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급수 심화 전체 문제

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유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

832문제 · 38 / 42쪽

741.CLP-1 · 3.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

x=π4x=\dfrac{\pi}{4} 에서 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 (2n)(2n)차 테일러 다항식을 시그마 기호로 나타내세요.

영어 원문 보기

Write the (2n)(2n)th order Taylor polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x about x=π4x=\dfrac{\pi}{4} in sigma notation.

정답·풀이 보기

다음을 떠올리자.

T2n(x)=∑k=02nf(k)(π4)k!(x−π4)kT_{2n}(x)=\sum_{k=0}^{2n} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k

먼저 도함수를 몇 개 구해 보자. 물론 사인 함수를 미분하므로 도함수는 네 번마다 반복된다.

f(x)=sin⁡xf(π4)=12f′(x)=cos⁡xf′(π4)=12f′′(x)=−sin⁡xf′′(π4)=−12f′′′(x)=−cos⁡xf′′′(π4)=−12\begin{aligned} f(x)&=\sin x & f\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'(x)&=\cos x & f'\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt{2}}\\ f''(x)&=-\sin x & f''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'''(x)&=-\cos x & f'''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt{2}}\\ \end{aligned}

따라서 미분계수의 규칙은 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, … 이다. 이것을 시그마 기호로 나타내기는 조금 까다롭다. 짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 나누면 같은 값이 두 번씩 나오는 부분을 처리할 수 있다. (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) 의 짝수 거듭제곱을 포함하는 T2nT_{2n} 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.

12⏟k=0−12!2(x−π4)2⏟k=2+14!2(x−π4)4⏟k=4\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{k=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{k=2} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{k=4} \end{aligned}

이웃한 항끼리 부호가 번갈아 나타남을 알 수 있다. 따라서 kk 를 2ℓ2\ell 로 바꿔 쓰면 이 항들은 다음과 같다.

12⏟ℓ=0−12!2(x−π4)2⏟ℓ=1+14!2(x−π4)4⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{\ell=2} \end{aligned}

여기서 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항은 (−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} 이다. 이것이 정말 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다. k=2nk=2n 일 때 ℓ=n\ell=n 이므로

∑0≤k≤2nk evenf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ even}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} \end{aligned}

이제 홀수 거듭제곱을 살펴보자. (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) 의 홀수 거듭제곱을 포함하는 T2nT_{2n} 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.

12(x−π4)⏟k=1−13!2(x−π4)3⏟k=3+15!2(x−π4)5⏟k=5\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{k=1} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{k=3} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{k=5} \end{aligned}

이번에도 이웃한 항끼리 부호가 번갈아 나타남을 알 수 있다. 따라서 kk 를 2ℓ+12\ell+1 로 바꿔 쓰면 이 항들은 다음과 같다.

12(x−π4)⏟ℓ=0−13!2(x−π4)3⏟ℓ=1+15!2(x−π4)5⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{\ell=2} \end{aligned}

여기서 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항은 (−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} 이다. 이것이 정말 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다. 2n2n 보다 작은 가장 큰 홀수 정수는 2n−12n-1 이고, k=2n−1=2ℓ+1k=2n-1=2\ell+1 일 때 ℓ=n−1\ell=n-1 이므로

∑0≤k≤2nk oddf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ odd}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 합치면

T2n(x)=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ+∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} T_{2n}(x)&=\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} +\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Recall that

T2n(x)=∑k=02nf(k)(π4)k!(x−π4)kT_{2n}(x)=\sum_{k=0}^{2n} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k

Let's start by taking some derivatives. Of course, since we're differentiating sine, the derivatives will repeat every four iterations.

f(x)=sin⁡xf(π4)=12f′(x)=cos⁡xf′(π4)=12f′′(x)=−sin⁡xf′′(π4)=−12f′′′(x)=−cos⁡xf′′′(π4)=−12\begin{aligned} f(x)&=\sin x & f\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'(x)&=\cos x & f'\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt{2}}\\ f''(x)&=-\sin x & f''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'''(x)&=-\cos x & f'''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt{2}}\\ \end{aligned}

So, the pattern of derivatives is 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, etc. This is a little tricky to write in sigma notation. We can deal with the “doubles" by separating the even and odd powers. The first few terms of T2nT_{2n} that contain even powers of (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) are

12⏟k=0−12!2(x−π4)2⏟k=2+14!2(x−π4)4⏟k=4\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{k=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{k=2} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{k=4} \end{aligned}

Observe that the signs alternate between successive terms. So if we rename kk to 2ℓ2\ell these terms are

12⏟ℓ=0−12!2(x−π4)2⏟ℓ=1+14!2(x−π4)4⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{\ell=2} \end{aligned}

and the ℓth\ell^{\rm th} term here is (−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell}. To verify that this really is the ℓth\ell^{\rm th} term, evaluate this for ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 explicitly. When k=2nk=2n, ℓ=n\ell=n so that

∑0≤k≤2nk evenf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ even}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} \end{aligned}

Now for the odd powers. The first few terms of T2nT_{2n} that contain odd powers of (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) are

12(x−π4)⏟k=1−13!2(x−π4)3⏟k=3+15!2(x−π4)5⏟k=5\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{k=1} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{k=3} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{k=5} \end{aligned}

Observe that the signs again alternate between successive terms. So if we rename kk to 2ℓ+12\ell+1 these terms are

12(x−π4)⏟ℓ=0−13!2(x−π4)3⏟ℓ=1+15!2(x−π4)5⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{\ell=2} \end{aligned}

and the ℓth\ell^{\rm th} term here is (−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1}. To verify that this really is the ℓth\ell^{\rm th} term, evaluate this for ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 explicitly. The largest odd integer that is smaller than 2n2n is 2n−12n-1 and when k=2n−1=2ℓ+1k=2n-1=2\ell+1, ℓ=n−1\ell=n-1 so that

∑0≤k≤2nk oddf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ odd}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

Putting the even and odd powers together

T2n(x)=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ+∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} T_{2n}(x)&=\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} +\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

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

f(x)=7x2−3x+4f(x)=7x^2-3x+4 라 하자. xx 의 측정값이 x0=2x_0 = 2 이지만 xx 의 실제 값은 x0+Δxx_0+\Delta x 라 하자. 또한 측정 오차가 Δx=1\Delta x = 1 이라 하자. x0x_0 에서 xx 가 Δx\Delta x 만큼 변할 때 f(x)f(x) 의 변화량을 Δy\Delta y 라 하자. 즉, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f\left(x_0+\Delta x\right)-f(x_0) 이다.

