3.

What is h′(2)h'(2)? What is h′′(2)h''(2)?

정답·풀이 보기

x=2x=2 에서 h(x)h(x) 의 3차 테일러 다항식은 h(2)+h′(2)(x−2)+h′′(2)2⋅(x−2)2+h′′′(2)6⋅(x−2)3h(2) + h'(2)(x-2) +\frac{h''(2)}{2}\cdot (x-2)^2 + \frac{h'''(2)}{6}\cdot (x-2)^3 이다. (x−2)(x-2) 의 계수는 정의에서는 h′(2)h'(2) 이고, 주어진 함수에서는 12\dfrac{1}{2} 이므로 h′(2)=12h'(2)=\dfrac{1}{2} 이다.

(x−2)2(x-2)^2 의 계수는 정의에서는  12h′′(2) ~\dfrac{1}{2}h''(2)~ 이고, 주어진 함수에서는 00 이므로 h′(2)=0h'(2)=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third order Taylor polynomial for h(x)h(x) about x=2x=2 is h(2)+h′(2)(x−2)+h′′(2)2⋅(x−2)2+h′′′(2)6⋅(x−2)3h(2) + h'(2)(x-2) +\frac{h''(2)}{2}\cdot (x-2)^2 + \frac{h'''(2)}{6}\cdot (x-2)^3 The coefficient of (x−2)(x-2) is h′(2)h'(2) in the definition, and 12\dfrac{1}{2} in the given function, so h′(2)=12h'(2)=\dfrac{1}{2}.

The coefficient of (x−2)2(x-2)^2 is  12h′′(2) ~\dfrac{1}{2}h''(2)~ in the definition, and 00 in the given function, so h′(2)=0h'(2)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 2번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
10.CLP-2 · 3.3절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 기준이 있어서, 그 기준을 넘으면 나이가 많다고 하고, 그 기준에 못 미치면 젊다고 한다고 가정하세요.

올라프는 나이가 많은 사람이고, 위안은 젊은 사람이라고 하세요.

(a) 내가 올라프보다 나이가 많다고 가정하세요. 나는 나이가 많은가요? (b) 내가 올라프보다 나이가 적다고 가정하세요. 나는 나이가 많은가요? (c) 내가 위안보다 나이가 많다고 가정하세요. 나는 젊은가요? (d) 내가 위안보다 나이가 적다고 가정하세요. 나는 젊은가요?

영어 원문 보기

Suppose there is some threshold after which a person is considered old, and before which they are young.

Let Olaf be an old person, and let Yuan be a young person.

(a) Suppose I am older than Olaf. Am I old? (b) Suppose I am younger than Olaf. Am I old? (c) Suppose I am older than Yuan. Am I young? (d) Suppose I am younger than Yuan. Am I young?

정답·풀이 보기

(a) 올라프가 나이가 많고 내가 그보다 더 나이가 많다면, 나도 나이가 많다.

(b) 올라프가 나이가 많고 내가 그보다 나이가 적다면, 나도 나이가 많을 수도 있고(조금 덜할 뿐이다), 젊을 수도 있다. 판단하기에 정보가 충분하지 않다.

(c) 위안이 젊고 내가 그보다 나이가 많다면, 내가 훨씬 나이가 많아서 나이가 많은 사람일 수도 있고, 조금만 나이가 많아서 젊은 사람일 수도 있다. 판단하기에 정보가 충분하지 않다.

(d) 위안이 젊고 내가 그보다 더 젊다면, 나도 반드시 젊다.

이를 생각하는 또 다른 방법은 생년월일을 나타낸 시간선을 이용하는 것이다. 기준 시점보다 먼저 태어난 사람은 나이가 많고, 그 이후에 태어난 사람은 젊다.

그림

내가 올라프보다 먼저(더 나이가 많게) 태어났다면 기준 시점보다 먼저 태어난 것이므로 나이가 많다.

내가 위안보다 나중에(더 젊게) 태어났다면 기준 시점 이후에 태어난 것이므로 젊다.

그림

내가 올라프보다 나중에 태어났거나 위안보다 먼저 태어났다면, 내가 기준 시점의 어느 쪽에 있는지 알 수 없다. 나이가 많을 수도 있고 젊을 수도 있다.

그림

원본 교재 풀이(영어)

(a) If Olaf is old, and I am even older, then I am old as well.

(b) If Olaf is old, and I am not as old, then perhaps I am old as well (just slightly less so), or perhaps I am young. There is not enough information to tell.

(c) If Yuan is young, and I am older, then perhaps I am much older and I am old, or perhaps I am only a little older, and I am young. There is not enough information to tell.

(d) If Yuan is young, and I am even younger, then I must also be young.

Another way to think about this is with a timeline of birthdates. People born before the threshold are old, and people born after it are young.

