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급수 심화 전체 문제

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3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

반지름이 3인 원에서 부채꼴 하나를 잘라 냈다. 이 부채꼴은 작은 편이어서 원의 4분의 1을 넘지 않는다. 이 부채꼴의 넓이를 구하려고 한다.

그림

(a) 부채꼴의 중심각을 θ\theta 라 하자. 부채꼴의 넓이를 구하세요. (b) 안타깝게도 각도기가 없고 자만 있다. 그래서 부채꼴이 만드는 현(위 그림에서 dd 로 표시된 것)의 길이를 잰다. θ\theta 를 dd 에 대한 식으로 나타내세요. (c) d=0.7d=0.7 로 측정했지만 실제로는 d=0.68d=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.

figure

(a) Suppose the angle of the sector is θ\theta. 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 dd in the diagram above). What is θ\theta in terms of dd? (c) Suppose you measured d=0.7d=0.7, but actually d=0.68d=0.68. Estimate the absolute error in your calculation of the area removed.

정답·풀이 보기

(a) 잘라 낸 부분의 넓이는 원 전체 넓이의 θ2π\dfrac{\theta}{2\pi} 에 해당하며, 원 전체의 넓이는 π(32)=9π\pi(3^2)=9\pi 이다. 따라서 잘라 낸 부채꼴의 넓이는 θ2π⋅9π=92θ\dfrac{\theta}{2\pi} \cdot9\pi = \dfrac{9}{2}\theta

(b) dd 로부터 θ\theta 를 구하기 위해, 아래 그림과 같이 삼각형(각 θ\theta 의 맞은변의 길이가 dd 인 삼각형)을 합동인 두 직각삼각형으로 나눈다.

그림

원의 반지름(직각삼각형의 빗변이기도 하다)이 3이라는 사실을 이용하면,

sin⁡(θ2)=d23=d6문제에서 부채꼴이 원의 4분의 1을 넘지 않는다고 했으므로 0≤θ≤π2 이고, 따라서 0≤θ2≤π4 이다. 즉 θ2 는 아크사인의 치역 안에 충분히 들어간다.θ=2arcsin⁡(d6)\begin{aligned} \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&=\frac{\frac{d}{2}}{3}=\frac{d}{6} \\ \text{문제에서 부채꼴이 원의 4분의 1을 넘지 않는다고 했으므로 $0 \leq \theta \leq \dfrac{\pi}{2}$ 이고, 따라서 $0 \leq \dfrac{\theta}{2} \leq \dfrac{\pi}{4}$ 이다. 즉 $\dfrac{\theta}{2}$ 는 아크사인의 치역 안에 충분히 들어간다.} \\ \theta&=2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \end{aligned}

(c) 먼저 부채꼴의 넓이를 dd 에 대한 식으로 나타내자.

A=92θ=92(2arcsin⁡(d6))=9arcsin⁡(d6)미분하면,A′(d)=91−(d6)2⋅16=936−d2ΔA 를 d 의 오차 Δd 에 대응하는 A 의 오차라 하자. d 를 0.68 대신 0.7 로 측정했으므로, 일차근사에서 Δd=0.02, d0=0.68 로 놓는다.ΔA≈A′(d0)⋅Δd=A′(0.68)⋅0.02=936−0.682⋅0.02≈0.03\begin{aligned} A&=\frac{9}{2}\theta = \frac{9}{2}\left(2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right)\right) \\&=9\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \\ \text{미분하면,} \\ A'(d)&=\frac{9}{\sqrt{1-\left(\frac{d}{6}\right)^2}}\cdot\frac{1}{6}\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-d^2}} \\ \text{$\Delta A$ 를 $d$ 의 오차 $\Delta d$ 에 대응하는 $A$ 의 오차라 하자. $d$ 를 $0.68$ 대신 0.7 로 측정했으므로, 일차근사에서 $\Delta d = 0.02$, $d_0=0.68$ 로 놓는다.} \\ \Delta A &\approx A'(d_0)\cdot\Delta d\\ &=A'\left(0.68\right)\cdot 0.02\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-0.68^2}}\cdot0.02\\ &\approx 0.03 \end{aligned}

따라서 AA 의 오차는 약 0.03 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The area removed represents a proportion of θ2π\dfrac{\theta}{2\pi} of the entire circle, whose area is π(32)=9π\pi(3^2)=9\pi. So, the area of the sector removed is θ2π⋅9π=92θ\dfrac{\theta}{2\pi} \cdot9\pi = \dfrac{9}{2}\theta

(b) To find θ\theta from dd, we cut our triangle (with angle θ\theta opposite side of length dd) into two equivalent right triangles, as shown below.

figure

Using the information that the radius of the circle (also the hypotenuse of the right triangle) is 3,

sin⁡(θ2)=d23=d6Since the question tells us the sector is no more than a quarter of the circle, we know 0≤θ≤π2, so 0≤θ2≤π4. This puts θ2 well within the range of arcsine.θ=2arcsin⁡(d6)\begin{aligned} \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&=\frac{\frac{d}{2}}{3}=\frac{d}{6} \\ \text{Since the question tells us the sector is no more than a quarter of the circle, we know $0 \leq \theta \leq \dfrac{\pi}{2}$, so $0 \leq \dfrac{\theta}{2} \leq \dfrac{\pi}{4}$. This puts $\dfrac{\theta}{2}$ well within the range of arcsine.} \\ \theta&=2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \end{aligned}

(c) First, let's get an expression for the area of the sector in terms of dd.