다음이 참인지 거짓인지 판단하세요: Δy=f′(2)(1)=25\Delta y = f'(2)(1)=25

영어 원문 보기

Let f(x)=7x2−3x+4f(x)=7x^2-3x+4. Suppose we measure xx to be x0=2x_0 = 2 but that the real value of xx is x0+Δxx_0+\Delta x. Suppose further that the error in our measurement is Δx=1\Delta x = 1. Let Δy\Delta y be the change in f(x)f(x) corresponding to a change of Δx\Delta x in x0x_0. That is, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f\left(x_0+\Delta x\right)-f(x_0).

True or false: Δy=f′(2)(1)=25\Delta y = f'(2)(1)=25

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

거짓이다. 선형 근사는 근삿값일 뿐이다. 선형 근사로부터 Δy≈f′(x0)Δx=f′(2)(1)=25\Delta y \approx f'(x_0)\Delta x=f'(2)(1)=25 를 얻는다. 그러나 Δy\Delta y 의 정의에 따르면 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=f(2+1)−f(2)=58−26=32\Delta y = f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=f(2+1)-f(2)=58-26=32 이다.

참고: 이 절의 계산은 실제 오차의 한계가 아니라 오차 한계의 추정임을 강조하기 위한 것이다. 우리가 말할 수 있는 것은 오차가 어떤 수보다 크지 않을 것이라고 추정한다는 것뿐이며, 그것을 보장하지는 않는다.

다음 절에서는 정확함이 보장되는 오차 한계를 소개할 것이다. 이는 대개 이 절의 추정보다 계산하기가 더 어렵다.

원본 교재 풀이(영어)

False. The linear approximation is an approximation. It tells us Δy≈f′(x0)Δx=f′(2)(1)=25\Delta y \approx f'(x_0)\Delta x=f'(2)(1)=25 However, from our definition of Δy\Delta y, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=f(2+1)−f(2)=58−26=32\Delta y = f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=f(2+1)-f(2)=58-26=32

Remark: this is to emphasize that the calculations in this subsection are estimations of error bounds, rather than actual error bounds. All we can say is that we estimate the error will be no more than some number–we don't guarantee it.

In the next subsection, we will introduce an error bound that is guaranteed to be accurate. It is usually harder to calculate than the estimations in this section.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차개념 확인기본자동 분류
743.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
744.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

농장에 원형 우리를 짓고 있다. 우리의 넓이는 오차 2% 이내로 A0A_0 제곱미터여야 한다. 반지름에서 허용되는 최대 백분율 오차를 어림하세요.

영어 원문 보기

A circular pen is being built on a farm. The pen must contain A0A_0 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 rr 인 우리의 넓이를 AA 라 하자. 그러면

A(r)=πr2r에 대해 미분하면,A′(r)=2πr원하는 정확한 넓이는 A0 이다. 이에 대응하는 원하는 정확한 반지름을 r0 이라 하자.선형 근사식을 이용한다. 여기서 ΔA 는 r 이 Δr 만큼 변할 때 대응하는 A 의 변화량이다.ΔA≈A′(r0)Δr=2πr0ΔrΔr≈ΔA2πr0우리가 알고 싶은 것은 r 이 가질 수 있는 백분율 오차이다. 백분율 오차는 다음과 같다.100Δrr0≈100ΔA2πr0⋅r0=100ΔA2(πr02)=100ΔA2⋅A0=(100ΔAA0)12≤(2)12=1\begin{aligned} A(r)&=\pi r^2 \\ \text{$r$에 대해 미분하면,} \\ A'(r)&=2\pi r \\ \text{원하는 정확한 넓이는 $A_0$ 이다. 이에 대응하는 원하는 정확한 반지름을 $r_0$ 이라 하자.} \\ \\ \text{선형 근사식을 이용한다. 여기서 $\Delta A$ 는 $r$ 이 $\Delta r$ 만큼 변할 때 대응하는 $A$ 의 변화량이다.} \\ \Delta A &\approx A'(r_0)\Delta r = 2\pi r_0 \Delta r\\ \Delta r &\approx \dfrac{\Delta A}{2\pi r_0} \\ \text{우리가 알고 싶은 것은 $r$ 이 가질 수 있는 백분율 오차이다. 백분율 오차는 다음과 같다.} \\ 100\frac{\Delta r}{r_0}&\approx100\frac{\Delta A}{2\pi r_0\cdot r_0}\\ &=100\frac{\Delta A}{2(\pi r_0^2)}\\ &=100\frac{\Delta A}{2\cdot A_0}\\ &=\left( 100\frac{\Delta A}{A_0}\right)\frac{1}{2}\\ &\leq\left( 2\right)\frac{1}{2}=1 \end{aligned}

(마지막 줄을 얻기 위해, 넓이의 백분율 오차 100ΔAA0100\dfrac{\Delta A}{A_0} 가 2%보다 작아야 한다는 주어진 정보를 이용했다.)

따라서 rr 의 오차는 1%를 넘을 수 없다고 결론짓는다.

