문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

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.

20문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

2차 근사를 이용하여 log⁡(0.93)\log(0.93) 의 값을 어림하세요.

(씨엘피-1에서는 log⁡x\log x 를 xx 의 자연로그, 즉 log⁡ex\log_e x 의 뜻으로 쓴다는 점을 기억하세요.)

영어 원문 보기

Use a quadratic approximation to estimate log⁡(0.93)\log(0.93).

(Remember that in CLP-1 we use log⁡x\log x to mean the natural logarithm of xx, log⁡ex\log_e x.)

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=log⁡xf(x)=\log x 를 x=1x=1 근처에서 근사한다. 1은 0.930.93 에 가깝고, x=1x=1 에서 f(x)f(x) 와 처음 두 도함수의 값을 구할 수 있으므로 1을 택한다.

f(1)=0f′(x)=1x⇒f′(1)=1f′′(x)=−1x2⇒f′′(1)=−1따라서,f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)+12f′′(1)(x−1)2=0+(x−1)−12(x−1)2x=0.93 일 때:f(0.93)≈(0.93−1)−12(0.93−1)2=−0.07−12(0.0049)=−0.07245\begin{aligned} f(1)&=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\qquad \Rightarrow \qquad f'(1)=1\\ f''(x)&=\frac{-1}{x^2} \qquad \Rightarrow \qquad f''(1)=-1 \\ \text{따라서,} \\ f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1)+\frac{1}{2}f''(1)(x-1)^2\\ &=0+(x-1)-\frac{1}{2}(x-1)^2 \\ \text{$x=0.93$ 일 때:} \\ f(0.93) &\approx (0.93-1)-\frac{1}{2}(0.93-1)^2=-0.07-\frac{1}{2}(0.0049)=-0.07245 \end{aligned}

따라서 log⁡(0.93)≈−0.07245\log(0.93) \approx -0.07245 로 어림한다.

참고: 계산기로 구하면 log⁡(0.93)≈−0.07257\log(0.93) \approx -0.07257 이다. 꽤 가깝다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=log⁡xf(x)=\log x about the point x=1x=1. We choose 1 because it is close to 0.930.93, and we can evaluate f(x)f(x) and its first two derivatives at x=1x=1.

f(1)=0f′(x)=1x⇒f′(1)=1f′′(x)=−1x2⇒f′′(1)=−1So,f(x)≈f(1)+f′(1)(x−1)+12f′′(1)(x−1)2=0+(x−1)−12(x−1)2When x=0.93:f(0.93)≈(0.93−1)−12(0.93−1)2=−0.07−12(0.0049)=−0.07245\begin{aligned} f(1)&=0\\ f'(x)&=\frac{1}{x}\qquad \Rightarrow \qquad f'(1)=1\\ f''(x)&=\frac{-1}{x^2} \qquad \Rightarrow \qquad f''(1)=-1 \\ \text{So,} \\ f(x) &\approx f(1)+f'(1)(x-1)+\frac{1}{2}f''(1)(x-1)^2\\ &=0+(x-1)-\frac{1}{2}(x-1)^2 \\ \text{When $x=0.93$:} \\ f(0.93) &\approx (0.93-1)-\frac{1}{2}(0.93-1)^2=-0.07-\frac{1}{2}(0.0049)=-0.07245 \end{aligned}

We estimate log⁡(0.93)≈−0.07245\log(0.93) \approx -0.07245.

Remark: a calculator approximates log⁡(0.93)≈−0.07257\log(0.93) \approx -0.07257. We're pretty close.

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

이차 근사를 이용하여 cos⁡(115)\cos\left(\dfrac{1}{15}\right) 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a quadratic approximation to estimate cos⁡(115)\cos\left(\dfrac{1}{15}\right).