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If I'm born before (older than) Olaf, I'm born before the threshold, so I'm old.

If I'm born after (younger than) Yuan I'm born after the threshold, so I'm young.

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If I'm born after Olaf or before Yuan, I don't know which side of the threshold I'm on. I could be old or I could be young.

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 15번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
11.CLP-2 · 3.3절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음 추론을 타당하지 않게 만드는 결함은 무엇인가요?

문제: ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(\sin(\pi n)+2\right) 이 수렴하는지 발산하는지 판단하세요.

답: 적분 판정법을 사용한다. f(x)=sin⁡(πx)+2f(x)=\sin(\pi x)+2 라 하자. sin⁡(x)+2≥−1+2=1\sin(x)+2 \geq -1+2 =1 이므로 f(x)f(x) 는 항상 양수임에 유의한다. 또한 f(x)f(x) 는 연속이다.

∫1∞[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞∫1b[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πx)+2x∣1b]=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πb)+2b+1π(−1)−2]=∞\begin{aligned} \int_1^\infty [\sin(\pi x)+2] dx &= \lim_{b \to \infty}\int_1^b [\sin(\pi x)+2 ]dx\\ &=\lim_{b \to \infty} \left[\left.-\frac{1}{\pi}\cos(\pi x)+2x \right|_1^b\right]\\ &=\lim_{b \to \infty}\left[ -\frac{1}{\pi}\cos(\pi b)+2b +\frac{1}{\pi}(-1)-2\right]\\ &=\infty \end{aligned}

적분 판정법에 의해 적분이 발산하므로 ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left( \sin(\pi n)+2\right) 도 발산한다.

영어 원문 보기

What flaw renders the following reasoning invalid?

Q: Determine whether ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(\sin(\pi n)+2\right) converges or diverges.

A: We use the integral test. Let f(x)=sin⁡(πx)+2f(x)=\sin(\pi x)+2. Note f(x)f(x) is always positive, since sin⁡(x)+2≥−1+2=1\sin(x)+2 \geq -1+2 =1. Also, f(x)f(x) is continuous.

∫1∞[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞∫1b[sin⁡(πx)+2]dx=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πx)+2x∣1b]=lim⁡b→∞[−1πcos⁡(πb)+2b+1π(−1)−2]=∞\begin{aligned} \int_1^\infty [\sin(\pi x)+2] dx &= \lim_{b \to \infty}\int_1^b [\sin(\pi x)+2 ]dx\\ &=\lim_{b \to \infty} \left[\left.-\frac{1}{\pi}\cos(\pi x)+2x \right|_1^b\right]\\ &=\lim_{b \to \infty}\left[ -\frac{1}{\pi}\cos(\pi b)+2b +\frac{1}{\pi}(-1)-2\right]\\ &=\infty \end{aligned}

By the integral test, since the integral diverges, also ∑n=1∞(sin⁡(πn)+2)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\left( \sin(\pi n)+2\right) diverges.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 가 감소하지 않으므로 적분 판정법을 적용할 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

The integral test does not apply because f(x)f(x) is not decreasing.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 21번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
12.CLP-2 · 3.3절 · 11번대학 수준우리말 번역

비판정법으로 판정할 수 없는, 수렴하는 급수의 예를 하나 드세요.

영어 원문 보기

Give an example of a convergent series for which the ratio test is inconclusive.

정답·풀이 보기

가능한 답 중 하나: ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2}. 이 급수는 수렴한다(p=2>1p=2>1 인 pp–급수이다). 그러나 이웃하는 항의 비를 구하면 다음과 같다. lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞n2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty}\frac{n^2}{(n+1)^2}=1 비의 극한이 1이므로 비판정법으로는 판정할 수 없다.

원본 교재 풀이(영어)

One possible answer: ∑n=1∞1n2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \dfrac{1}{n^2}. This series converges (it's a pp–series with p=2>1p=2>1), but if we take the ratio of consecutive terms: lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞n2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty}\frac{n^2}{(n+1)^2}=1 The limit of the ratio is 1, so the ratio test is inconclusive.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 12번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
13.CLP-2 · 3.3절 · 12번대학 수준우리말 번역

시험을 보고 있는데 비판정법에서 부등식이 정확히 어떻게 되는지 순간적으로 잊어버렸다고 상상해 보세요. 비가 있다는 것은 기억하지만 어느 항이 분자에 오는지는 기억나지 않습니다. 극한이 1보다 크거나 작다는 내용이 있었다는 것은 기억하지만 어느 쪽이 수렴을 뜻하는지는 기억나지 않습니다.

lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 또는 이와 동치인 lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 이 합 ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n 이 (수렴하는 것이 아니라) 발산함을 뜻해야 하는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Imagine you're taking an exam, and you momentarily forget exactly how the inequality in the ratio test works. You remember there's a ratio, but you don't remember which term goes on top; you remember there's something about the limit being greater than or less than one, but you don't remember which way implies convergence.