원본 교재 풀이(영어)

Let AA be the area of a pen of radius rr. Then

A(r)=πr2Differentiating with respect to r,A′(r)=2πrThe 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,ΔA≈A′(r0)Δr=2πr0ΔrΔr≈ΔA2πr0What we’re interested in is the percent error r can have. The percent error is:100Δrr0≈100ΔA2πr0⋅r0=100ΔA2(πr02)=100ΔA2⋅A0=(100ΔAA0)12≤(2)12=1\begin{aligned} A(r)&=\pi r^2 \\ \text{Differentiating with respect to $r$,} \\ A'(r)&=2\pi r \\ \text{The exact area desired is $A_0$. Let the corresponding exact radius desired be $r_0$.} \\ \\ \text{Using the linear approximation formula, where $\Delta A$ is the change in $A$ corresponding to a change in $r$ of $\Delta r$,} \\ \Delta A &\approx A'(r_0)\Delta r = 2\pi r_0 \Delta r\\ \Delta r &\approx \dfrac{\Delta A}{2\pi r_0} \\ \text{What we're interested in is the percent error $r$ can have. The percent error is:} \\ 100\frac{\Delta r}{r_0}&\approx100\frac{\Delta A}{2\pi r_0\cdot r_0}\\ &=100\frac{\Delta A}{2(\pi r_0^2)}\\ &=100\frac{\Delta A}{2\cdot A_0}\\ &=\left( 100\frac{\Delta A}{A_0}\right)\frac{1}{2}\\ &\leq\left( 2\right)\frac{1}{2}=1 \end{aligned}

(To get the last line, we used the given information that the percent error in the area, 100ΔAA0100\dfrac{\Delta A}{A_0}, must be less than 2%.)

We conclude the error in rr cannot be more than 1%.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 5번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
745.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
746.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
747.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 시료가 처음에 방사성 동위 원소 정확히 1 μ\mug 으로 시작하고, 3년 후에 0.9 μ\mug 이 남아 있는 것으로 측정되었다. 이 측정값이 0.05 μ\mug 이내로 정확하다면, 이 측정값을 이용해 계산한 반감기의 정확도가 이에 따라 어느 정도인지 어림하세요.

영어 원문 보기

A sample begins with precisely 1 μ\mug of a radioactive isotope, and after 3 years is measured to have 0.9 μ\mug remaining. If this measurement is correct to within 0.05 μ\mug, estimate the corresponding accuracy of the half-life calculated using it.

정답·풀이 보기

qq 를 3년 후 남아 있는 동위 원소의 측정량이라 하자. h(q)h(q) 를 qq 를 이용해 계산한 동위 원소의 반감기라 하자. 측정값은 q=0.9q=0.9 이었으나, qq 가 0.05만큼 변할 때 hh 가 얼마나 변하는지 알고 싶다. 그래서 Δq=±0.05\Delta q= \pm 0.05 라 하고, Δh\Delta h 를 이에 대응하는 hh 의 변화량이라 하자. 선형 근사에 의해 다음을 얻는다.

Δh≈h′(0.9)Δq따라서,∣Δh∣≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05\begin{aligned}\Delta h& \approx h'(0.9)\Delta q \\ \text{따라서,} \\ \left|\Delta h\right|&\approx\left| h'(0.9)\right|\left|\Delta q\right|= h'(0.9)\cdot 0.05 \end{aligned}

이것은 문제를 푸는 계획을 시사한다. 측정값 qq 를 바탕으로 계산한 동위 원소의 반감기를 나타내는 식 h(q)h(q) 를 구한다. 그런 다음 h′(0.9)h'(0.9) 를 구한다. 마지막으로, 식 ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05\left|\Delta h\right|=h'(0.9)\cdot0.05 가 측정값의 0.05 변화에 대응하는 hh 의 변화량을 알려 준다.

3년 후 qq μ\mug 이 남아 있을 때 동위 원소의 반감기를 구해 보자. tt 년 후 존재하는 동위 원소의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt어떤 상수 k 에 대해. 정확히 1 μg 이 있던 때를 t=0 이라 하자. 그러면Q(t)=e−kt3년 후 남아 있는 동위 원소의 양이 q 이므로q=e−k⋅3q13=e−kQ(t)=(e−k)t=qt3반감기는 Q(t)=12Q(0)=12 이 되는 t 의 값이다.12=Q(t)=qt3log⁡(12)=log⁡(qt3)−log⁡2=t3log⁡qt=−3log⁡2log⁡q\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{어떤 상수 $k$ 에 대해. 정확히 1 $\mu$g 이 있던 때를 $t=0$ 이라 하자. 그러면} \\ Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{3년 후 남아 있는 동위 원소의 양이 $q$ 이므로} \\ q&=e^{-k\cdot 3}\\ q^{\frac{1}{3}}&=e^{-k}\\ Q(t)&=\left(e^{-k}\right)^t=q^{\frac{t}{3}} \\ \text{반감기는 $Q(t)=\frac{1}{2}Q(0)=\frac{1}{2}$ 이 되는 $t$ 의 값이다.} \\ \frac{1}{2}&=Q(t)=q^{\frac{t}{3}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(q^{\frac{t}{3}}\right)\\ -\log 2 &=\frac{t}{3}\log q\\ t&=\frac{-3\log 2}{\log q} \end{aligned}

따라서 계산된 반감기는 −3log⁡2log⁡q\dfrac{-3\log 2}{\log q} 이다. 이로써 첫 번째 목표, 즉 계산된 원소의 반감기를 나타내는 함수 h(q)h(q) 를 얻는다.

h(q)=−3log⁡2log⁡q계획에 따라 h′(0.9) 를 구한다.h′(q)=ddq{−3log⁡2log⁡q}=−3log⁡2⋅ddq{(log⁡q)−1}=−3log⁡2⋅(−1)(log⁡q)−2⋅1q=3log⁡2qlog⁡2qh′(0.9)=3log⁡20.9log⁡2(0.9)≈208마지막으로, 계획에서 정리한 대로, ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05=3log⁡218log⁡2(0.9)≈10.4\begin{aligned}h(q)&=\dfrac{-3\log2}{\log q} \\ \text{계획에 따라 $h'(0.9)$ 를 구한다.} \\ h'(q)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\dfrac{-3\log2}{\log q}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\left(\log q\right)^{-1}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot(-1)\left(\log q\right)^{-2}\cdot\frac{1}{q}\\ &=\frac{3\log 2}{q\log^2q}\\ h'(0.9)&=\frac{3\log2}{0.9\log^2(0.9)}\approx 208 \\ \text{마지막으로, 계획에서 정리한 대로, } \\ \left|\Delta h\right|&=h'(0.9)\cdot0.05\\ &=\frac{3\log2}{18\log^2(0.9)}\approx 10.4 \end{aligned}

측정값이 ±0.05\pm 0.05 μ\mug 만큼 변하면, 계산된 반감기는 약 ±\pm10.4년 변하는 것으로 어림된다. 측정값이 0.050.05 μ\mug 이내로 정확하므로, 계산된 반감기는 약 10.4년 이내로 정확하다고 어림할 수 있다.