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x 를 근사한다. x=0x=0 에서 cos⁡x\cos x 와 sin⁡x\sin x (sin⁡x\sin x 는 1계 도함수에 나타난다)의 값을 쉽게 구할 수 있고, 0 은 115\dfrac{1}{15} 에 꽤 가까우므로 x=0x=0 을 중심으로 근사한다.

f(0)=1f′(x)=−sin⁡xf′(0)=−sin⁡(0)=0f′′(x)=−cos⁡xf′′(0)=−cos⁡(0)=−1Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+12f′′(0)(x−0)2:f(x)≈1−12x2f(115)≈1−12⋅152=449450\begin{aligned} f(0)&=1\\ f'(x)&=-\sin x\\ f'(0)&=-\sin(0)=0\\ f''(x)&=-\cos x\\ f''(0)&=-\cos(0)=-1 \\ \text{Using the quadratic approximation $f(x) \approx f(0)+f'(0)(x-0)+\frac{1}{2}f''(0)(x-0)^2$:} \\ f(x)&\approx 1 -\frac{1}{2}x^2\\ f\left(\frac{1}{15}\right)&\approx 1-\frac{1}{2\cdot 15^2}=\frac{449}{450} \end{aligned}

cos⁡(115)≈449450\cos\left(\dfrac{1}{15}\right)\approx\dfrac{449}{450} 로 어림한다.

참고: 449450=0.9977‾\dfrac{449}{450}= 0.99\overline{77} 이고, 계산기로는 cos⁡(115)≈0.9977786\cos\left(\frac{1}{15}\right )\approx 0.9977786 이다. 이 근사의 오차는 약 0.0000010.000001 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We approximate the function f(x)=cos⁡xf(x)=\cos x. We can easily evaluate cos⁡x\cos x and sin⁡x\sin x (sin⁡x\sin x will appear in the first derivative) at x=0x=0, and 0 is quite close to 115\dfrac{1}{15}, so we centre our approximation about x=0x=0.

f(0)=1f′(x)=−sin⁡xf′(0)=−sin⁡(0)=0f′′(x)=−cos⁡xf′′(0)=−cos⁡(0)=−1Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+12f′′(0)(x−0)2:f(x)≈1−12x2f(115)≈1−12⋅152=449450\begin{aligned} f(0)&=1\\ f'(x)&=-\sin x\\ f'(0)&=-\sin(0)=0\\ f''(x)&=-\cos x\\ f''(0)&=-\cos(0)=-1 \\ \text{Using the quadratic approximation $f(x) \approx f(0)+f'(0)(x-0)+\frac{1}{2}f''(0)(x-0)^2$:} \\ f(x)&\approx 1 -\frac{1}{2}x^2\\ f\left(\frac{1}{15}\right)&\approx 1-\frac{1}{2\cdot 15^2}=\frac{449}{450} \end{aligned}

We approximate cos⁡(115)≈449450\cos\left(\dfrac{1}{15}\right)\approx\dfrac{449}{450} .

Remark: 449450=0.9977‾\dfrac{449}{450}= 0.99\overline{77}, while a calculator gives cos⁡(115)≈0.9977786\cos\left(\frac{1}{15}\right )\approx 0.9977786. Our approximation has an error of about 0.0000010.000001.

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

x=0x=0 에서 f(x)=e2xf(x)=e^{2x} 의 이차 근사를 구하세요.

영어 원문 보기

Calculate the quadratic approximation of f(x)=e2xf(x)=e^{2x} about x=0x=0.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

x=ax=a 에서 함수 f(x)f(x) 의 이차 근사는 다음과 같다.

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2We compute derivatives.f(0)=e0=1f′(x)=2e2xf′(0)=2e0=2f′′(x)=4e2xf′′(0)=4e0=4Substituting:f(x)≈1+2(x−0)+42(x−0)2f(x)≈1+2x+2x2\begin{aligned}f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{We compute derivatives.} \\ f(0)&=e^0=1\\ f'(x)&=2e^{2x}\\ f'(0)&=2e^0=2\\ f''(x)&=4e^{2x}\\ f''(0)&=4e^0=4 \\ \text{Substituting:} \\ f(x) &\approx 1+2(x-0)+\frac{4}{2}(x-0)^2 \\f(x) &\approx 1+2x+2x^2 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

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

f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2We compute derivatives.f(0)=e0=1f′(x)=2e2xf′(0)=2e0=2f′′(x)=4e2xf′′(0)=4e0=4Substituting:f(x)≈1+2(x−0)+42(x−0)2f(x)≈1+2x+2x2\begin{aligned}f(x) &\approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2 \\ \text{We compute derivatives.} \\ f(0)&=e^0=1\\ f'(x)&=2e^{2x}\\ f'(0)&=2e^0=2\\ f''(x)&=4e^{2x}\\ f''(0)&=4e^0=4 \\ \text{Substituting:} \\ f(x) &\approx 1+2(x-0)+\frac{4}{2}(x-0)^2 \\f(x) &\approx 1+2x+2x^2 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 10번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
4.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

이차 근사를 이용하여 5435^{\tfrac{4}{3}} 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a quadratic approximation to estimate 5435^{\tfrac{4}{3}}.

