문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

급수 심화 전체 문제

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8문제 · 1 / 1쪽

1.OpenStax 2권 · 5.5절 · 63번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 0≤x<10\le x<1 에 대해 급수 ∑n=1100cos⁡(2πnx)n2\sum_{n=1}^{100}\frac{\cos (2\pi nx)}{{n}^{2}} 의 그래프를 그리고 그 그래프를 설명하세요.

영어 원문 보기

[T] Plot the series ∑n=1100cos⁡(2πnx)n2\sum_{n=1}^{100}\frac{\cos (2\pi nx)}{{n}^{2}} for 0≤x<10\le x<1 and describe its graph.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 5.5절 · 2번
# 교대급수그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
2.OpenStax 2권 · 6.4절 · 20번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} 의 그래프는 반지름이 11 인 위쪽 반원임을 떠올리세요. 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} 의 88 차까지의 이항 근사를 x=−1x=-1 에서 x=1x=1 까지 적분하여 π2\frac{\pi }{2} 를 어림하세요.

영어 원문 보기

[T] Recall that the graph of 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} is an upper semicircle of radius 1.1. Integrate the binomial approximation of 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} up to order 88 from x=−1x=-1 to x=1x=1 to estimate π2.\frac{\pi }{2}.

정답·풀이 보기

1−x2=1−x22−x48−x616−5x8128+⋯\sqrt{1-{x}^{2}}=1-\frac{{x}^{2}}{2}-\frac{{x}^{4}}{8}-\frac{{x}^{6}}{16}-\frac{5{x}^{8}}{128}+\cdots . 따라서

∫−111−x2dx=x−x36−x540−x77⋅16−5x99⋅128+⋯∣−11≈2−13−120−156−109⋅128+오차=1.590{\int }_{-1}^{1}\sqrt{1-{x}^{2}}dx=x-\frac{{x}^{3}}{6}-\frac{{x}^{5}}{40}-\frac{{x}^{7}}{7\cdot 16}-\frac{5{x}^{9}}{9\cdot 128}+\cdots {|}_{-1}^{1}\approx 2-\frac{1}{3}-\frac{1}{20}-\frac{1}{56}-\frac{10}{9\cdot 128}+\text{오차}=1.590 이고, 한편 π2=1.570\frac{\pi }{2}=1.570 이다.

원본 교재 풀이(영어)

1−x2=1−x22−x48−x616−5x8128+⋯ .\sqrt{1-{x}^{2}}=1-\frac{{x}^{2}}{2}-\frac{{x}^{4}}{8}-\frac{{x}^{6}}{16}-\frac{5{x}^{8}}{128}+\cdots . Thus

∫−111−x2dx=x−x36−x540−x77⋅16−5x99⋅128+⋯∣−11≈2−13−120−156−109⋅128+error=1.590...{\int }_{-1}^{1}\sqrt{1-{x}^{2}}dx=x-\frac{{x}^{3}}{6}-\frac{{x}^{5}}{40}-\frac{{x}^{7}}{7\cdot 16}-\frac{5{x}^{9}}{9\cdot 128}+\cdots {|}_{-1}^{1}\approx 2-\frac{1}{3}-\frac{1}{20}-\frac{1}{56}-\frac{10}{9\cdot 128}+\text{error}=1.590... whereas π2=1.570...\frac{\pi }{2}=1.570...

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.4절 · 72번
# 테일러 급수의 활용그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
3.OpenStax 2권 · 6.4절 · 75번대학 수준우리말 번역

[계산기 사용] 이항식 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} 에 대한 뉴턴의 근사를 이용하여 다음과 같이 π\pi 를 어림하세요. 중심이 (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right) 이고 반지름이 12\frac{1}{2} 인 원의 위쪽 반원은 y=x1−xy=\sqrt{x}\sqrt{1-x} 이다. 이 원에서 xx 축, x=0x=0 에서 x=12x=\frac{1}{2} 사이의 구간, 그리고 점 (14,34)\left(\frac{1}{4},\frac{\sqrt{3}}{4}\right) 을 지나는 직선으로 둘러싸인 부채꼴은 원의 16\frac{1}{6} 에 해당하며 넓이는 π24\frac{\pi }{24} 이다. 이 부채꼴은 높이가 34\frac{\sqrt{3}}{4} 이고 밑변이 14\frac{1}{4} 인 직각삼각형과, x=0x=0 에서 x=14x=\frac{1}{4} 사이에서 그래프 아래에 놓인 영역을 합친 것이다. 이 영역의 넓이를 구하려면 y=x1−x=x × (이항 전개 1−x)y=\sqrt{x}\sqrt{1-x}=\sqrt{x}\,\times \,\left(\text{이항 전개 }\sqrt{1-x}\right) 로 쓰고 항별로 적분하면 된다. 이 방법을 앞선 문제의 이항식 근사와 함께 사용하여 π\pi 를 어림하세요.