참고: h(0.9)=−3log⁡2log⁡0.9≈19.7h(0.9)=\dfrac{-3\log 2}{\log 0.9} \approx 19.7 이므로, 10.4년의 절대 오차는 백분율 오차 10010.419.7≈53%100\dfrac{10.4}{19.7}\approx 53\% 에 해당한다. 문제에서는 절대 오차인지 백분율 오차인지 정하지 않았다. 둘 다 의미가 있으므로 어느 쪽을 써도 된다.

원본 교재 풀이(영어)

Let qq be the measured amount of the isotope remaining after 3 years. Let h(q)h(q) be the half-life of the isotope that we calculate using qq. We measured q=0.9q=0.9, but we want to know what the change in hh is if qq moves by 0.05. So, let Δq=±0.05\Delta q= \pm 0.05, and let Δh\Delta h be the corresponding change in hh. The linear approximation tells us

Δh≈h′(0.9)ΔqSo,∣Δh∣≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05\begin{aligned}\Delta h& \approx h'(0.9)\Delta q \\ \text{So,} \\ \left|\Delta h\right|&\approx\left| h'(0.9)\right|\left|\Delta q\right|= h'(0.9)\cdot 0.05 \end{aligned}

This suggests a plan for solving the problem. We will find the equation h(q)h(q) giving the calculated half-life of the isotope based on the measurement qq. Then, we will find h′(0.9)h'(0.9). Finally, the equation ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05\left|\Delta h\right|=h'(0.9)\cdot0.05 will tell us the change in hh that corresponds with a change of 0.05 in our measurement.

Let us find the half-life of the isotope, if after three years qq μ\mug is remaining. The amount of the isotope present after tt years is given by

Q(t)=Q(0)e−ktfor some constant k. Let’s take t=0 to be the time when precisely one μg was present. ThenQ(t)=e−ktAfter three years, q is the amount of the isotope remaining, soq=e−k⋅3q13=e−kQ(t)=(e−k)t=qt3The half-life is the value of t for which Q(t)=12Q(0)=12.12=Q(t)=qt3log⁡(12)=log⁡(qt3)−log⁡2=t3log⁡qt=−3log⁡2log⁡q\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{for some constant $k$. Let's take $t=0$ to be the time when precisely one $\mu$g was present. Then} \\ Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{After three years, $q$ is the amount of the isotope remaining, so} \\ q&=e^{-k\cdot 3}\\ q^{\frac{1}{3}}&=e^{-k}\\ Q(t)&=\left(e^{-k}\right)^t=q^{\frac{t}{3}} \\ \text{The half-life is the value of $t$ for which $Q(t)=\frac{1}{2}Q(0)=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{1}{2}&=Q(t)=q^{\frac{t}{3}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(q^{\frac{t}{3}}\right)\\ -\log 2 &=\frac{t}{3}\log q\\ t&=\frac{-3\log 2}{\log q} \end{aligned}

So, we calculate the half-life to be −3log⁡2log⁡q\dfrac{-3\log 2}{\log q}. This gives us our first goal: a function h(q)h(q) that tells us the calculated half-life of the element.

h(q)=−3log⁡2log⁡qFollowing our plan, we find h′(0.9).h′(q)=ddq{−3log⁡2log⁡q}=−3log⁡2⋅ddq{(log⁡q)−1}=−3log⁡2⋅(−1)(log⁡q)−2⋅1q=3log⁡2qlog⁡2qh′(0.9)=3log⁡20.9log⁡2(0.9)≈208Finally, as outlined in our plan, ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05=3log⁡218log⁡2(0.9)≈10.4\begin{aligned}h(q)&=\dfrac{-3\log2}{\log q} \\ \text{Following our plan, we find $h'(0.9)$.} \\ h'(q)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\dfrac{-3\log2}{\log q}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\left(\log q\right)^{-1}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot(-1)\left(\log q\right)^{-2}\cdot\frac{1}{q}\\ &=\frac{3\log 2}{q\log^2q}\\ h'(0.9)&=\frac{3\log2}{0.9\log^2(0.9)}\approx 208 \\ \text{Finally, as outlined in our plan, } \\ \left|\Delta h\right|&=h'(0.9)\cdot0.05\\ &=\frac{3\log2}{18\log^2(0.9)}\approx 10.4 \end{aligned}

If our measurement changes by ±0.05\pm 0.05 μ\mug, then we estimate our calculated half-life changes by about ±\pm10.4 years. Since our measurement is accurate to within 0.050.05 μ\mug, that means we estimate our calculated half-life to be accurate to within about 10.4 years.

Remark: since h(0.9)=−3log⁡2log⁡0.9≈19.7h(0.9)=\dfrac{-3\log 2}{\log 0.9} \approx 19.7, an absolute error of 10.4 years corresponds to a percentage error of 10010.419.7≈53%100\dfrac{10.4}{19.7}\approx 53\%. The question did not specify absolute or percentage error. Since both make sense, you can use either one.

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

f(x)f(x) 가 함수이고 이를 F(x)F(x) 로 근사했다고 하자. 또한 f(10)=−3f(10)=-3 이고 근삿값은 F(10)=5F(10)=5 라고 하자. R(x)=f(x)−F(x)R(x)=f(x)-F(x) 라 하자.

(a) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤7|R(10)| \leq 7 (b) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤8|R(10)| \leq 8 (c) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤9|R(10)| \leq 9 (d) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤100|R(10)| \leq 100

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function that we approximated by F(x)F(x). Further, suppose f(10)=−3f(10)=-3, while our approximation was F(10)=5F(10)=5. Let R(x)=f(x)−F(x)R(x)=f(x)-F(x).

(a) True or false: ∣R(10)∣≤7|R(10)| \leq 7 (b) True or false: ∣R(10)∣≤8|R(10)| \leq 8 (c) True or false: ∣R(10)∣≤9|R(10)| \leq 9 (d) True or false: ∣R(10)∣≤100|R(10)| \leq 100

답 쓰고 채점
(a)
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(d)
정답·풀이 보기

주어진 정보에서 ∣R(10)∣=∣f(10)−F(10)∣=∣−3−5∣=∣−8∣=8|R(10)|=|f(10)-F(10)|=|-3-5|=|-8|=8 이므로 (a)는 거짓이고(8은 7보다 작거나 같지 않으므로), (b), (c), (d)는 참이다.

