If y=∑n=0∞anxn, find the power series expansions of xy′ and x2y′′.
정답·풀이 보기
항별 미분 정리에 의해 y′=∑n=1∞nanxn−1 이므로 y′=∑n=1∞nanxn−1xy′=∑n=1∞nanxn 이고, 한편 y′=∑n=2∞n(n−1)anxn−2 이므로 xy′′=∑n=2∞n(n−1)anxn 이다.
원본 교재 풀이(영어)
By the term-by-term differentiation theorem, y′=∑n=1∞nanxn−1 so y′=∑n=1∞nanxn−1xy′=∑n=1∞nanxn, whereas y′=∑n=2∞n(n−1)anxn−2 so xy′′=∑n=2∞n(n−1)anxn.
[계산기 사용]y=∑k=0∞akxk 이 y′=−2xy 와 y(0)=0 을 만족한다고 하자. 모든 k 에 대해 a2k+1=0 이고 a2k+2=k+1−a2k 임을 보이세요. y 의 부분합 S20 을 구간 [−4,4] 에서 그래프로 그리세요.
영어 원문 보기
[T] Suppose that y=∑k=0∞akxk satisfies y′=−2xy and y(0)=0. Show that a2k+1=0 for all k and that a2k+2=k+1−a2k. Plot the partial sum S20 of y on the interval [−4,4].
[계산기 사용] 표준화 시험 점수가 평균 μ=100, 표준편차 σ=10 인 정규분포를 따른다고 하자. 시험 점수가 90 과 110 사이일 확률을 나타내는 적분을 세우고, 2π1e−x2/2 의 10 차 매클로린 다항식의 적분을 이용하여 이 확률을 어림하세요.
영어 원문 보기
[T] Suppose that a set of standardized test scores is normally distributed with mean μ=100 and standard deviation σ=10. Set up an integral that represents the probability that a test score will be between 90 and 110 and use the integral of the degree 10 Maclaurin polynomial of 2π1e−x2/2 to estimate this probability.
정답·풀이 보기
확률은 p=2π1∫(a−μ)/σ(b−μ)/σe−x2/2dx 이고, 여기서 a=90, b=100 이다. 즉 p=2π1∫−11e−x2/2dx=2π1∫−11∑n=05(−1)n2nn!x2ndx=2π2∑n=05(−1)n(2n+1)2nn!1≈0.6827.
원본 교재 풀이(영어)
The probability is p=2π1∫(a−μ)/σ(b−μ)/σe−x2/2dx where a=90 and b=100, that is, p=2π1∫−11e−x2/2dx=2π1∫−11∑n=05(−1)n2nn!x2ndx=2π2∑n=05(−1)n(2n+1)2nn!1≈0.6827.
[계산기 사용] 표준화 시험 점수가 평균 μ=100, 표준편차 σ=10 인 정규분포를 따른다고 하자. 시험 점수가 70 과 130 사이일 확률을 나타내는 적분을 세우고, 2π1e−x2/2 의 50 차 매클로린 다항식의 적분을 이용하여 이 확률을 어림하세요.
영어 원문 보기
[T] Suppose that a set of standardized test scores is normally distributed with mean μ=100 and standard deviation σ=10. Set up an integral that represents the probability that a test score will be between 70 and 130 and use the integral of the degree 50 Maclaurin polynomial of 2π1e−x2/2 to estimate this probability.
[계산기 사용]∑n=0∞anxn 이 f(0)=1,f′(0)=0 이고 f′′(x)=−f(x) 인 함수 f(x) 로 수렴한다고 하자. an 에 대한 공식을 구하고, 부분합 SN 에서 N=20 일 때의 그래프를 [−5,5] 에서 그리세요.
영어 원문 보기
[T] Suppose that ∑n=0∞anxn converges to a function f(x) such that f(0)=1,f′(0)=0, and f′′(x)=−f(x). Find a formula for an and plot the partial sum SN for N=20 on [−5,5].
정답·풀이 보기
앞의 문제와 같이 하면 n 이 홀수일 때 an=0 이고 n 이 짝수일 때 an=−(n+2)(n+1)an+2 이다. 따라서 a0=1 로부터 a2n=(2n)!(−1)n 이다.
원본 교재 풀이(영어)
As in the previous problem one obtains an=0 if n is odd and an=−(n+2)(n+1)an+2 if n is even, so a0=1 leads to a2n=(2n)!(−1)n.
[계산기 사용]∑n=0∞anxn 이 f(0)=0,f′(0)=1 이고 f′′(x)=−f(x) 인 함수 f(x) 로 수렴한다고 하자. an 에 대한 공식을 구하고, 부분합 SN 에서 N=10 일 때의 그래프를 [−5,5] 에서 그리세요.
영어 원문 보기
[T] Suppose that ∑n=0∞anxn converges to a function f(x) such that f(0)=0,f′(0)=1, and f′′(x)=−f(x). Find a formula for an and plot the partial sum SN for N=10 on [−5,5].
