따라서 미분계수의 규칙은 21, 21, −21, −21, 21, 21, −21, −21, … 이다. 이것을 시그마 기호로 나타내기는 조금 까다롭다. 짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 나누면 같은 값이 두 번씩 나오는 부분을 처리할 수 있다. (x−4π) 의 짝수 거듭제곱을 포함하는 T2n 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.
여기서 ℓth 번째 항은
(2ℓ+1)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ+1 이다.
이것이 정말 ℓth 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다.
2n 보다 작은 가장 큰 홀수 정수는 2n−1 이고, k=2n−1=2ℓ+1 일 때
ℓ=n−1 이므로
So, the pattern of derivatives is 21, 21, −21, −21, 21, 21, −21, −21, 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 T2n that contain even powers of (x−4π) are
and the ℓth term here is
(2ℓ)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ. To verify that this really is the ℓth term, evaluate this for ℓ=0,1,2 explicitly. When k=2n, ℓ=n so that
and the ℓth term here is
(2ℓ+1)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ+1.
To verify that this really is the ℓth term, evaluate this for ℓ=0,1,2 explicitly.
The largest odd integer that is smaller than 2n is 2n−1 and when k=2n−1=2ℓ+1,
ℓ=n−1 so that
f(x)=7x2−3x+4 라 하자.
x 의 측정값이 x0=2 이지만
x 의 실제 값은 x0+Δx 라 하자. 또한
측정 오차가 Δx=1 이라 하자.
x0 에서 x 가 Δx 만큼 변할 때 f(x) 의 변화량을 Δy 라 하자. 즉,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0) 이다.
다음이 참인지 거짓인지 판단하세요: Δy=f′(2)(1)=25
영어 원문 보기
Let f(x)=7x2−3x+4.
Suppose we measure x to be x0=2
but that the real value of x is x0+Δx. Suppose further that
the error in our measurement is Δx=1.
Let Δy be the change in f(x) corresponding to a change of Δx in x0. That is,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0).
True or false: Δy=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
를 얻는다. 그러나 Δy 의 정의에 따르면
Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=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
However, from our definition of Δy,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=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.
f(x)=3x2−5 라 하자. x 를 10 으로 측정했지만 실제 값이 11 일 때, 선형 근사를 이용하여 f(x) 에 생기는 오차를 어림하고, 이어서 이차 근사를 이용하여 어림하세요.
영어 원문 보기
Suppose f(x)=3x2−5. If you measure x to be 10, but its actual value is 11, estimate the resulting error in f(x) using the linear approximation, and then the quadratic approximation.
정답·풀이 보기
f′(x)=6x 이므로 x=10 일 때 f′(10)=60 이다. Δy=f(11)−f(10), Δx=11−10 이라 하면 선형 근사로부터
Δy≈60Δx=60
을 얻는다. 따라서 선형 근사는 f(x) 의 오차를 약 60 으로 어림한다.
f′′(x)=6 이므로 이차 근사(f′(10)=60, f′′(10)=6, Δx=1 을 이용)로부터
Δy≈f′(10)Δx+21f′′(1)(Δx)2=60⋅1+21(6)(1)2=63
을 얻는다. 따라서 이차 근사는 f(x) 의 오차를 약 63 으로 어림한다. (실제로 f(11)−f(10) 의 정확한 값은 63 이다. 이차 근사로 어림한 오차가 실제 오차와 정확히 같은 것은 우연이 아니다. 이는 f(x) 가 이차
함수라는 사실에서 비롯된 결과이다.)
원본 교재 풀이(영어)
Since f′(x)=6x, when x=10, f′(10)=60. If Δy=f(11)−f(10), and Δx=11−10, then the linear approximation tells us
Δy≈60Δx=60
So, the linear approximates estimates the error in f(x) to be about 60.
Since f′′(x)=6, the quadratic approximation
(using f′(10)=60, f′′(10)=6, and Δx=1) tells us
Δy≈f′(10)Δx+21f′′(1)(Δx)2=60⋅1+21(6)(1)2=63
So, the quadratic approximates estimates the error in f(x) to be about 63. (Indeed, the exact value of 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) is a quadratic
function.)
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.
어떤 시료가 처음에 방사성 동위 원소 정확히 1 μg 으로 시작하고, 3년 후에 0.9 μg 이 남아 있는 것으로 측정되었다. 이 측정값이 0.05 μg 이내로 정확하다면, 이 측정값을 이용해 계산한 반감기의 정확도가 이에 따라 어느 정도인지 어림하세요.
영어 원문 보기
A sample begins with precisely 1 μg of a radioactive isotope, and after 3 years is measured to have 0.9 μg remaining. If this measurement is correct to within 0.05 μg, estimate the corresponding accuracy of the half-life calculated using it.
정답·풀이 보기
q 를 3년 후 남아 있는 동위 원소의 측정량이라 하자. h(q) 를 q 를 이용해 계산한 동위 원소의 반감기라 하자.