참고: R(x)R(x) 는 근사에서 생기는 오차이다. 본문에서 언급했듯이 RR 을 정확히 아는 경우는 거의 없지만, 그 한계(상한)는 제시할 수 있다. 가장 정밀한 한계가 필요한 것은 아니며, 계산하기 쉬운 적당한 한계면 충분하다. 실제 함수와 근사를 다룬다면 ∣R(10)∣=8|R(10)|=8 임은 모를 수도 있지만, 그것이 많아야 9라는 것을 안다면 꽤 괜찮은 근사이다.

이 절에서는 계산하기 쉬운 한계를 얻기 위해 단순화하는 가정을 자주 하게 된다. 하지만 지나치게 하지는 말아야 한다. 절대오차가 많아야 100이라는 말은 참이지만, 이 진술은 한계로서는 별로 도움이 되지 않을 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

From the given information, ∣R(10)∣=∣f(10)−F(10)∣=∣−3−5∣=∣−8∣=8|R(10)|=|f(10)-F(10)|=|-3-5|=|-8|=8 So, (a) is false (since 8 is not less than or equal to 7), while (b), (c), and (d) are true.

Remark: R(x)R(x) is the error in our approximation. As mentioned in the text, we almost never know RR exactly, but we can give a bound. We don't need the tightest bound–just a reasonable one that is easy to calculate. If we were dealing with real functions and approximations, we might not know that ∣R(10)∣=8|R(10)|=8, but if we knew it was at most 9, that would be a pretty decent approximation.

Often in this section, we will make simplifying assumptions to get a bound that is easy to calculate. But, don't go overboard! It is a true statement to say that our absolute error is at most 100, but this statement would probably not be very helpful as a bound.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차개념 확인기본자동 분류
749.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
750.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
751.CLP-1 · 3.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

f(x)=log⁡(x)f(x)=\log(x) 라 하고, Tn(x)T_n(x) 를 x=1x=1 에서 f(x)f(x) 의 nn 차 테일러 다항식이라 하자. Tn(1.1)T_n(1.1) 을 사용하여 log⁡(1.1)\log (1.1) 을 어림한다. 어림값의 오차가 10−410^{-4} 이하가 되어야 한다면, 사용할 수 있는 nn 의 값은 무엇입니까?

영어 원문 보기

Let f(x)=log⁡(x)f(x)=\log(x), and let Tn(x)T_n(x) be the nnth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=1. You use Tn(1.1)T_n(1.1) to estimate log⁡(1.1)\log (1.1). If your estimation needs to have an error of no more than 10−410^{-4}, what is an acceptable value of nn to use?

정답·풀이 보기

오차는 어떤 상수 cc 에 대해 f(n+1)(c)(n+1)!(x−1)n+1\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-1)^{n+1} 의 꼴이므로, f(n)(x)f^{(n)}(x) 에 대한 식을 구해 보자. 이는 교재에서 이미 다룬 적이 있지만 여기서 다시 해 보자. 도함수를 여러 번 구한 다음 규칙을 찾는다.

f(x)=log⁡xf′(x)=x−1f′′(x)=−x−2f′′′(x)=2! x−3f(4)(x)=−3! x−4f(5)(x)=4! x−5따라서 n≥1 일 때,f(n)(x)=(−1)n−1(n−1)!⋅x−n\begin{aligned} f(x)&=\log x\\ f'(x)&=x^{-1}\\ f''(x)&=-x^{-2}\\ f'''(x)&=2!\,x^{-3}\\ f^{(4)}(x)&=-3!\,x^{-4}\\ f^{(5)}(x)&=4!\,x^{-5} \\ \text{따라서 $n \geq 1$ 일 때,} \\ f^{(n)}(x)&=(-1)^{n-1}(n-1)!\cdot x^{-n} \end{aligned}

이제 f(x)f(x) 의 도함수를 알았으므로, 어림값의 오차가 어떤 모양인지 더 잘 알 수 있다.

∣f(1.1)−Tn(1.1)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(1.1−1)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣0.1n+1(n+1)!=∣n!cn+1∣110n+1(n+1)!=1∣c∣n+1⋅10n+1⋅(n+1)(1,1.1) 안의 어떤 c 에 대해<1(n+1)10n+1⋅1n+1=1(n+1)10n+1지금까지 보인 것은 다음과 같다.∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+11(n+1)10n+1≤10−4 임을 보일 수 있다면, 다음을 결론지을 수 있다.∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1≤10−4\begin{aligned} \left|f(1.1)-T_n(1.1)\right|&=\left|\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(1.1-1)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\frac{0.1^{n+1}}{(n+1)!}\\ &=\left|\frac{n!}{c^{n+1}} \right|\frac{1}{10^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{1}{ |c|^{n+1}\cdot10^{n+1}\cdot(n+1)} \\ \text{$(1,1.1)$ 안의 어떤 $c$ 에 대해} \\ &<\frac{1}{(n+1)10^{n+1}\cdot 1^{n+1}}\\ &=\frac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{지금까지 보인 것은 다음과 같다.} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{$\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}$ 임을 보일 수 있다면, 다음을 결론지을 수 있다.} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} \end{aligned}

즉, 오차가 10−410^{-4} 보다 작다.

따라서 이 문제의 목표는 1(n+1)10n+1≤10−4\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} 이 되게 하는 nn 의 값을 찾는 것이다. n=3n=3 은 분명히 그러한 수이다. 그러므로 3 이상인 모든 nn 은 사용할 수 있는 값이다.