∑n=0∞anxn 이 y(0)=1 이고 y′(0)=0 일 때 y′′−y′+y=0 을 만족시키는 함수 y 로 수렴한다고 하자. an+2,an+1, 그리고 an 사이의 관계를 나타내는 식을 구하고, a0,...,a5 의 값을 계산하세요.
영어 원문 보기
Suppose that ∑n=0∞anxn converges to a function y such that y′′−y′+y=0 where y(0)=1 and y′(0)=0. Find a formula that relates an+2,an+1, and an and compute a0,...,a5.
정답·풀이 보기
y′′=∑n=0∞(n+2)(n+1)an+2xn 이고 y′=∑n=0∞(n+1)an+1xn 이므로 y′′−y′+y=0 에서 (n+2)(n+1)an+2−(n+1)an+1+an=0 또는 an=nan−1−n(n−1)an−2 이 모든 n⋅y(0)=a0=1 에 대해 성립하고 y′(0)=a1=0 이므로 a2=21,a3=61,a4=0, 그리고 a5=−1201 이다.
원본 교재 풀이(영어)
y′′=∑n=0∞(n+2)(n+1)an+2xn and y′=∑n=0∞(n+1)an+1xn so y′′−y′+y=0 implies that (n+2)(n+1)an+2−(n+1)an+1+an=0 or an=nan−1−n(n−1)an−2 for all n⋅y(0)=a0=1 and y′(0)=a1=0, so a2=21,a3=61,a4=0, and a5=−1201.
급수 ∑n=0∞anxn 이 함수 y 로 수렴하고, y 는 y′′−y′+y=0 을 만족시키며 y(0)=0 이고 y′(0)=1 이라고 하자. an+2,an+1, 그리고 an 사이의 관계를 나타내는 식을 구하고 a1,...,a5 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose that ∑n=0∞anxn converges to a function y such that y′′−y′+y=0 where y(0)=0 and y′(0)=1. Find a formula that relates an+2,an+1, and an and compute a1,...,a5.
[계산기 사용]∫0πtsintdt;Ps=1−3!x2+5!x4−7!x6+9!x8 (tsint 의 9계 도함수의 절댓값은 0.1.) 으로 유계라고 가정해도 됩니다.
영어 원문 보기
[T]∫0πtsintdt;Ps=1−3!x2+5!x4−7!x6+9!x8 (You may assume that the absolute value of the ninth derivative of tsint is bounded by 0.1.)
정답·풀이 보기
a. (증명) b. Rs≤(9)!0.1π9≈0.0082<0.01 이다. ∫0π(1−3!x2+5!x4−7!x6+9!x8)dx=π−3⋅3!π3+5⋅5!π5−7⋅7!π7+9⋅9!π9=1.852 인 반면 ∫0πtsintdt=1.85194 이므로 실제 오차는 약 0.00006 이다.
원본 교재 풀이(영어)
a. (Proof) b. We have Rs≤(9)!0.1π9≈0.0082<0.01. We have ∫0π(1−3!x2+5!x4−7!x6+9!x8)dx=π−3⋅3!π3+5⋅5!π5−7⋅7!π7+9⋅9!π9=1.852..., whereas ∫0πtsintdt=1.85194..., so the actual error is approximately 0.00006.
프레넬 적분은 C(x)=∫0xcos(t2)dt 와 S(x)=∫0xsin(t2)dt 로 정의됩니다. C(x) 와 S(x) 의 거듭제곱급수를 구하고, 0이 아닌 처음 N=50 개의 항의 합 CN(x) 와 SN(x) 를 [0,2π] 에서 그래프로 그리세요.
영어 원문 보기
The Fresnel integrals are defined by C(x)=∫0xcos(t2)dt and S(x)=∫0xsin(t2)dt. Compute the power series of C(x) and S(x) and plot the sums CN(x) and SN(x) of the first N=50 nonzero terms on [0,2π].
정답·풀이 보기
cos(t2)=∑n=0∞(−1)n(2n)!t4n 이고 sin(t2)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!t4n+2 이므로, S(x)=∑n=0∞(−1)n(4n+3)(2n+1)!x4n+3 이고 C(x)=∑n=0∞(−1)n(4n+1)(2n)!x4n+1 이다. 0이 아닌 처음 50 개의 항의 합을 아래에 그렸으며, C50(x) 는 실선, S50(x) 는 점선이다.
원본 교재 풀이(영어)
Since cos(t2)=∑n=0∞(−1)n(2n)!t4n and sin(t2)=∑n=0∞(−1)n(2n+1)!t4n+2, one has S(x)=∑n=0∞(−1)n(4n+3)(2n+1)!x4n+3 and C(x)=∑n=0∞(−1)n(4n+1)(2n)!x4n+1. The sums of the first 50 nonzero terms are plotted below with C50(x) the solid curve and S50(x) the dashed curve.