측정값은 q=0.9 이었으나, q 가 0.05만큼 변할 때 h 가 얼마나 변하는지 알고 싶다. 그래서 Δq=±0.05 라 하고, Δh 를 이에 대응하는 h 의 변화량이라 하자.
선형 근사에 의해 다음을 얻는다.
Δh따라서,∣Δh∣≈h′(0.9)Δq≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05
이것은 문제를 푸는 계획을 시사한다. 측정값 q 를 바탕으로 계산한 동위 원소의 반감기를 나타내는 식 h(q) 를 구한다. 그런 다음 h′(0.9) 를 구한다. 마지막으로, 식 ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05 가 측정값의 0.05 변화에 대응하는 h 의 변화량을 알려 준다.
3년 후 qμg 이 남아 있을 때 동위 원소의 반감기를 구해 보자. t 년 후 존재하는 동위 원소의 양은 다음과 같다.
Q(t)어떤상수k에대해. 정확히 1 μg 이있던때를t=0 이라하자. 그러면Q(t)3년후남아있는동위원소의양이q이므로qq31Q(t)반감기는Q(t)=21Q(0)=21이되는t의값이다.21log(21)−log2t=Q(0)e−kt=e−kt=e−k⋅3=e−k=(e−k)t=q3t=Q(t)=q3t=log(q3t)=3tlogq=logq−3log2
따라서 계산된 반감기는 logq−3log2 이다. 이로써 첫 번째 목표, 즉 계산된 원소의 반감기를 나타내는 함수 h(q) 를 얻는다.
측정값이 ±0.05μg 만큼 변하면, 계산된 반감기는 약 ±10.4년 변하는 것으로 어림된다. 측정값이 0.05μg 이내로 정확하므로, 계산된 반감기는 약 10.4년 이내로 정확하다고 어림할 수 있다.
참고: h(0.9)=log0.9−3log2≈19.7 이므로, 10.4년의 절대 오차는 백분율 오차 10019.710.4≈53% 에 해당한다. 문제에서는 절대 오차인지 백분율 오차인지 정하지 않았다. 둘 다 의미가 있으므로 어느 쪽을 써도 된다.
원본 교재 풀이(영어)
Let q be the measured amount of the isotope remaining after 3 years. Let h(q) be the half-life of the isotope that we calculate using q.
We measured q=0.9, but we want to know what the change in h is if q moves by 0.05. So, let Δq=±0.05, and let Δh be the corresponding change in h.
The linear approximation tells us
ΔhSo,∣Δh∣≈h′(0.9)Δq≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05
This suggests a plan for solving the problem. We will find the equation h(q) giving the calculated half-life of the isotope based on the measurement q. Then, we will find h′(0.9). Finally, the equation ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05 will tell us the change in h that corresponds with a change of 0.05 in our measurement.
Let us find the half-life of the isotope, if after three years qμg is remaining. The amount of the isotope present after t years is given by
Q(t)for some constant k. Let’s take t=0 to be the time when precisely one μg was present. ThenQ(t)After three years, q is the amount of the isotope remaining, soqq31Q(t)The half-life is the value of t for which Q(t)=21Q(0)=21.21log(21)−log2t=Q(0)e−kt=e−kt=e−k⋅3=e−k=(e−k)t=q3t=Q(t)=q3t=log(q3t)=3tlogq=logq−3log2
So, we calculate the half-life to be logq−3log2. This gives us our first goal: a function h(q) that tells us the calculated half-life of the element.
h(q)Following our plan, we find h′(0.9).h′(q)h′(0.9)Finally, as outlined in our plan, ∣Δh∣=logq−3log2=dqd{logq−3log2}=−3log2⋅dqd{(logq)−1}=−3log2⋅(−1)(logq)−2⋅q1=qlog2q3log2=0.9log2(0.9)3log2≈208=h′(0.9)⋅0.05=18log2(0.9)3log2≈10.4
If our measurement changes by ±0.05μg, then we estimate our calculated half-life changes by about ±10.4 years. Since our measurement is accurate to within 0.05μg, that means we estimate
our calculated half-life to be accurate to within about 10.4 years.
Remark: since h(0.9)=log0.9−3log2≈19.7, an absolute error of 10.4 years corresponds to a percentage error of 10019.710.4≈53%. The question did not specify absolute or percentage error. Since both make sense, you can use either one.
참고: R(x) 는 근사에서 생기는 오차이다. 본문에서 언급했듯이 R 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 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
So, (a) is false (since 8 is not less than or equal to 7), while (b), (c), and (d) are true.
Remark: R(x) is the error in our approximation. As mentioned in the text, we almost never know R 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, 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.
f(x)=5x3−24x2+ex−π4 이라 하고, T5(x) 를 x=1 에서 f(x) 의 5차 테일러 다항식이라 하자. 오차 ∣f(37)−T(37)∣ 에 대해 구할 수 있는 가장 좋은 한계를 구하세요.