A=92θ=92(2arcsin⁡(d6))=9arcsin⁡(d6)Differentiating,A′(d)=91−(d6)2⋅16=936−d2Let 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≈A′(d0)⋅Δd=A′(0.68)⋅0.02=936−0.682⋅0.02≈0.03\begin{aligned} A&=\frac{9}{2}\theta = \frac{9}{2}\left(2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right)\right) \\&=9\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \\ \text{Differentiating,} \\ A'(d)&=\frac{9}{\sqrt{1-\left(\frac{d}{6}\right)^2}}\cdot\frac{1}{6}\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-d^2}} \\ \text{Let $\Delta A$ is the error in $A$ corresponding to an error of $\Delta d$ in $d$. Since we measured $d$ to be 0.7 instead of $0.68$, in the linear approximation we take $\Delta d = 0.02$ and $d_0=0.68$.} \\ \Delta A &\approx A'(d_0)\cdot\Delta d\\ &=A'\left(0.68\right)\cdot 0.02\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-0.68^2}}\cdot0.02\\ &\approx 0.03 \end{aligned}

So, the error in AA is about 0.03.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류
2.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

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.

그림

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.

figure

정답·풀이 보기

물의 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h)V(h) 가 있다고 하자.

h0=0.5h_0=0.5 미터, Δh=−0.05\Delta h = -0.05, ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5)\Delta V = V(h_0+\Delta h)-V(h_0)=V(0.45)-V(0.5) 라 하자. 그러면 선형 근사에 의해 ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)\Delta V \approx V'(0.5)\cdot \Delta h = -0.05V'(0.5) 이다. 이 문제를 풀기 위해, 먼저 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h)V(h) 를 구하고, 다음으로 V′(0.5)V'(0.5) 를 구한 뒤, 마지막으로 물의 부피 변화량이 ΔV≈−0.05V′(0.5)\Delta V \approx -0.05V'(0.5) 임을 이용하여 어림한다.

탱크 안의 물은 원뿔 모양을 이룬다. 높이가 hh 이고 반지름이 rr 인 원뿔의 부피는 V=13πr2hV=\frac{1}{3}\pi r^2 h 이다. 여기서 변수 rr 을 없애야 한다. 닮은 삼각형을 이용하면 된다. 아래 그림은 탱크와 물을 옆에서 본 모습이다.

그림

탱크를 옆에서 본 삼각형은 물을 옆에서 본 삼각형과 닮음이므로

12=2rhr=h4이를 이용하면 물의 부피를 h 로 나타낸 식을 구할 수 있다.V(h)=13πr2h=π3(h4)2h=πh348미분하면V′(h)=πh216V′(0.5)=0.25π16=π64마지막으로 근사식 ΔV≈−0.05V′(0.5) 를 이용하면ΔV≈−0.05π64=−π1280≈−0.00245 m3\begin{aligned} \frac{1}{2}&=\frac{2r}{h}\\ r&=\frac{h}{4} \\ \text{이를 이용하면 물의 부피를 $h$ 로 나타낸 식을 구할 수 있다.} \\ V(h)&=\frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{\pi}{3}\left(\frac{h}{4}\right)^2h=\frac{\pi h^3}{48} \\ \text{미분하면} \\ V'(h)&=\frac{\pi h^2}{16}\\ V'(0.5)&=\frac{0.25\pi}{16}=\frac{\pi}{64} \\ \text{마지막으로 근사식 $\Delta V \approx -0.05V'(0.5)$ 를 이용하면} \\ \Delta V &\approx \frac{-0.05\pi}{64}=-\frac{\pi}{1280}\approx -0.00245 ~\mathrm{m}^3 \end{aligned}

부피가 약 0.002450.00245 세제곱미터, 즉 약 2450 세제곱센티미터 줄어든 것으로 어림할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose we have a function V(h)V(h) that gives the volume of water in the tank as a function of its height.

Let h0=0.5h_0=0.5 metres, Δh=−0.05\Delta h = -0.05, and ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5)\Delta V = V(h_0+\Delta h)-V(h_0)=V(0.45)-V(0.5). Then, by the linear approximation, ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)\Delta V \approx V'(0.5)\cdot \Delta h = -0.05V'(0.5) In order to solve the problem, we will find a function V(h)V(h) giving the volume of water in terms of the height, then find V′(0.5)V'(0.5), and finally approximate that the change in the volume of the water is ΔV≈−0.05V′(0.5)\Delta V \approx -0.05V'(0.5).