원본 교재 풀이(영어)

Our error will have the form f(n+1)(c)(n+1)!(x−1)n+1\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-1)^{n+1} for some constant cc, so let's find an equation for f(n)(x)f^{(n)}(x). This has been done before in the text, but we'll do it again here: we'll take several derivatives, then notice the pattern.

f(x)=log⁡xf′(x)=x−1f′′(x)=−x−2f′′′(x)=2! x−3f(4)(x)=−3! x−4f(5)(x)=4! x−5So, when n≥1,f(n)(x)=(−1)n−1(n−1)!⋅x−n\begin{aligned} f(x)&=\log x\\ f'(x)&=x^{-1}\\ f''(x)&=-x^{-2}\\ f'''(x)&=2!\,x^{-3}\\ f^{(4)}(x)&=-3!\,x^{-4}\\ f^{(5)}(x)&=4!\,x^{-5} \\ \text{So, when $n \geq 1$,} \\ f^{(n)}(x)&=(-1)^{n-1}(n-1)!\cdot x^{-n} \end{aligned}

Now that we know the derivative of f(x)f(x), we have a better idea what the error in our approximation looks like.

∣f(1.1)−Tn(1.1)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(1.1−1)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣0.1n+1(n+1)!=∣n!cn+1∣110n+1(n+1)!=1∣c∣n+1⋅10n+1⋅(n+1)for some c in (1,1.1)<1(n+1)10n+1⋅1n+1=1(n+1)10n+1What we’ve shown so far is ∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1If we can show that 1(n+1)10n+1≤10−4, then we’ll be able to conclude∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1≤10−4\begin{aligned} \left|f(1.1)-T_n(1.1)\right|&=\left|\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(1.1-1)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\frac{0.1^{n+1}}{(n+1)!}\\ &=\left|\frac{n!}{c^{n+1}} \right|\frac{1}{10^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{1}{ |c|^{n+1}\cdot10^{n+1}\cdot(n+1)} \\ \text{for some $c$ in $(1,1.1)$} \\ &<\frac{1}{(n+1)10^{n+1}\cdot 1^{n+1}}\\ &=\frac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{What we've shown so far is } \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{If we can show that $\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}$, then we'll be able to conclude} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} \end{aligned}

That is, our error is less than 10−410^{-4}.

So, our goal for the problem is to find a value of nn that makes 1(n+1)10n+1≤10−4\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}. Certainly, n=3n=3 is such a number. Therefore, any nn greater than or equal to 3 is an acceptable value.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 1번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
752.CLP-1 · 3.4절 · 12번대학 수준우리말 번역

테일러 다항식을 이용하여 22007\sqrt[7]{2200} 의 값을 어림하세요. 어림값의 오차는 0.001 보다 작아야 합니다.

영어 원문 보기

Give an estimation of 22007\sqrt[7]{2200} using a Taylor polynomial. Your estimation should have an error of less than 0.001.

정답·풀이 보기

테일러 다항식을 이용하여 f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} 을 근사하자. 37=21873^7=2187 이므로 중심을 x=2187x=2187 로 잡는다.

오차가 충분히 작아지려면 몇 차 테일러 다항식을 써야 하는지 알아내야 한다.

nn차 테일러 다항식을 사용하면 오차는 다음과 같다.

∣f(2200)−Tn(2200)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(2200−2187)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!어떤 c 가 (2187,2200) 안에 있다. 이 값이 0.001 보다 작으려면 다음이 성립해야 한다.∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!<0.001∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1\begin{aligned} \left|f(2200)-T_n(2200)\right|&=\left|\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(2200-2187)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!} \\ \text{어떤 $c$ 가 $(2187,2200)$ 안에 있다. 이 값이 0.001 보다 작으려면 다음이 성립해야 한다.} \\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!}&<0.001\\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|&<\frac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}} \end{aligned}

어떤 nn 에서 이 부등식이 성립하는지 알아내기는 까다롭다. 표를 만들어 보자. 표를 채우는 계산 과정을 모두 보이지는 않지만, 계산은 일반적인 방법을 따른다.

n(n+1)!1000⋅13n+1∣f(n+1)(c)∣Is ∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1?      011000⋅13∣f′(c)∣=17c6/7<17⋅36      121000⋅132∣f′′(c)∣=672⋅c137<672⋅313Yes!\begin{array}{c|c|c|c} n & \dfrac{(n+1)!}{1000\cdot 13^{n+1}} & \left|f^{(n+1)}(c)\right| & \textup{Is }\left|f^{(n+1)}(c)\right|<\dfrac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}}\textup{?} \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 0&\dfrac{1}{1000\cdot 13}&|f'(c)|=\dfrac{1}{7c^{6/7}}<\dfrac{1}{7\cdot 3^6}& \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 1&\dfrac{2}{1000\cdot 13^2}&|f''(c)|=\dfrac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}&\textup{Yes!} \end{array}

즉, 1차 테일러 다항식을 사용하면 21872187 과 22002200 사이의 어떤 cc 에 대해

∣f(2200)−T1(2200)∣=∣f′′(c)∣⋅1322!=672⋅c137⋅1322<672⋅313⋅1322=3⋅13272⋅313≈0.0000065\begin{aligned} |f(2200)-T_1(2200)|&=\left|f''(c)\right|\cdot\frac{13^2}{2!}\\ &=\frac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}\cdot\frac{13^2}{2}\\ &<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}\cdot\dfrac{13^2}{2}\\ &=\dfrac{3\cdot 13^2}{7^2 \cdot 3^{13}}\approx 0.0000065 \end{aligned}

따라서 사실 1차 테일러 다항식(또는 더 높은 차수의 테일러 다항식)을 쓰면 요구되는 것보다 훨씬 정확한 어림값을 얻는다. (그러나 상수 근사가 충분히 정확한지는 알 수 없으므로 n≥1n \geq 1 을 쓰는 것이 좋다.)

1차 테일러 다항식을 쓸 수 있음을 알았으므로 T1(x)T_1(x) 를 계산하자. x=2187x=2187 에서 f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} 의 테일러 다항식을 구하는 것임을 기억하자.

f(2187)=218717=3f′(x)=17x−67f′(2187)=17218776=17⋅36T1(x)=f(2187)+f′(2187)(x−2187)=3+x−21877⋅36T1(2200)=3+2200−21877⋅36=3+137⋅36≈3.00255\begin{aligned} f(2187)&=2187^{\tfrac{1}{7}}=3\\ f'(x)&=\frac{1}{7}x^{-\tfrac{6}{7}}\\ f'(2187)&=\frac{1}{7\sqrt[7]{2187}^6}=\frac{1}{7\cdot3^6}\\ T_1(x)&=f(2187)+f'(2187)(x-2187)\\ &=3+\frac{x-2187}{7\cdot3^6}\\ T_1(2200)&=3+\frac{2200-2187}{7\cdot3^6}\\ &=3+\frac{13}{7\cdot 3^6}\\ &\approx 3.00255 \end{aligned}

따라서 22007≈3.00255\sqrt[7]{2200}\approx 3.00255 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We will approximate f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} using a Taylor polynomial. Since 37=21873^7=2187, we will use x=2187x=2187 as our centre.