영어 원문 보기
Let f(x)=5x3−24x2+ex−π4, and let T5(x) be the fifth order Taylor polynomial for f(x) about x=1. Give the best bound you can on the error ∣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.
당신과 친구는 둘 다 sin(33) 의 값을 어림하려고 합니다. 친구는 f(x)=sinx 의 1차 매클로린 다항식을 사용하고, 당신은 f(x)=sinx 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). Your friend uses the first order Maclaurin polynomial for f(x)=sinx, while you use the zeroth order (constant) Maclaurin polynomial for f(x)=sinx. Who has a better approximation, you or your friend?
f(x)=log(x) 라 하고, Tn(x) 를 x=1 에서 f(x) 의 n 차 테일러 다항식이라 하자. Tn(1.1) 을 사용하여 log(1.1) 을 어림한다.
어림값의 오차가 10−4 이하가 되어야 한다면, 사용할 수 있는 n 의 값은 무엇입니까?
영어 원문 보기
Let f(x)=log(x), and let Tn(x) be the nth order Taylor polynomial for f(x) about
x=1. You use Tn(1.1) to estimate log(1.1).
If your estimation needs to have an error of no more than 10−4, what is an acceptable value of n to use?
정답·풀이 보기
오차는 어떤 상수 c 에 대해 (n+1)!f(n+1)(c)(x−1)n+1 의 꼴이므로, 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.
따라서 이 문제의 목표는 (n+1)10n+11≤10−4 이 되게 하는 n 의 값을 찾는 것이다. n=3 은 분명히 그러한 수이다. 그러므로 3 이상인 모든 n 은 사용할 수 있는 값이다.
원본 교재 풀이(영어)
Our error will have the form (n+1)!f(n+1)(c)(x−1)n+1 for some constant c, so let's find an equation for 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)f′(x)f′′(x)f′′′(x)f(4)(x)f(5)(x)So, when n≥1,f(n)(x)=logx=x−1=−x−2=2!x−3=−3!x−4=4!x−5=(−1)n−1(n−1)!⋅x−n
Now that we know the derivative of f(x), we have a better idea what the error in our approximation looks like.
∣f(1.1)−Tn(1.1)∣for some c in (1,1.1)What we’ve shown so far is ∣f(1.1)−Tn(1.1)∣If we can show that (n+1)10n+11≤10−4, then we’ll be able to conclude∣f(1.1)−Tn(1.1)∣=(n+1)!f(n+1)(c)(1.1−1)n+1=f(n+1)(c)(n+1)!0.1n+1=cn+1n!10n+1(n+1)!1=∣c∣n+1⋅10n+1⋅(n+1)1<(n+1)10n+1⋅1n+11=(n+1)10n+11<(n+1)10n+11<(n+1)10n+11≤10−4
That is, our error is less than 10−4.
So, our goal for the problem is to find a value of n that makes (n+1)10n+11≤10−4. Certainly, n=3 is such a number. Therefore, any n greater than or equal to 3 is an acceptable value.
We will approximate f(x)=x71 using a Taylor polynomial. Since 37=2187, we will use x=2187 as our centre.
We need to figure out which order Taylor polynomial will result in a small enough error.
If we use the nth Taylor polynomial, our error will be
∣f(2200)−Tn(2200)∣for some c in (2187,2200). In order for this to be less than 0.001, we needf(n+1)(c)⋅(n+1)!13n+1f(n+1)(c)=(n+1)!f(n+1)(c)(2200−2187)n+1=f(n+1)(c)⋅(n+1)!13n+1<0.001<1000⋅13n+1(n+1)!
It's a tricky thing to figure out which n makes this true. Let's make a table. We won't show all the work of filling it in, but the work is standard.
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≥1.)
Now that we know we can take the first order Taylor polynomial, let's compute T1(x). Recall we are taking the Taylor polynomial for f(x)=x71 about x=2187.
The third order Taylor polynomial of h(x) about x=2 is 3+21(x−2)+2(x−2)3.
What is h′(2)?
What is h′′(2)?
정답·풀이 보기
x=2 에서 h(x) 의 3차 테일러 다항식은
h(2)+h′(2)(x−2)+2h′′(2)⋅(x−2)2+6h′′′(2)⋅(x−2)3
이다.
(x−2) 의 계수는 정의에서는 h′(2) 이고, 주어진 함수에서는
21 이므로 h′(2)=21 이다.
(x−2)2 의 계수는 정의에서는 21h′′(2) 이고, 주어진 함수에서는
0 이므로 h′(2)=0 이다.
원본 교재 풀이(영어)
The third order Taylor polynomial for h(x) about x=2 is
h(2)+h′(2)(x−2)+2h′′(2)⋅(x−2)2+6h′′′(2)⋅(x−2)3
The coefficient of (x−2) is h′(2) in the definition, and
21 in the given function, so h′(2)=21.
The coefficient of (x−2)2 is 21h′′(2) in the definition, and
0 in the given function, so h′(2)=0.
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.