정답·풀이 보기

근사할 함수로 고를 수 있는 것이 몇 가지 있다. 예를 들면 다음과 같다.

  • f(x)=x4/3f(x)=x^{4/3}. 이 경우에는 x=8x=8 에서 f(x)f(x) 를 근사하는 것이 좋겠다(8은 세제곱수이므로 84/3=24=168^{4/3}=2^4=16 은 계산할 수 있는 값이다). 또는 x=1x=1 에서 근사해도 된다.
  • f(x)=5xf(x)=5^{x}. xx 가 0 이상의 정수일 때 f(x)f(x) 는 쉽게 구할 수 있으므로 어떤 0 이상의 정수 x=ax=a 를 중심으로 근사하고 싶겠지만, f′(a)=5alog⁡(5)f'(a)=5^a\log(5) 에서 문제가 생긴다. 계산기 없이는 log⁡(5)\log(5) 의 값을 알기 어렵다.
  • 54/3=5535^{4/3}=5\sqrt[3]{5} 이므로 f(x)=5x3f(x)=5\sqrt[3]{x} 를 쓸 수 있다. 첫 번째 항목과 마찬가지로 x=8x=8 또는 x=1x=1 을 중심으로 잡는다.

첫 번째와 세 번째 항목은 큰 차이가 없다. f(x)=5x3f(x)=5\sqrt[3]{x} 를 x=8x=8 중심으로 하여 풀겠다.

f(x)=5x13⇒f(8)=5⋅2=10f′(x)=53x−23⇒f′(8)=53(2−2)=512f′′(x)=53(−23)x−53=−109x−53⇒f′′(8)=−109(2−5)=−5144이차 근사 f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2 을 이용하면:f(x)≈10+512(x−8)−5288(x−8)2f(5)≈10+512(−3)−5288(9)=27532\begin{aligned} f(x)&=5x^{\frac{1}{3}}&&\Rightarrow& f(8)&=5\cdot 2 = 10\\ f'(x)&=\frac{5}{3}x^{-\frac{2}{3}}&&\Rightarrow& f'(8)&=\frac{5}{3}\left(2^{-2}\right)=\frac{5}{12}\\ f''(x)&=\frac{5}{3}\left(-\frac{2}{3}\right)x^{-\frac{5}{3}}=-\frac{10}{9}x^{-\frac{5}{3}}&&\Rightarrow& f''(8)&=-\frac{10}{9}\left(2^{-5}\right)=-\frac{5}{144} \\ \text{이차 근사 $f(x) \approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2$ 을 이용하면:} \\ f(x)&\approx 10+\frac{5}{12}(x-8)-\frac{5}{288}(x-8)^2\\ f(5)&\approx 10+\frac{5}{12}(-3)-\frac{5}{288}(9)=\frac{275}{32} \end{aligned}

따라서 54/3≈275325^{4/3}\approx\dfrac{275}{32} 로 어림한다.

참고: 27532=8.59375\dfrac{275}{32} = 8.59375 이고, 계산기로 구하면 54/3≈8.54995^{4/3}\approx 8.5499 이다. 5와 8이 다소 떨어져 있지만, 어림한 값은 실제 값과 약 0.040.04 만큼만 차이 난다.

원본 교재 풀이(영어)

There are a few functions we could choose to approximate. For example:

  • f(x)=x4/3f(x)=x^{4/3}. In this case, we would probably choose to approximate f(x)f(x) about x=8x=8 (since 8 is a cube, 84/3=24=168^{4/3}=2^4=16 is something we can evaluate) or x=1x=1.
  • f(x)=5xf(x)=5^{x}. We can easily figure out f(x)f(x) when xx is a whole number, so we would want to centre our approximation around some whole number x=ax=a, but then f′(a)=5alog⁡(5)f'(a)=5^a\log(5) gives us a problem: without a calculator, it's hard to know what log⁡(5)\log(5) is.
  • Since 54/3=5535^{4/3}=5\sqrt[3]{5}, we can use f(x)=5x3f(x)=5\sqrt[3]{x}. As in the first bullet, we would centre about x=8x=8, or x=1x=1.

