We approximate the function f(x)=logx about the point x=1. We choose 1 because it is close to 0.93, and we can evaluate f(x) and its first two derivatives at x=1.
Use a quadratic approximation to estimate cos(151).
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
함수 f(x)=cosx 를 근사한다.
x=0 에서 cosx 와 sinx (sinx 는 1계 도함수에 나타난다)의 값을 쉽게 구할 수 있고, 0 은 151 에 꽤 가까우므로 x=0 을 중심으로 근사한다.
f(0)f′(x)f′(0)f′′(x)f′′(0)Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+21f′′(0)(x−0)2:f(x)f(151)=1=−sinx=−sin(0)=0=−cosx=−cos(0)=−1≈1−21x2≈1−2⋅1521=450449
cos(151)≈450449 로 어림한다.
참고: 450449=0.9977 이고, 계산기로는 cos(151)≈0.9977786 이다. 이 근사의 오차는 약 0.000001 이다.
원본 교재 풀이(영어)
We approximate the function f(x)=cosx.
We can easily evaluate cosx and sinx (sinx will appear in the first derivative) at x=0, and 0 is quite close to 151, so we centre our approximation about x=0.
f(0)f′(x)f′(0)f′′(x)f′′(0)Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+21f′′(0)(x−0)2:f(x)f(151)=1=−sinx=−sin(0)=0=−cosx=−cos(0)=−1≈1−21x2≈1−2⋅1521=450449
We approximate cos(151)≈450449.
Remark: 450449=0.9977, while a calculator gives
cos(151)≈0.9977786. Our approximation has an error of about 0.000001.
참고: 32275=8.59375 이고, 계산기로 구하면 54/3≈8.5499 이다. 5와 8이 다소 떨어져 있지만, 어림한 값은 실제 값과 약 0.04 만큼만 차이 난다.
원본 교재 풀이(영어)
There are a few functions we could choose to approximate. For example:
f(x)=x4/3. In this case, we would probably choose to approximate f(x) about x=8 (since 8 is a cube, 84/3=24=16 is something we can evaluate) or x=1.
f(x)=5x. We can easily figure out f(x) when x is a whole number, so we would want to centre our approximation around some whole number x=a, but then
f′(a)=5alog(5) gives us a problem: without a calculator, it's hard to know what log(5) is.
Since 54/3=535, we can use f(x)=53x. As in the first bullet, we would centre about x=8, or x=1.
There isn't much difference between the first and third bullets. We'll go with f(x)=53x, centred about x=8.
f(x)f′(x)f′′(x)Using the quadratic approximation f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+21f′′(a)(x−a)2:f(x)f(5)=5x31=35x−32=35(−32)x−35=−910x−35≈10+125(x−8)−2885(x−8)2≈10+125(−3)−2885(9)=32275⇒⇒⇒f(8)f′(8)f′′(8)=5⋅2=10=35(2−2)=125=−910(2−5)=−1445
We estimate 54/3≈32275
Remark: 32275=8.59375, and
a calculator gives 54/3≈8.5499. Although 5 and 8 are somewhat far apart, our estimate is only off by about 0.04.
(a) 1+2+3+4+5=n=1∑5n
(b) 2+4+6+8=n=1∑42n
(c) 3+5+7+9+11=n=1∑5(2n+1)
(d) 9+16+25+36+49=n=3∑7n2
(e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=n=3∑7(n2+n+1)
(f) 8+15+24+35+48=n=3∑7(n2−1)
(g) 3−6+9−12+15−18=n=1∑6(−1)n+13n
참고: (−1)n+1 대신 (−1)n 을 쓰고 나머지는 모두 같게 하면, 부호가 모두 반대가 된다.
원본 교재 풀이(영어)
For each of these, there are many solutions. We provide some below.
(a) 1+2+3+4+5=n=1∑5n
(b) 2+4+6+8=n=1∑42n
(c) 3+5+7+9+11=n=1∑5(2n+1)
(d) 9+16+25+36+49=n=3∑7n2
(e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=n=3∑7(n2+n+1)
(f) 8+15+24+35+48=n=3∑7(n2−1)
(g) 3−6+9−12+15−18=n=1∑6(−1)n+13n
Remark: if we had written (−1)n instead of (−1)n+1, with everything else the same, the signs would have been reversed.