The water in the tank forms a cone. The volume of a cone of height hh and radius rr is V=13πr2hV=\frac{1}{3}\pi r^2 h We need to get rid of the variable rr. We can do this using similar triangles. The diagram below shows the side view of the tank and the water.

figure

The side view of the tank forms a triangle that is similar to the triangle formed by the side view of the water, so

12=2rhr=h4Using this, we find our equation for the volume of the water in terms of h.V(h)=13πr2h=π3(h4)2h=πh348Differentiating,V′(h)=πh216V′(0.5)=0.25π16=π64Finally, using the approximation ΔV≈−0.05V′(0.5),ΔV≈−0.05π64=−π1280≈−0.00245 m3\begin{aligned} \frac{1}{2}&=\frac{2r}{h}\\ r&=\frac{h}{4} \\ \text{Using this, we find our equation for the volume of the water in terms of $h$.} \\ V(h)&=\frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{\pi}{3}\left(\frac{h}{4}\right)^2h=\frac{\pi h^3}{48} \\ \text{Differentiating,} \\ V'(h)&=\frac{\pi h^2}{16}\\ V'(0.5)&=\frac{0.25\pi}{16}=\frac{\pi}{64} \\ \text{Finally, using the approximation $\Delta V \approx -0.05V'(0.5)$,} \\ \Delta V &\approx \frac{-0.05\pi}{64}=-\frac{\pi}{1280}\approx -0.00245 ~\mathrm{m}^3 \end{aligned}

We estimate that the volume decreased by about 0.002450.00245 cubic metres, or about 2450 cubic centimetres.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류
3.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

y=x1/3y = x^{1/3} 의 그래프 위의 x=8x = 8 에서의 접선을 이용하여 101/310^{1/3} 의 근삿값을 구하세요. 이 근삿값은 너무 큰가요, 너무 작은가요?

영어 원문 보기

Use the tangent line to the graph of y=x1/3y = x^{1/3} at x=8x = 8 to find an approximate value for 101/310^{1/3}. Is the approximation too large or too small?

정답·풀이 보기

g(x)=x1/3g(x)=x^{1/3} 이라 하자. 그러면 g′(x)=13x−2/3g'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3} 이고 g′′(x)=−29x−5/3g''(x)=-\dfrac{2}{9} x^{-5/3} 이다.

특히 g(8)=2g(8)=2, g′(8)=112g'(8)=\dfrac{1}{12} 이고, 모든 x>0x>0 에 대해 g′′(x)<0g''(x)<0 이다.

101/310^{1/3} 에 대한 접선 근사는 다음과 같다.

g(10)≈g(8)+g′(8)(10−8)=2+112(2)=136오차 공식을 이용하면:g(10)=g(8)+g′(8)(10−8)+12g′′(c)(10−8)2\begin{aligned} g(10)&\approx g(8)+g'(8)(10-8)\\ &=2+\dfrac{1}{12}(2)=\dfrac{13}{6} \\ \text{오차 공식을 이용하면:} \\ g(10)&=g(8)+g'(8)(10-8)+\tfrac{1}{2} g''(c)(10-8)^2 \end{aligned}

이를 만족하는 8<c<108<c<10 인 cc 가 존재한다. g′′(c)=−29c5/3g''(c)=-\dfrac{2}{9c^{5/3}} 이므로 g′′(c)g''(c) 는 음수이고, 따라서 g(10)g(10) 은 136\dfrac{13}{6} 에 어떤 음수인 양을 더한 값이다. 그러므로 접선 근삿값은 실제 값보다 크다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's name g(x)=x1/3g(x)=x^{1/3}. Then g′(x)=13x−2/3g'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3} and g′′(x)=−29x−5/3g''(x)=-\dfrac{2}{9} x^{-5/3}.

In particular, g(8)=2g(8)=2, g′(8)=112g'(8)=\dfrac{1}{12}, and g′′(x)<0g''(x)<0 for all x>0x>0.

The tangent line approximation to 101/310^{1/3} is

g(10)≈g(8)+g′(8)(10−8)=2+112(2)=136Using the error formula:g(10)=g(8)+g′(8)(10−8)+12g′′(c)(10−8)2\begin{aligned} g(10)&\approx g(8)+g'(8)(10-8)\\ &=2+\dfrac{1}{12}(2)=\dfrac{13}{6} \\ \text{Using the error formula:} \\ g(10)&=g(8)+g'(8)(10-8)+\tfrac{1}{2} g''(c)(10-8)^2 \end{aligned}

for some 8<c<108<c<10. Since g′′(c)=−29c5/3g''(c)=-\dfrac{2}{9c^{5/3}}, g′′(c)g''(c) is negative, so g(10)g(10) is 136\dfrac{13}{6} plus some negative quantity. So, the tangent line approximation is too big.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류