There isn't much difference between the first and third bullets. We'll go with f(x)=5x3f(x)=5\sqrt[3]{x}, centred about x=8x=8.

f(x)=5x13⇒f(8)=5⋅2=10f′(x)=53x−23⇒f′(8)=53(2−2)=512f′′(x)=53(−23)x−53=−109x−53⇒f′′(8)=−109(2−5)=−5144Using the quadratic approximation f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+12f′′(a)(x−a)2:f(x)≈10+512(x−8)−5288(x−8)2f(5)≈10+512(−3)−5288(9)=27532\begin{aligned} f(x)&=5x^{\frac{1}{3}}&&\Rightarrow& f(8)&=5\cdot 2 = 10\\ f'(x)&=\frac{5}{3}x^{-\frac{2}{3}}&&\Rightarrow& f'(8)&=\frac{5}{3}\left(2^{-2}\right)=\frac{5}{12}\\ f''(x)&=\frac{5}{3}\left(-\frac{2}{3}\right)x^{-\frac{5}{3}}=-\frac{10}{9}x^{-\frac{5}{3}}&&\Rightarrow& f''(8)&=-\frac{10}{9}\left(2^{-5}\right)=-\frac{5}{144} \\ \text{Using the quadratic approximation $f(x) \approx f(a)+f'(a)(x-a)+\frac{1}{2}f''(a)(x-a)^2$:} \\ f(x)&\approx 10+\frac{5}{12}(x-8)-\frac{5}{288}(x-8)^2\\ f(5)&\approx 10+\frac{5}{12}(-3)-\frac{5}{288}(9)=\frac{275}{32} \end{aligned}

We estimate 54/3≈275325^{4/3}\approx\dfrac{275}{32}

Remark: 27532=8.59375\dfrac{275}{32} = 8.59375, and a calculator gives 54/3≈8.54995^{4/3}\approx 8.5499. Although 5 and 8 are somewhat far apart, our estimate is only off by about 0.040.04.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
5.CLP-1 · 3.4절 · 8번대학 수준우리말 번역

다음을 시그마 기호로 나타내세요.

(a) 1+2+3+4+51+2+3+4+5 (b) 2+4+6+82+4+6+8 (c) 3+5+7+9+113+5+7+9+11 (d) 9+16+25+36+499+16+25+36+49 (e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+89+4+16+5+25+6+36+7+49+8 (f) 8+15+24+35+488+15+24+35+48 (g) 3−6+9−12+15−183-6+9-12+15-18

영어 원문 보기

Write the following in sigma notation:

(a) 1+2+3+4+51+2+3+4+5 (b) 2+4+6+82+4+6+8 (c) 3+5+7+9+113+5+7+9+11 (d) 9+16+25+36+499+16+25+36+49 (e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+89+4+16+5+25+6+36+7+49+8 (f) 8+15+24+35+488+15+24+35+48 (g) 3−6+9−12+15−183-6+9-12+15-18

정답·풀이 보기

각각에 대해 답은 여러 가지가 있다. 그중 몇 가지를 아래에 제시한다.

(a) 1+2+3+4+5=∑n=15n1+2+3+4+5 = \displaystyle \sum_{n=1}^5n (b) 2+4+6+8=∑n=142n2+4+6+8=\displaystyle \sum_{n=1}^4 2n (c) 3+5+7+9+11=∑n=15(2n+1)3+5+7+9+11=\displaystyle \sum_{n=1}^{5}(2n+1) (d) 9+16+25+36+49=∑n=37n29+16+25+36+49=\displaystyle \sum_{n=3}^7 n^2 (e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=∑n=37(n2+n+1)9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=\displaystyle \sum_{n=3}^7 (n^2+n+1) (f) 8+15+24+35+48=∑n=37(n2−1)8+15+24+35+48= \displaystyle \sum_{n=3}^7 (n^2-1) (g) 3−6+9−12+15−18=∑n=16(−1)n+13n3-6+9-12+15-18=\displaystyle \sum_{n=1}^6 (-1)^{n+1}3n 참고: (−1)n+1(-1)^{n+1} 대신 (−1)n(-1)^n 을 쓰고 나머지는 모두 같게 하면, 부호가 모두 반대가 된다.

원본 교재 풀이(영어)

For each of these, there are many solutions. We provide some below.