[계산기 사용] 프레넬 적분은 좌표가 (C(t),S(t)) 인 곡선의 곡률 성질 때문에 도로와 철도 설계를 비롯한 여러 응용 분야에서 쓰인다. 앞의 문제에서 좌표를 계산한 곡선 (C50,S50) 의 0≤t≤2π 에서의 그래프를 그리세요.
영어 원문 보기
[T] The Fresnel integrals are used in design applications for roadways and railways and other applications because of the curvature properties of the curve with coordinates (C(t),S(t)). Plot the curve (C50,S50) for 0≤t≤2π, the coordinates of which were computed in the previous exercise.
[계산기 사용] 이항식 1−x2 에 대한 뉴턴의 근사를 이용하여 다음과 같이 π 를 어림하세요. 중심이 (21,0) 이고 반지름이 21 인 원의 위쪽 반원은 y=x1−x 이다. 이 원에서 x 축, x=0 에서 x=21 사이의 구간, 그리고 점 (41,43) 을 지나는 직선으로 둘러싸인 부채꼴은 원의 61 에 해당하며 넓이는 24π 이다. 이 부채꼴은 높이가 43 이고 밑변이 41 인 직각삼각형과, x=0 에서 x=41 사이에서 그래프 아래에 놓인 영역을 합친 것이다. 이 영역의 넓이를 구하려면 y=x1−x=x×(이항전개1−x) 로 쓰고 항별로 적분하면 된다. 이 방법을 앞선 문제의 이항식 근사와 함께 사용하여 π 를 어림하세요.
영어 원문 보기
[T] Use Newton’s approximation of the binomial 1−x2 to approximate π as follows. The circle centered at (21,0) with radius 21 has upper semicircle y=x1−x. The sector of this circle bounded by the x-axis between x=0 and x=21 and by the line joining (41,43) corresponds to 61 of the circle and has area 24π. This sector is the union of a right triangle with height 43 and base 41 and the region below the graph between x=0 and x=41. To find the area of this region you can write y=x1−x=x×(binomial expansion of1−x) and integrate term by term. Use this approach with the binomial approximation from the previous exercise to estimate π.
근사식 T≈2πgL(1+4k2) 을 이용하여 길이가 10 미터이고 최대 각이 θmax=6π 인 진자의 주기를 어림하세요. 여기서 k=sin(2θmax) 입니다. 이 값을 작은 각 추정값 T≈2πgL 과 비교하세요.
영어 원문 보기
Use the approximation T≈2πgL(1+4k2) to approximate the period of a pendulum having length 10 meters and maximum angle θmax=6π where k=sin(2θmax). Compare this with the small angle estimate T≈2πgL.
정답·풀이 보기
T≈2π9.810(1+4sin2(θ/12))≈6.453 초이다. 작은 각 추정값은 T≈2π9.810≈6.347 이다. 상대오차는 약 2 퍼센트이다.
원본 교재 풀이(영어)
T≈2π9.810(1+4sin2(θ/12))≈6.453 seconds. The small angle estimate is T≈2π9.810≈6.347. The relative error is around 2 percent.
진자의 주기가 2 초이고 최대 각이 θmax=6π 라고 합시다. T≈2πgL(1+4k2) 을 이용하여 진자의 원하는 길이를 어림하세요. 작은 각 추정값 T≈2πgL 로 예측되는 길이는 얼마인지 구하세요.
영어 원문 보기
Suppose that a pendulum is to have a period of 2 seconds and a maximum angle of θmax=6π. Use T≈2πgL(1+4k2) to approximate the desired length of the pendulum. What length is predicted by the small angle estimate T≈2πgL?
[계산기 사용] 진폭이 θmax 인 진자의 주기에 대한 동등한 공식은 T(θmax)=22gL∫0θmaxcosθ−cos(θmax)dθ 이다. 여기서 L 은 진자의 길이이고 g 는 중력 가속도 상수이다. θmax=3π 일 때 cost−1/21≈2(1+2t2+3t4+720181t6) 를 얻는다. 이 근사식을 적분하여 T(3π) 를 L 과 g 로 나타내어 어림하세요. g=9.806 미터/초² 이라 가정하고, T(3π)=2 초가 되도록 하는 길이 L 의 근삿값을 구하세요.
영어 원문 보기
[T] An equivalent formula for the period of a pendulum with amplitude θmax is T(θmax)=22gL∫0θmaxcosθ−cos(θmax)dθ where L is the pendulum length and g is the gravitational acceleration constant. When θmax=3π we get cost−1/21≈2(1+2t2+3t4+720181t6). Integrate this approximation to estimate T(3π) in terms of L and g. Assuming g=9.806 meters per second squared, find an approximate length L such that T(3π)=2 seconds.