영어 원문 보기

[T] Use Newton’s approximation of the binomial 1−x2\sqrt{1-{x}^{2}} to approximate π\pi as follows. The circle centered at (12,0)\left(\frac{1}{2},0\right) with radius 12\frac{1}{2} has upper semicircle y=x1−x.y=\sqrt{x}\sqrt{1-x}. The sector of this circle bounded by the xx-axis between x=0x=0 and x=12x=\frac{1}{2} and by the line joining (14,34)\left(\frac{1}{4},\frac{\sqrt{3}}{4}\right) corresponds to 16\frac{1}{6} of the circle and has area π24.\frac{\pi }{24}. This sector is the union of a right triangle with height 34\frac{\sqrt{3}}{4} and base 14\frac{1}{4} and the region below the graph between x=0x=0 and x=14.x=\frac{1}{4}. To find the area of this region you can write y=x1−x=x × (binomial expansion of1−x)y=\sqrt{x}\sqrt{1-x}=\sqrt{x}\,\times \,\left(\text{binomial expansion of}\sqrt{1-x}\right) and integrate term by term. Use this approach with the binomial approximation from the previous exercise to estimate π.\pi .

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한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6.4절 · 18번
# 테일러 급수의 활용그래프·표 해석자동 분류
OpenStax Calculus Volume 2 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
4.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
5.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
6.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
7.CLP-2 · 3.6절 · 1번대학 수준우리말 번역

아래는 y=f(x)y=f(x) 의 그래프와, a=2a=2 에서의 상수 근사, 선형 근사, 이차 근사를 함께 나타낸 것입니다. 각각 어느 것인지 구하세요.

그림

영어 원문 보기

Below is a graph of y=f(x)y=f(x), along with the constant approximation, linear approximation, and quadratic approximation centred at a=2a=2. Which is which?

figure

정답·풀이 보기

함수 AA, BB, CC 는 모두 x=2x=2 일 때 함수 y=f(x)y=f(x) 와 만난다. BB 는 상수함수이므로 상수 근사이다. AA 는 접선이므로 AA 는 선형 근사이다. CC 는 접하는 포물선이므로 CC 는 이차 근사이다.

원본 교재 풀이(영어)

All functions AA, BB, and CC intersect the function y=f(x)y=f(x) when x=2x=2. BB is a constant function, so this is the constant approximation. AA is the tangent line, so AA is the linear approximation. CC is a tangent parabola, so CC is the quadratic approximation.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 39번
# 테일러·매클로린 급수그래프·표 해석기본자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
8.CLP-2 · 3.6절 · 52번대학 수준우리말 번역

다음 함수를 생각하세요: f(x)={e−1/x2x≠00x=0f(x)=\begin{cases} e^{-1/x^2} & x \neq 0\\ 0 & x=0 \end{cases}

(a) y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 그리세요. (b) 모든 0 이상의 정수 nn 에 대해 f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 이라고 (증명 없이) 가정합니다. f(x)f(x) 의 매클로린 급수를 구하세요. (c) f(x)f(x) 의 매클로린 급수는 어디에서 수렴하는지 구하세요. (d) xx 의 어떤 값에 대해 f(x)f(x) 가 그 매클로린 급수와 같은지 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the following function: f(x)={e−1/x2x≠00x=0f(x)=\begin{cases} e^{-1/x^2} & x \neq 0\\ 0 & x=0 \end{cases}

(a) Sketch y=f(x)y=f(x). (b) Assume (without proof) that f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 for all whole numbers nn. Find the Maclaurin series for f(x)f(x). (c) Where does the Maclaurin series for f(x)f(x) converge? (d) For which values of xx is f(x)f(x) equal to its Maclaurin series?

정답·풀이 보기

(a) y=f(x)y=f(x) 의 그래프를 그리기 위해 다음을 살펴본다.