(a) 1+2+3+4+5=∑n=15n1+2+3+4+5 = \displaystyle \sum_{n=1}^5n (b) 2+4+6+8=∑n=142n2+4+6+8=\displaystyle \sum_{n=1}^4 2n (c) 3+5+7+9+11=∑n=15(2n+1)3+5+7+9+11=\displaystyle \sum_{n=1}^{5}(2n+1) (d) 9+16+25+36+49=∑n=37n29+16+25+36+49=\displaystyle \sum_{n=3}^7 n^2 (e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=∑n=37(n2+n+1)9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=\displaystyle \sum_{n=3}^7 (n^2+n+1) (f) 8+15+24+35+48=∑n=37(n2−1)8+15+24+35+48= \displaystyle \sum_{n=3}^7 (n^2-1) (g) 3−6+9−12+15−18=∑n=16(−1)n+13n3-6+9-12+15-18=\displaystyle \sum_{n=1}^6 (-1)^{n+1}3n Remark: if we had written (−1)n(-1)^n instead of (−1)n+1(-1)^{n+1}, with everything else the same, the signs would have been reversed.

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

f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(x)=\sin x+ \cos x 의 16차 매클로린 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

Give the 16th order Maclaurin polynomial for f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(x)=\sin x+ \cos x.

정답·풀이 보기

일반적인 함수의 16차 매클로린 다항식을 구하려면 16번 미분해야 한다고 생각할 수도 있다(휴). 하지만 사인함수와 코사인함수의 도함수는 반복된다는 것을 알고 있다. 따라서 규칙만 찾으면 충분하다:

f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(0)=1f′(x)=cos⁡x−sin⁡xf′(0)=1f′′(x)=−sin⁡x−cos⁡xf′′(0)=−1f′′′(x)=−cos⁡x+sin⁡xf′′′(0)=−1f(4)=sin⁡x+cos⁡xf(4)(0)=1\begin{aligned} f(x)&=\sin x + \cos x & f(0)&=1\\ f'(x)&=\cos x - \sin x & f'(0)&=1\\ f''(x)&=-\sin x - \cos x & f''(0)&=-1\\ f'''(x)&=-\cos x +\sin x & f'''(0)&=-1\\ f^{(4)}&=\sin x + \cos x & f^{(4)}(0)&=1 \end{aligned}

f(4)(x)=f(x)f^{(4)}(x)=f(x) 이므로 도함수는 여기서부터 반복된다. 규칙은 다음과 같다: +1 +1, +1 +1, −1 -1, −1 -1.

T16(x)=1+x−12x2−13!x3+14!x4+15!x5−16!x6−17!x7+18!x8+19!x9−110!x10−111!x11+112!x12+113!x13−114!x14−115!x15+116!x16\begin{aligned} T_{16}(x)&=1 +x -\frac{1}{2}x^2 -\frac{1}{3!}x^3 +\frac{1}{4!}x^4 +\frac{1}{5!}x^5 -\frac{1}{6!}x^6 -\frac{1}{7!}x^7 +\frac{1}{8!}x^8 +\frac{1}{9!}x^9 -\frac{1}{10!}x^{10} -\frac{1}{11!}x^{11}\\ &\qquad +\frac{1}{12!}x^{12} +\frac{1}{13!}x^{13} -\frac{1}{14!}x^{14} -\frac{1}{15!}x^{15} +\frac{1}{16!}x^{16} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

If we were to find the 16th order Maclaurin polynomial for a generic function, we might expect to have to differentiate 16 times (ugh). But, we know that the derivatives of sines and cosines repeat themselves. So, it's enough to figure out the pattern:

f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(0)=1f′(x)=cos⁡x−sin⁡xf′(0)=1f′′(x)=−sin⁡x−cos⁡xf′′(0)=−1f′′′(x)=−cos⁡x+sin⁡xf′′′(0)=−1f(4)=sin⁡x+cos⁡xf(4)(0)=1\begin{aligned} f(x)&=\sin x + \cos x & f(0)&=1\\ f'(x)&=\cos x - \sin x & f'(0)&=1\\ f''(x)&=-\sin x - \cos x & f''(0)&=-1\\ f'''(x)&=-\cos x +\sin x & f'''(0)&=-1\\ f^{(4)}&=\sin x + \cos x & f^{(4)}(0)&=1 \end{aligned}

Since f(4)(x)=f(x)f^{(4)}(x)=f(x), our derivatives repeat from here. They follow the pattern: +1 +1, +1 +1, −1 -1, −1 -1.