If we were to find the 16th order Maclaurin polynomial for a generic function, we might expect to have to differentiate 16 times (ugh). But, we know that the derivatives of sines and cosines repeat themselves. So, it's enough to figure out the pattern:
A Taylor polynomial gives a polynomial approximation for a function s(t). Since s(t) is itself a polynomial, any nth order Taylor polynomial, with n greater than or equal to the degree of s(t), will simply give s(t). So, in our case, T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10.
If that isn't satisfying, you can go through the normal method of calculating T100(t).
Let's start by differentiating f(x) and looking for a pattern. Remember that log2=loge2 is a constant number.
f(x)f′(x)f′′(x)f(3)(x)f(4)(x)f(5)(x)So, in general,f(k)(x)We notice that this formula works even when k=0 and k=1. When x=1,f(k)(1)The nth order Taylor polynomial of f(x) about x=1 isTn(x)=2x=2xlog2=2x(log2)2=2x(log2)3=2x(log2)4=2x(log2)5=2x(log2)k=2(log2)k=k=0∑nk!f(k)(1)(x−1)k=k=0∑nk!2(log2)k(x−1)k
We'll start by differentiating and looking for a pattern.
f(x)Using the chain rule,f′(x)f′′(x)f(3)(x)f(4)(x)f(5)(x)Recognizing the pattern,f(k)(x)f(k)(0)The nth order Maclaurin polynomial for f(x) isTn(x)=1−x1=(1−x)−1=(−1)(1−x)−2(−1)=(1−x)−2=(−2)(1−x)−3(−1)=2(1−x)−3=(−3)(2)(1−x)−4(−1)=2(3)(1−x)−4=(−4)(2)(3)(1−x)−5(−1)=2(3)(4)(1−x)−5=(−5)(2)(3)(4)(1−x)−6(−1)=2(3)(4)(5)(1−x)−6=k!(1−x)−(k+1)=k!(1)−(k+1)=k!=k=0∑nk!f(k)(0)xk=k=0∑nk!k!xk=k=0∑nxk
농장에 원형 우리를 짓고 있다. 우리의 넓이는 오차 2% 이내로 A0 제곱미터여야 한다. 반지름에서 허용되는 최대 백분율 오차를 어림하세요.
영어 원문 보기
A circular pen is being built on a farm. The pen must contain A0 square metres, with an error of no more than 2%. Estimate the largest percentage error allowable on the radius.
답 쓰고 채점
%
정답·풀이 보기
반지름이 r 인 우리의 넓이를 A 라 하자. 그러면
A(r)r에대해미분하면,A′(r)원하는정확한넓이는A0이다. 이에대응하는원하는정확한반지름을r0이라하자.선형근사식을이용한다. 여기서 ΔA는r이 Δr만큼변할때대응하는A의변화량이다.ΔAΔr우리가알고싶은것은r이가질수있는백분율오차이다. 백분율오차는다음과같다.100r0Δr=πr2=2πr≈A′(r0)Δr=2πr0Δr≈2πr0ΔA≈1002πr0⋅r0ΔA=1002(πr02)ΔA=1002⋅A0ΔA=(100A0ΔA)21≤(2)21=1
(마지막 줄을 얻기 위해, 넓이의 백분율 오차 100A0ΔA 가 2%보다 작아야 한다는 주어진 정보를 이용했다.)
따라서 r 의 오차는 1%를 넘을 수 없다고 결론짓는다.
원본 교재 풀이(영어)
Let A be the area of a pen of radius r. Then
A(r)Differentiating with respect to r,A′(r)The exact area desired is A0. Let the corresponding exact radius desired be r0.Using the linear approximation formula, where ΔA is the change in A corresponding to a change in r of Δr,ΔAΔrWhat we’re interested in is the percent error r can have. The percent error is:100r0Δr=πr2=2πr≈A′(r0)Δr=2πr0Δr≈2πr0ΔA≈1002πr0⋅r0ΔA=1002(πr02)ΔA=1002⋅A0ΔA=(100A0ΔA)21≤(2)21=1
(To get the last line, we used the given information that the percent error in the area, 100A0ΔA, must be less than 2%.)