Explain why lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 or, equivalently, lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 should mean that the sum ∑n=1∞an\sum\limits_{n=1}^\infty a_n diverges (rather than converging).

정답·풀이 보기

발산판정법에 의해 급수 ∑an\sum a_n 이 수렴하려면 lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n \to \infty} a_n=0 이어야 한다. 즉, 항의 크기(절댓값)가 점점 작아져야 한다. lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 또는 (이와 동치로) lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\displaystyle \lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1 이면, 충분히 큰 nn 에 대해 ∣an+1∣>∣an∣|a_{n+1}|>|a_n| 이므로 항의 크기가 실제로는 커지고 있다. 따라서 발산판정법에 의해 이 급수는 발산한다.

원본 교재 풀이(영어)

By the divergence test, for a series ∑an\sum a_n to converge, we need lim⁡n→∞an=0\lim\limits_{n \to \infty} a_n=0. That is, the magnitude (absolute value) of the terms needs to be getting smaller. If lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\displaystyle\lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|<1 or (equivalently) lim⁡n→∞∣an+1an∣>1\displaystyle \lim_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n+1}}{a_{n}}\right|>1, then ∣an+1∣>∣an∣|a_{n+1}|>|a_n| for sufficiently large nn, so the terms are actually growing in magnitude. That means the series diverges, by the divergence test.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 13번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
14.CLP-2 · 3.3절 · 13번대학 수준우리말 번역

급수 ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n 과, 0 이상의 모든 정수 nn 에 대해 f(n)=anf(n)=a_n 인 함수 f(x)f(x) 가 있어서 다음을 만족시키는 예를 하나 드세요.

  • ∫a∞f(x) dx\displaystyle\int_a^\infty f(x)\,\mathrm{d}x 는 발산하고,
  • ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n 은 수렴한다.
영어 원문 보기

Give an example of a series ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n, with a function f(x)f(x) such that f(n)=anf(n)=a_n for all whole numbers nn, such that:

  • ∫a∞f(x) dx\displaystyle\int_a^\infty f(x)\,\mathrm{d}x diverges, while
  • ∑n=a∞an\displaystyle\sum_{n=a}^\infty a_n converges.
정답·풀이 보기

급수의 항은 적분의 정의역 중 작은 일부분만 반영한다. xx 가 0 이상의 정수일 때는 “좋게” 행동하지만(즉, 합이 수렴하는 수열을 만들지만), xx 가 0 이상의 정수가 아닐 때는 더 제멋대로인 함수 f(x)f(x) 를 생각해 볼 수 있다.

예를 들어 f(x)=sin⁡(πx)f(x)=\sin(\pi x) 라 하자. 그러면 모든 정수 xx 에 대해 f(x)=0f(x)=0 이지만, 이것이 함수 전체를 대표하지는 않는다. 실제로 이에 대응하는 급수의 항은 {an}={0,0,0,…}\{a_n\}=\{0,0,0,\ldots\} 이다.

  • ∫1∞sin⁡(πx) dx=lim⁡R→∞[−1πcos⁡(πx)]1R=lim⁡R→∞[−cos⁡(πR)]−1π\displaystyle\int_{1}^\infty \sin(\pi x)\,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \left[-\frac{1}{\pi}\cos (\pi x)\right]_1^R = \lim_{R \to \infty}\Big[-\cos (\pi R)\Big]-\frac{1}{\pi}

극한이 존재하지 않으므로 이 적분은 발산한다.

  • ∑n=1∞sin⁡(πn)=∑n=1∞0=0\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\sin(\pi n) = \sum_{n=1}^\infty 0 = 0 이다. 이 급수는 수렴한다.
원본 교재 풀이(영어)

The terms of the series only see a small portion of the domain of the integral. We can try to think of a function f(x)f(x) that behaves “nicely" when xx is a whole number (that is, it produces a sequence whose sum converges), but is more unruly when xx is not a whole number.

For example, suppose f(x)=sin⁡(πx)f(x)=\sin(\pi x). Then f(x)=0f(x)=0 for every integer xx, but this is not representative of the function as a whole. Indeed, our corresponding series has terms {an}={0,0,0,…}\{a_n\}=\{0,0,0,\ldots\}.

  • ∫1∞sin⁡(πx) dx=lim⁡R→∞[−1πcos⁡(πx)]1R=lim⁡R→∞[−cos⁡(πR)]−1π\displaystyle\int_{1}^\infty \sin(\pi x)\,\mathrm{d}x = \lim_{R \to \infty} \left[-\frac{1}{\pi}\cos (\pi x)\right]_1^R = \lim_{R \to \infty}\Big[-\cos (\pi R)\Big]-\frac{1}{\pi}

Since the limit does not exist, the integral diverges.