T16(x)=1+x−12x2−13!x3+14!x4+15!x5−16!x6−17!x7+18!x8+19!x9−110!x10−111!x11+112!x12+113!x13−114!x14−115!x15+116!x16\begin{aligned} T_{16}(x)&=1 +x -\frac{1}{2}x^2 -\frac{1}{3!}x^3 +\frac{1}{4!}x^4 +\frac{1}{5!}x^5 -\frac{1}{6!}x^6 -\frac{1}{7!}x^7 +\frac{1}{8!}x^8 +\frac{1}{9!}x^9 -\frac{1}{10!}x^{10} -\frac{1}{11!}x^{11}\\ &\qquad +\frac{1}{12!}x^{12} +\frac{1}{13!}x^{13} -\frac{1}{14!}x^{14} -\frac{1}{15!}x^{15} +\frac{1}{16!}x^{16} \end{aligned}

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

t=5t=5 에서 s(t)=4.9t2−t+10s(t)=4.9t^2-t+10 의 100차 테일러 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

Give the 100th order Taylor polynomial for s(t)=4.9t2−t+10s(t)=4.9t^2-t+10 about t=5t=5.

정답·풀이 보기

테일러 다항식은 함수 s(t)s(t) 의 다항식 근사를 준다. s(t)s(t) 자체가 다항식이므로, nn 이 s(t)s(t) 의 차수보다 크거나 같을 때 nn차 테일러 다항식은 그대로 s(t)s(t) 가 된다. 따라서 이 경우 T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10T_{100}(t)=s(t)=4.9t^2-t+10 이다.

이것이 만족스럽지 않다면 T100(t)T_{100}(t) 를 구하는 일반적인 방법으로 계산해 볼 수 있다.

s(t)=4.9t2−t+10s(5)=4.9(25)−5+10=127.5s′(t)=9.8t−1s′(5)=9.8(5)−1=48s′′(t)=9.8s′′(5)=9.8\begin{aligned} s(t)&=4.9t^2-t+10 & s(5)&=4.9(25)-5+10=127.5\\ s'(t)&=9.8t-1 & s'(5)&=9.8(5)-1=48\\ s''(t)&=9.8 & s''(5)&=9.8 \end{aligned}

s(t)s(t) 의 나머지 도함수는 모두 항등적으로 0 이므로 특히 t=5t=5 일 때도 0 이다. 따라서

T100(t)=127.5+48(t−5)+129.8(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+\frac{1}{2}9.8(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2 \end{aligned}

이제 T100(t)T_{100}(t) 가 정말 s(t)s(t) 와 같은지 확인할 수 있다.

T100(t)=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t2−10t+25)=[127.5+48(−5)+4.9(25)]+[48−4.9(10)]t+4.9t2=10−t+4.9t2=s(t)\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t^2-10t+25)\\ &=[127.5+48(-5)+4.9(25)]+[48-4.9(10)]t+4.9t^2\\ &=10-t+4.9t^2=s(t) \end{aligned}

예상대로이다.

원본 교재 풀이(영어)

A Taylor polynomial gives a polynomial approximation for a function s(t)s(t). Since s(t)s(t) is itself a polynomial, any nnth order Taylor polynomial, with nn greater than or equal to the degree of s(t)s(t), will simply give s(t)s(t). So, in our case, T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10T_{100}(t)=s(t)=4.9t^2-t+10.

If that isn't satisfying, you can go through the normal method of calculating T100(t)T_{100}(t).

s(t)=4.9t2−t+10s(5)=4.9(25)−5+10=127.5s′(t)=9.8t−1s′(5)=9.8(5)−1=48s′′(t)=9.8s′′(5)=9.8\begin{aligned} s(t)&=4.9t^2-t+10 & s(5)&=4.9(25)-5+10=127.5\\ s'(t)&=9.8t-1 & s'(5)&=9.8(5)-1=48\\ s''(t)&=9.8 & s''(5)&=9.8 \end{aligned}

The rest of the derivatives of s(t)s(t) are identically zero, so they are (in particular) zero when t=5t=5. Therefore,

T100(t)=127.5+48(t−5)+129.8(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+\frac{1}{2}9.8(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2 \end{aligned}

We can now check that T100(t)T_{100}(t) really is the same as s(t)s(t).