We conclude the error in r cannot be more than 1%.
반지름이 3인 원에서 부채꼴 하나를 잘라 냈다. 이 부채꼴은 작은 편이어서 원의 4분의 1을 넘지 않는다.
이 부채꼴의 넓이를 구하려고 한다.
(a) 부채꼴의 중심각을 θ 라 하자. 부채꼴의 넓이를 구하세요.
(b) 안타깝게도 각도기가 없고 자만 있다. 그래서 부채꼴이 만드는 현(위 그림에서 d 로 표시된 것)의 길이를 잰다. θ 를 d 에 대한 식으로 나타내세요.
(c) d=0.7 로 측정했지만 실제로는 d=0.68 이라고 하자. 잘라 낸 넓이를 계산할 때 생기는 절대오차를 어림하세요.
영어 원문 보기
A circle with radius 3 has a sector cut out of it. It's a smallish sector, no more than a quarter of the circle.
You want to find out the area of the sector.
(a) Suppose the angle of the sector is θ. What is the area of the sector?
(b) Unfortunately, you don't have a protractor, only a ruler. So, you measure the chord made by the sector (marked d in the diagram above). What is θ in terms of d?
(c) Suppose you measured d=0.7, but actually d=0.68. Estimate the absolute error in your calculation of the area removed.
정답·풀이 보기
(a) 잘라 낸 부분의 넓이는 원 전체 넓이의 2πθ 에 해당하며, 원 전체의 넓이는 π(32)=9π 이다. 따라서 잘라 낸 부채꼴의 넓이는
2πθ⋅9π=29θ
(b)
d 로부터 θ 를 구하기 위해, 아래 그림과 같이 삼각형(각 θ 의 맞은변의 길이가 d 인 삼각형)을 합동인 두 직각삼각형으로 나눈다.
원의 반지름(직각삼각형의 빗변이기도 하다)이 3이라는 사실을 이용하면,
sin(2θ)문제에서부채꼴이원의 4분의 1을넘지않는다고했으므로 0≤θ≤2π이고, 따라서 0≤2θ≤4π이다. 즉2θ는아크사인의치역안에충분히들어간다.θ=32d=6d=2arcsin(6d)
(a) The area removed represents a proportion of 2πθ of the entire circle, whose area is π(32)=9π. So, the area of the sector removed is
2πθ⋅9π=29θ
(b)
To find θ from d, we cut our triangle (with angle θ opposite side of length d) into two equivalent right triangles, as shown below.
Using the information that the radius of the circle (also the hypotenuse of the right triangle) is 3,
sin(2θ)Since the question tells us the sector is no more than a quarter of the circle, we know 0≤θ≤2π, so 0≤2θ≤4π. This puts 2θ well within the range of arcsine.θ=32d=6d=2arcsin(6d)
(c) First, let's
get an expression for the area of the sector in terms of d.
ADifferentiating,A′(d)Let ΔA is the error in A corresponding to an error of Δd in d. Since we measured d to be 0.7 instead of 0.68, in the linear approximation we take Δd=0.02 and d0=0.68.ΔA=29θ=29(2arcsin(6d))=9arcsin(6d)=1−(6d)29⋅61=36−d29≈A′(d0)⋅Δd=A′(0.68)⋅0.02=36−0.6829⋅0.02≈0.03
뾰족한 끝을 아래로 하여 세워 놓은 원뿔 모양의 물탱크가 있다. 높이는 2미터, 반지름은 0.5미터이다.
탱크 안 물의 높이가 50 cm에서 45 cm로 변할 때, 이에 따른 물의 부피 변화량을 어림하세요.
영어 원문 보기
A conical tank, standing on its pointy end, has height 2 metres and radius 0.5 metres.
