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테일러 다항식과 오차

테일러 다항식으로 함수를 근사하고 나머지항으로 오차를 어림한다

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

9문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 x=3x=3 에서의 이차근사는 다음과 같다. f(x)≈−x2+6xf(x) \approx -x^2+6x f(3)f(3), f′(3)f'(3), f′′(3)f''(3), f′′′(3)f'''(3) 의 값을 각각 구하세요.

영어 원문 보기

The quadratic approximation of a function f(x)f(x) about x=3x=3 is f(x)≈−x2+6xf(x) \approx -x^2+6x What are the values of f(3)f(3), f′(3)f'(3), f′′(3)f''(3), and f′′′(3)f'''(3)?

정답·풀이 보기

Q(x)Q(x) 가 33 에서 ff 의 이차근사이면 Q(3)=f(3)Q(3)=f(3), Q′(3)=f′(3)Q'(3)=f'(3), Q′′(3)=f′′(3)Q''(3)=f''(3) 이다. 그러나 f(x)f(x) 와 Q(x)Q(x) 의 3계 도함수가 같다는 보장은 없으므로, f′′′(3)f'''(3) 을 알기에는 정보가 충분하지 않다.

f(3)=−32+6(3)=9f′(3)=ddx{−x2+6x}∣x=3=−2x+6∣x=3=0f′′(3)=d2dx2{−x2+6x}∣x=3=ddx{−2x+6}∣x=3=−2\begin{aligned} f(3)&=-3^2+6(3)=9\\ f'(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}=\left.-2x+6\right|_{x=3}=0\\ f''(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}= \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-2x+6\right\}\right|_{x=3}=-2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If Q(x)Q(x) is the quadratic approximation of ff about 33, then Q(3)=f(3)Q(3)=f(3), Q′(3)=f′(3)Q'(3)=f'(3), and Q′′(3)=f′′(3)Q''(3)=f''(3). There is no guarantee that f(x)f(x) and Q(x)Q(x) share the same third derivative, though, so we do not have enough information to know f′′′(3)f'''(3).

f(3)=−32+6(3)=9f′(3)=ddx{−x2+6x}∣x=3=−2x+6∣x=3=0f′′(3)=d2dx2{−x2+6x}∣x=3=ddx{−2x+6}∣x=3=−2\begin{aligned} f(3)&=-3^2+6(3)=9\\ f'(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}=\left.-2x+6\right|_{x=3}=0\\ f''(3)&=\left.\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}{x}^2}\left\{-x^2+6x\right\}\right|_{x=3}= \left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{-2x+6\right\}\right|_{x=3}=-2 \end{aligned}

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

f(x)=2x+5f(x)=2x+5 의 x=ax=a 에서의 이차근사를 구하세요.

영어 원문 보기

Give a quadratic approximation of f(x)=2x+5f(x)=2x+5 about x=ax=a.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 x=ax=a 에서의 이차근사는 다음과 같다.

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2f(a)=2a+5, f′(a)=2, f′′(a)=0 을 대입하면:f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5\begin{aligned} f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{$f(a)=2a+5$, $f'(a)=2$, $f''(a)=0$ 을 대입하면:} \\ f(x) &\approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5 \end{aligned}

따라서 구하는 근사는 f(x)≈2x+5f(x) \approx 2x+5 이다.

참고: 이 근사는 xx 의 모든 값에 대해 정확하다. 이차함수, 일차함수, 상수함수의 이차근사는 항상 이렇게 된다.

원본 교재 풀이(영어)

The quadratic approximation of f(x)f(x) about x=ax=a is

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2We subsitute f(a)=2a+5, f′(a)=2, and f′′(a)=0:f(x)≈(2a+5)+2(x−a)=2x+5\begin{aligned} f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{We subsitute $f(a)=2a+5$, $f'(a)=2$, and $f''(a)=0$:} \\ f(x) &\approx (2a+5)+2(x-a)=2x+5 \end{aligned}

So, our approximation is f(x)≈2x+5f(x) \approx 2x+5.

Remark: Our approximation is exact for every value of xx. This will always happen with a quadratic approximation of a function that is quadratic, linear, or constant.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
3.CLP-1 · 3.4절 · 1번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 x=1x=1 에서의 3차 테일러 다항식이 T3(x)=x3−5x2+9xT_3(x)=x^3-5x^2+9x 일 때, f′′(1)f''(1) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

The 3rd order Taylor polynomial for a function f(x)f(x) about x=1x=1 is T3(x)=x3−5x2+9xT_3(x)=x^3-5x^2+9x What is f′′(1)f''(1)?

정답·풀이 보기

T3(x)T_3(x) 는 f(x)f(x) 의 x=1x=1 에서의 3차 테일러 다항식이므로

  • T3(1)=f(1)T_3(1)=f(1)
  • T3′(1)=f′(1)T_3'(1)=f'(1)
  • T3′′(1)=f′′(1)T_3''(1)=f''(1)
  • T3′′′(1)=f′′′(1)T_3'''(1)=f'''(1)

특히 f′′(1)=T3′′(1)f''(1)=T_3''(1) 이다.

T3′(x)=3x2−10x+9T3′′(x)=6x−10T3′′(1)=6−10=−4\begin{aligned} T_3'(x)&=3x^2-10x+9\\ T_3''(x)&=6x-10\\ T_3''(1)&=6-10=-4 \end{aligned}

따라서 f′′(1)=−4f''(1)=-4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since T3(x)T_3(x) is the third order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=1:

  • T3(1)=f(1)T_3(1)=f(1)
  • T3′(1)=f′(1)T_3'(1)=f'(1)
  • T3′′(1)=f′′(1)T_3''(1)=f''(1)
  • T3′′′(1)=f′′′(1)T_3'''(1)=f'''(1)

In particular, f′′(1)=T3′′(1)f''(1)=T_3''(1).

T3′(x)=3x2−10x+9T3′′(x)=6x−10T3′′(1)=6−10=−4\begin{aligned} T_3'(x)&=3x^2-10x+9\\ T_3''(x)&=6x-10\\ T_3''(1)&=6-10=-4 \end{aligned}

So, f′′(1)=−4f''(1)=-4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 1번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
4.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
5.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
6.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
7.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
8.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
9.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