  • f(x)f(x) 는 결코 음수가 아니다.
  • lim⁡x→±∞f(x)=e0=1\lim\limits_{x \to \pm \infty} f(x)=e^0=1 이므로, 이 곡선은 양쪽 방향으로 y=1y=1 을 수평 점근선으로 갖는다.
  • lim⁡x→±0f(x)=lim⁡x→±01e1/x2=lim⁡u→+∞1eu=0=f(0)\lim\limits_{x \to \pm 0} f(x)=\lim\limits_{x \to \pm 0} \frac{1}{e^{1/x^2}}=\lim\limits_{u \to +\infty}\frac{1}{e^u}=0=f(0) 이므로, 이 곡선은 x=0x=0 에서 연속이다.
  • x≠0x\neq 0 일 때 f′(x)=2x3e−1/x2f'(x)=\frac{2}{x^3}e^{-1/x^2} 이므로, 이 곡선은 (−∞,0)(-\infty,0) 에서 감소하고 (0,∞)(0,\infty) 에서 증가한다.
  • x≠0x\neq 0 일 때 f′′(x)=2x−6(2−3x2)e−1/x2f''(x)=2x^{-6}(2-3x^2)e^{-1/x^2} 이므로, 이 곡선은 (−2/3,2/3)(-\sqrt{2/3},\sqrt{2/3}) 에서 아래로 볼록이고 그 밖에서는 위로 볼록이다.

그림 (b) 모든 0 이상의 정수 nn 에 대해 f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 이고 (즉, 그래프가 원점에서 매우 평평하고), f(0)=0f(0)=0 이므로, f(x)f(x) 의 매클로린 급수는 ∑n=0∞0n!xn=0\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{0}{n!}x^n=0 이다. (c) 매클로린 급수는 모든 실수 xx 에서 (상수 0 으로) 수렴한다. (d) 임의의 실수 yy 에 대해 ey>0e^y>0 이므로, f(x)=0f(x)=0 인 것은 x=0x=0 일 때뿐이다. 따라서 f(x)f(x) 는 오직 한 점 x=0x=0 에서만 그 매클로린 급수와 같다.

참고: 함수 f(x)f(x) 는 매클로린 급수가 수렴하지만 f(x)f(x) 로 수렴하지는 않는 함수의 예이다! 이러한 성질을 설명하기 위해 f(x)f(x) 를 *해석적이지 않다(비해석적)*고 말한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) To sketch y=f(x)y=f(x), we note the following:

  • f(x)f(x) is never negative.
  • lim⁡x→±∞f(x)=e0=1\lim\limits_{x \to \pm \infty} f(x)=e^0=1, so the curve has horizontal asymptotes in both directions at y=1y=1.
  • lim⁡x→±0f(x)=lim⁡x→±01e1/x2=lim⁡u→+∞1eu=0=f(0)\lim\limits_{x \to \pm 0} f(x)=\lim\limits_{x \to \pm 0} \frac{1}{e^{1/x^2}}=\lim\limits_{u \to +\infty}\frac{1}{e^u}=0=f(0), so the curve is continuous at x=0x=0.
  • For x≠0x\neq 0, f′(x)=2x3e−1/x2f'(x)=\frac{2}{x^3}e^{-1/x^2}, so our curve is decreasing on (−∞,0)(-\infty,0) and increasing on (0,∞)(0,\infty)
  • For x≠0x\neq 0, f′′(x)=2x−6(2−3x2)e−1/x2f''(x)=2x^{-6}(2-3x^2)e^{-1/x^2}, so our curve is concave up on (−2/3,2/3)(-\sqrt{2/3},\sqrt{2/3}), and concave down elsewhere.

figure (b) Since f(n)(0)=0f^{(n)}(0)=0 for all whole nn (that is, the graph is really quite flat at the origin), and since f(0)=0f(0)=0, the Maclaurin series for f(x)f(x) is ∑n=0∞0n!xn=0\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{0}{n!}x^n=0. (c) The Maclaurin series converges for all real values of xx (to the constant 0). (d) Since ey>0e^y>0 for any real yy, we see f(x)=0f(x)=0 only when x=0x=0. So, f(x)f(x) is only equal to its Maclaurin series at the single point x=0x=0.

Remark: the function f(x)f(x) is an example of a function whose Maclaurin series converges, but not to f(x)f(x)! To describe this behaviour, we say f(x)f(x) is non-analytic.

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