We need to figure out which order Taylor polynomial will result in a small enough error.

If we use the nnth Taylor polynomial, our error will be

∣f(2200)−Tn(2200)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(2200−2187)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!for some c in (2187,2200). In order for this to be less than 0.001, we need∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!<0.001∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1\begin{aligned} \left|f(2200)-T_n(2200)\right|&=\left|\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(2200-2187)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!} \\ \text{for some $c$ in $(2187,2200)$. In order for this to be less than 0.001, we need} \\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!}&<0.001\\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|&<\frac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}} \end{aligned}

It's a tricky thing to figure out which nn makes this true. Let's make a table. We won't show all the work of filling it in, but the work is standard.

n(n+1)!1000⋅13n+1∣f(n+1)(c)∣Is ∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1?      011000⋅13∣f′(c)∣=17c6/7<17⋅36      121000⋅132∣f′′(c)∣=672⋅c137<672⋅313Yes!\begin{array}{c|c|c|c} n & \dfrac{(n+1)!}{1000\cdot 13^{n+1}} & \left|f^{(n+1)}(c)\right| & \textup{Is }\left|f^{(n+1)}(c)\right|<\dfrac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}}\textup{?} \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 0&\dfrac{1}{1000\cdot 13}&|f'(c)|=\dfrac{1}{7c^{6/7}}<\dfrac{1}{7\cdot 3^6}& \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 1&\dfrac{2}{1000\cdot 13^2}&|f''(c)|=\dfrac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}&\textup{Yes!} \end{array}

That is: if we use the first order Taylor polynomial, then for some cc between 21872187 and 22002200,

∣f(2200)−T1(2200)∣=∣f′′(c)∣⋅1322!=672⋅c137⋅1322<672⋅313⋅1322=3⋅13272⋅313≈0.0000065\begin{aligned} |f(2200)-T_1(2200)|&=\left|f''(c)\right|\cdot\frac{13^2}{2!}\\ &=\frac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}\cdot\frac{13^2}{2}\\ &<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}\cdot\dfrac{13^2}{2}\\ &=\dfrac{3\cdot 13^2}{7^2 \cdot 3^{13}}\approx 0.0000065 \end{aligned}

So, actually, the linear Taylor polynomial (or any higher order Taylor polynomial) will result in an approximation that is much more accurate than required. (We don't know, however, that the constant approximation will be accurate enough–so we'd better stick with n≥1n \geq 1.)

Now that we know we can take the first order Taylor polynomial, let's compute T1(x)T_1(x). Recall we are taking the Taylor polynomial for f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} about x=2187x=2187.

f(2187)=218717=3f′(x)=17x−67f′(2187)=17218776=17⋅36T1(x)=f(2187)+f′(2187)(x−2187)=3+x−21877⋅36T1(2200)=3+2200−21877⋅36=3+137⋅36≈3.00255\begin{aligned} f(2187)&=2187^{\tfrac{1}{7}}=3\\ f'(x)&=\frac{1}{7}x^{-\tfrac{6}{7}}\\ f'(2187)&=\frac{1}{7\sqrt[7]{2187}^6}=\frac{1}{7\cdot3^6}\\ T_1(x)&=f(2187)+f'(2187)(x-2187)\\ &=3+\frac{x-2187}{7\cdot3^6}\\ T_1(2200)&=3+\frac{2200-2187}{7\cdot3^6}\\ &=3+\frac{13}{7\cdot 3^6}\\ &\approx 3.00255 \end{aligned}

We conclude 22007≈3.00255\sqrt[7]{2200}\approx 3.00255.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 11번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
753.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
754.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
755.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
756.CLP-1 · 3.4절 · 4번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 가 f(3)=2, f′(3)=4f(3)=2,\ f'(3)=4 이고 f′′(3)=−10f''(3)=-10 이라는 성질을 가집니다.

(a) x=3x=3 을 중심으로 하는 f(x)f(x) 의 선형 근사를 이용하여 f(2.98)f(2.98) 을 어림하세요. (b) x=3x=3 을 중심으로 하는 f(x)f(x) 의 이차 근사를 이용하여 f(2.98)f(2.98) 을 어림하세요.

영어 원문 보기

The function f(x)f(x) has the property that f(3)=2, f′(3)=4f(3)=2,\ f'(3)=4 and f′′(3)=−10f''(3)=-10.

(a) Use the linear approximation to f(x)f(x) centred at x=3x=3 to approximate f(2.98)f(2.98). (b) Use the quadratic approximation to f(x)f(x) centred at x=3x=3 to approximate f(2.98)f(2.98).

답 쓰고 채점
(a)
(b)
정답·풀이 보기

(a) xx 가 3 근처일 때, f(x)≈f(3)+f′(3)(x−3)=2+4(x−3)f(x)\approx f(3)+f'(3)(x-3)=2+4(x-3) 이다. 특히 f(2.98)≈2+4(2.98−3)=2−0.08=1.92f(2.98)\approx 2+4(2.98-3)=2-0.08=1.92 이다. (b) xx 가 3 근처일 때,

f(x)≈f(3)+f′(3)(x−3)+12f′′(3)(x−3)2=2+4(x−3)−1210(x−3)2특히f(2.98)≈2+4(2.98−3)−5(2.98−3)2=2−0.08−0.002=1.918\begin{aligned} f(x)&\approx f(3)+f'(3)(x-3)+\frac{1}{2} f''(3)(x-3)^2\\ &=2+4(x-3)-\frac{1}{2} 10(x-3)^2 \\ \text{특히} \\ f(2.98)&\approx 2+4(2.98-3)-5(2.98-3)^2\\ &=2-0.08-0.002={1.918} \end{aligned}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For xx near 3, f(x)≈f(3)+f′(3)(x−3)=2+4(x−3)f(x)\approx f(3)+f'(3)(x-3)=2+4(x-3) In particular f(2.98)≈2+4(2.98−3)=2−0.08=1.92f(2.98)\approx 2+4(2.98-3)=2-0.08=1.92 (b) For xx near 3,