  • ∑n=1∞sin⁡(πn)=∑n=1∞0=0\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\sin(\pi n) = \sum_{n=1}^\infty 0 = 0. The series converges.
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.3절 · 3번
# 비교 판정법계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
15.CLP-2 · 3.5절 · 3번대학 수준우리말 번역

어떤 양의 상수 aa, cc 와 어떤 상수 수열 {An}\{A_n\} 에 대하여 f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n 이라 하자. xx 가 어떤 값일 때 f(x)f(x) 가 반드시 수렴하는지 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=∑n=a∞An(x−c)nf(x)=\displaystyle \sum_{n=a}^\infty A_n(x-c)^n for some positive constants aa and cc, and some sequence of constants {An}\{A_n\}. For which values of xx does f(x)f(x) definitely converge?

정답·풀이 보기

x=cx=c 이면

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

이다. 따라서 x=cx=c 일 때 f(x)f(x) 는 (상수 0 으로) 수렴한다. (a=0a=0 을 허용했다면 00=10^0=1 로 약속하므로 f(x)f(x) 가 0 이 아닌 수 A0A_0 으로 수렴할 수도 있다.)

수열 {An}\{A_n\} 에 따라서는 x≠cx \neq c 인 모든 xx 에 대해 f(x)f(x) 가 발산할 수도 있다. 예를 들어 An=n!A_n=n! 이라 하면 f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n 이다. x≠cx \neq c 이면 극한 lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| 는 x−c≠0x-c\neq 0 이므로 무한대이다. 따라서 이 급수는 발산한다.

지금까지 이 급수가 x=cx=c 에서는 반드시 수렴하지만, 다른 점에서는 수렴하지 않을 수 있음을 보였다.

원본 교재 풀이(영어)

If x=cx=c, then

f(x)=Aa(c−c)a+Aa+1(c−c)a+1+Aa+2(c−c)a+2+⋯=Aa⋅0+Aa+1⋅0+Aa+2⋅0+⋯=0\begin{aligned} f(x)&=A_a(c-c)^a+A_{a+1}(c-c)^{a+1}+A_{a+2}(c-c)^{a+2}+\cdots\\ &=A_a \cdot 0+A_{a+1}\cdot 0+A_{a+2}\cdot 0+\cdots\\ &=0 \end{aligned}

So, f(x)f(x) converges (to the constant 0) when x=cx=c. (Had we allowed a=0a=0, it would be possible for f(x)f(x) to converge to a nonzero number A0A_0, because we use the convention 00=10^0=1.)

Depending on the sequence {An}\{A_n\}, it's possible that f(x)f(x) diverges for all x≠cx \neq c. For example, suppose An=n!A_n=n!, so f(x)=∑n=0∞n!(x−c)nf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty n!(x-c)^n. If x≠cx \neq c, then the limit lim⁡n→∞∣(n+1)!(x−c)n+1n!(x−c)n∣=lim⁡n→∞(n+1)∣x−c∣\displaystyle\lim_{n\to\infty} \left|\frac{(n+1)!(x-c)^{n+1}}{n!(x-c)^n}\right|=\lim_{n\to\infty}(n+1)|x-c| is infinity, since x−c≠0x-c\neq 0. So, the series diverges.

We've now shown that the series definitely converges at x=cx=c, but at any other point, it may fail to converge.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.1절 · 21번
# 멱급수와 수렴 반경계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
16.CLP-2 · 3.6절 · 2번대학 수준우리말 번역

T(x)T(x) 가 a=5a=5 를 중심으로 하는 f(x)=arctan⁡3(ex+7)f(x)=\arctan^3\left(e^x+7\right) 의 테일러 급수라고 할 때, T(5)T(5) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

Suppose T(x)T(x) is the Taylor series for f(x)=arctan⁡3(ex+7)f(x)=\arctan^3\left(e^x+7\right) centred at a=5a=5. What is T(5)T(5)?

정답·풀이 보기

테일러 급수를 만드는 방법에 따르면, 테일러 급수와 함수는 중심으로 택한 점에서 값이 같다. 따라서 T(5)=arctan⁡3(e5+7)T(5)=\arctan^3\left(e^5+7\right) 이다.

테일러 급수를 중심이 아닌 점에서 계산하려면, 일반적으로 (a) 그 급수가 수렴하는지, (b) 그 급수가 만들 때 사용한 함수의 값과 같은 값으로 수렴하는지 확인해야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

Following how a Taylor series is constructed, the Taylor series and the function agree at the point chosen as the centre. So, T(5)=arctan⁡3(e5+7)T(5)=\arctan^3\left(e^5+7\right).

If we were evaluating a Taylor series at a point other than its centre, we would generally need to check that (a) the series converges, and (b) it converges to the same value as the function we used to create it.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 1번
# 테일러·매클로린 급수계산기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)