Estimate change in volume of the water in the tank associated to a change in the height of the water from 50 cm to 45 cm.
정답·풀이 보기
물의 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h) 가 있다고 하자.
h0=0.5 미터, Δh=−0.05, ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5) 라 하자. 그러면 선형 근사에 의해
ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)
이다. 이 문제를 풀기 위해, 먼저 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h) 를 구하고, 다음으로 V′(0.5) 를 구한 뒤, 마지막으로 물의 부피 변화량이 ΔV≈−0.05V′(0.5) 임을 이용하여 어림한다.
탱크 안의 물은 원뿔 모양을 이룬다. 높이가 h 이고 반지름이 r 인 원뿔의 부피는
V=31πr2h
이다. 여기서 변수 r 을 없애야 한다. 닮은 삼각형을 이용하면 된다. 아래 그림은 탱크와 물을 옆에서 본 모습이다.
부피가 약 0.00245 세제곱미터, 즉 약 2450 세제곱센티미터 줄어든 것으로 어림할 수 있다.
원본 교재 풀이(영어)
Suppose we have a function V(h) that gives the volume of water in the tank as a function of its height.
Let h0=0.5 metres, Δh=−0.05, and ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5). Then, by the linear approximation,
ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)
In order to solve the problem, we will find a function V(h) giving the volume of water in terms of the height, then find V′(0.5), and finally approximate that the change in the volume of the water is ΔV≈−0.05V′(0.5).
The water in the tank forms a cone. The volume of a cone of height h and radius r is
V=31πr2h
We need to get rid of the variable r. We can do this using similar triangles. The diagram below shows the side view of the tank and the water.
The side view of the tank forms a triangle that is similar to the triangle formed by the side view of the water, so
21rUsing this, we find our equation for the volume of the water in terms of h.V(h)Differentiating,V′(h)V′(0.5)Finally, using the approximation ΔV≈−0.05V′(0.5),ΔV=h2r=4h=31πr2h=3π(4h)2h=48πh3=16πh2=160.25π=64π≈64−0.05π=−1280π≈−0.00245m3
We estimate that the volume decreased by about 0.00245 cubic metres, or about
2450 cubic centimetres.
함수 f(x) 가 f(3)=2,f′(3)=4
이고 f′′(3)=−10 이라는 성질을 가집니다.
(a) x=3 을 중심으로 하는 f(x) 의 선형 근사를 이용하여
f(2.98) 을 어림하세요.
(b) x=3 을 중심으로 하는 f(x) 의 이차 근사를 이용하여
f(2.98) 을 어림하세요.
영어 원문 보기
The function f(x) has the property that f(3)=2,f′(3)=4
and f′′(3)=−10.
(a) Use the linear approximation to f(x) centred at x=3 to
approximate f(2.98).
(b) Use the quadratic approximation to f(x) centred at x=3 to
approximate f(2.98).
답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기
(a) x 가 3 근처일 때,
f(x)≈f(3)+f′(3)(x−3)=2+4(x−3)
이다. 특히
f(2.98)≈2+4(2.98−3)=2−0.08=1.92
이다.
(b) x 가 3 근처일 때,
이를 만족하는 8<c<10 인 c 가 존재한다. g′′(c)=−9c5/32 이므로 g′′(c) 는 음수이고, 따라서
g(10) 은 613 에 어떤 음수인 양을 더한 값이다. 그러므로
접선 근삿값은 실제 값보다
크다.
원본 교재 풀이(영어)
Let's name g(x)=x1/3. Then g′(x)=31x−2/3
and g′′(x)=−92x−5/3.
In particular, g(8)=2,
g′(8)=121, and g′′(x)<0 for all x>0.
The tangent line
approximation to 101/3 is
g(10)Using the error formula:g(10)≈g(8)+g′(8)(10−8)=2+121(2)=613=g(8)+g′(8)(10−8)+21g′′(c)(10−8)2
for some 8<c<10. Since g′′(c)=−9c5/32, g′′(c) is negative, so
g(10) is 613 plus some negative quantity. So,
the tangent line approximation is too
big.