f(x)≈f(3)+f′(3)(x−3)+12f′′(3)(x−3)2=2+4(x−3)−1210(x−3)2In particularf(2.98)≈2+4(2.98−3)−5(2.98−3)2=2−0.08−0.002=1.918\begin{aligned} f(x)&\approx f(3)+f'(3)(x-3)+\frac{1}{2} f''(3)(x-3)^2\\ &=2+4(x-3)-\frac{1}{2} 10(x-3)^2 \\ \text{In particular} \\ f(2.98)&\approx 2+4(2.98-3)-5(2.98-3)^2\\ &=2-0.08-0.002={1.918} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 9번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
757.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
758.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 2\sqrt{2} 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Estimate 2\sqrt{2} using a linear approximation.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=xf(x)=\sqrt{x} 와 점 a=1a=1 을 근사의 중심으로 사용한다. 다음과 같이 쉽게 계산할 수 있기 때문이다.

f(a)=f(1)=1=1.\begin{aligned} f(a)&=f(1)=\sqrt{1}=1. \end{aligned}

f′(x)=12xf'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt{x}} 이므로

f′(1)=121=12.\begin{aligned} f'(1)&=\frac{1}{2\sqrt{1}}=\frac{1}{2}. \end{aligned}

따라서 2=f(2)\sqrt{2}=f(2) 의 선형 근사는

2≈T1(2)=f(1)+f′(1)⋅(2−1)=1+12=32.\begin{aligned} \sqrt{2}&\approx T_1(2)= f(1) + f'(1)\cdot (2-1)\\ &=1+\frac{1}{2}=\frac{3}{2}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the function f(x)=xf(x)=\sqrt{x} and point a=1a=1 as the centre of our approximation, since we can easily calculate

f(a)=f(1)=1=1.\begin{aligned} f(a)&=f(1)=\sqrt{1}=1. \end{aligned}

We compute f′(x)=12xf'(x)=\dfrac{1}{2\sqrt{x}}, so

f′(1)=121=12.\begin{aligned} f'(1)&=\frac{1}{2\sqrt{1}}=\frac{1}{2}. \end{aligned}

So, a linear approximation of 2=f(2)\sqrt{2}=f(2) is

2≈T1(2)=f(1)+f′(1)⋅(2−1)=1+12=32.\begin{aligned} \sqrt{2}&\approx T_1(2)= f(1) + f'(1)\cdot (2-1)\\ &=1+\frac{1}{2}=\frac{3}{2}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 5번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
759.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 263\sqrt[3]{26} 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Estimate 263\sqrt[3]{26} using a linear approximation.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=x1/3f(x)=x^{1/3} 과 점 a=27a=27 을 근사의 중심으로 사용한다. 다음과 같이 쉽게 계산할 수 있기 때문이다.

f(27)=3\begin{aligned} f(27)&=3 \end{aligned}

f′(x)=13x−2/3f'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3} 이므로

f′(27)=13⋅(27)−2/3=127\begin{aligned} f'(27)&= \frac{1}{3} \cdot (27)^{-2/3} = \frac{1}{27} \end{aligned}

따라서 261/3=f(26)26^{1/3} = f(26) 의 선형 근사는

261/3≈T1(26)=f(27)+f′(27)⋅(26−27)=3−127=8027\begin{aligned} 26^{1/3}&\approx T_1\left(26\right) = f(27) + f'(27)\cdot (26-27) \\ &= 3 - \frac{1}{27} = \frac{80}{27} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the function f(x)=x1/3f(x)=x^{1/3} and point a=27a=27 as the centre of our approximation since we can easily compute

f(27)=3\begin{aligned} f(27)&=3 \end{aligned}

We compute f′(x)=13x−2/3f'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3}, so

f′(27)=13⋅(27)−2/3=127\begin{aligned} f'(27)&= \frac{1}{3} \cdot (27)^{-2/3} = \frac{1}{27} \end{aligned}

So, the linear approximation of 261/3=f(26)26^{1/3} = f(26) is

261/3≈T1(26)=f(27)+f′(27)⋅(26−27)=3−127=8027\begin{aligned} 26^{1/3}&\approx T_1\left(26\right) = f(27) + f'(27)\cdot (26-27) \\ &= 3 - \frac{1}{27} = \frac{80}{27} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 18번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
760.CLP-1 · 3.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 (10.1)5(10.1)^5 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Estimate (10.1)5(10.1)^5 using a linear approximation.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=x5f(x)=x^5 과 점 a=10a=10 을 근사의 중심으로 사용한다. f(a)=f(10)=105f(a)=f(10)=10^5 임을 알기 때문이다.

f′(x)=5x4f'(x) = 5x^4 이므로 f′(10)=50,000f'(10) = 50,000 이다.

따라서 10.1510.1^5 의 선형 근사는

T1(10.1)=f(10)+f′(10)⋅(10.1−10)=100,000+50,000⋅0.1=105,000 .\begin{aligned} T_1(10.1)&= f(10) + f'(10)\cdot (10.1-10) \\ &= 100,000 + 50,000 \cdot 0.1 = 105,000\,. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the function f(x)=x5f(x)=x^5 and point a=10a=10 as the centre of our approximation since we know that f(a)=f(10)=105f(a)=f(10)=10^5.

Since f′(x)=5x4f'(x) = 5x^4 we have f′(10)=50,000f'(10) = 50,000.

So, a linear approximation of 10.1510.1^5 is

T1(10.1)=f(10)+f′(10)⋅(10.1−10)=100,000+50,000⋅0.1=105,000 .\begin{aligned} T_1(10.1)&= f(10) + f'(10)\cdot (10.1-10) \\ &= 100,000 + 50,000 \cdot 0.1 = 105,000\,. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 21번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류