T100(t)=127.5+48(t−5)+4.9(t−5)2=127.5+48(t−5)+4.9(t2−10t+25)=[127.5+48(−5)+4.9(25)]+[48−4.9(10)]t+4.9t2=10−t+4.9t2=s(t)\begin{aligned} T_{100}(t)&=127.5+48(t-5)+4.9(t-5)^2\\ &=127.5+48(t-5)+4.9(t^2-10t+25)\\ &=[127.5+48(-5)+4.9(25)]+[48-4.9(10)]t+4.9t^2\\ &=10-t+4.9t^2=s(t) \end{aligned}

as expected.

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

f(x)=2xf(x)=2^x 의 x=1x=1 에서의 nn차 테일러 다항식을 시그마 기호로 나타내세요.

영어 원문 보기

Write the nnth order Taylor polynomial for f(x)=2xf(x)=2^x about x=1x=1 in sigma notation.

정답·풀이 보기

먼저 f(x)f(x) 를 미분하면서 규칙을 찾아보자. log⁡2=log⁡e2\log 2 = \log_e 2 는 상수임을 기억하자.

f(x)=2xf′(x)=2xlog⁡2f′′(x)=2x(log⁡2)2f(3)(x)=2x(log⁡2)3f(4)(x)=2x(log⁡2)4f(5)(x)=2x(log⁡2)5따라서 일반적으로f(k)(x)=2x(log⁡2)k이 식은 k=0 과 k=1 일 때도 성립함을 알 수 있다. x=1 일 때f(k)(1)=2(log⁡2)kf(x) 의 x=1 에서의 n차 테일러 다항식은Tn(x)=∑k=0nf(k)(1)k!(x−1)k=∑k=0n2(log⁡2)kk!(x−1)k\begin{aligned} f(x)&=2^x\\ f'(x)&=2^x\log 2\\ f''(x)&=2^x\left(\log 2\right)^2\\ f^{(3)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^3\\ f^{(4)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^4\\ f^{(5)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^5 \\ \text{따라서 일반적으로} \\ f^{(k)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^k \\ \text{이 식은 $k=0$ 과 $k=1$ 일 때도 성립함을 알 수 있다. $x=1$ 일 때} \\ f^{(k)}(1)&=2\left(\log 2\right)^k \\ \text{$f(x)$ 의 $x=1$ 에서의 $n$차 테일러 다항식은} \\ T_{n}(x)&=\sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(1)}{k!}(x-1)^k\\ &=\sum_{k=0}^n \frac{2(\log 2)^k}{k!}(x-1)^k \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Let's start by differentiating f(x)f(x) and looking for a pattern. Remember that log⁡2=log⁡e2\log 2 = \log_e 2 is a constant number.

f(x)=2xf′(x)=2xlog⁡2f′′(x)=2x(log⁡2)2f(3)(x)=2x(log⁡2)3f(4)(x)=2x(log⁡2)4f(5)(x)=2x(log⁡2)5So, in general,f(k)(x)=2x(log⁡2)kWe notice that this formula works even when k=0 and k=1. When x=1,f(k)(1)=2(log⁡2)kThe nth order Taylor polynomial of f(x) about x=1 isTn(x)=∑k=0nf(k)(1)k!(x−1)k=∑k=0n2(log⁡2)kk!(x−1)k\begin{aligned} f(x)&=2^x\\ f'(x)&=2^x\log 2\\ f''(x)&=2^x\left(\log 2\right)^2\\ f^{(3)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^3\\ f^{(4)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^4\\ f^{(5)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^5 \\ \text{So, in general,} \\ f^{(k)}(x)&=2^x\left(\log 2\right)^k \\ \text{We notice that this formula works even when $k=0$ and $k=1$. When $x=1$,} \\ f^{(k)}(1)&=2\left(\log 2\right)^k \\ \text{The $n$th order Taylor polynomial of $f(x)$ about $x=1$ is} \\ T_{n}(x)&=\sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(1)}{k!}(x-1)^k\\ &=\sum_{k=0}^n \frac{2(\log 2)^k}{k!}(x-1)^k \end{aligned}

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

log⁡x\log x 는 xx 의 자연로그 log⁡ex\log_ex 임을 기억하고, f(x)=x2log⁡x+2x2+5f(x)=x^2\log x+2x^2+5 의 x=1x=1 에서의 6차 테일러 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the 6th order Taylor polynomial of f(x)=x2log⁡x+2x2+5f(x)=x^2\log x+2x^2+5 about x=1x=1, remembering that log⁡x\log x is the natural logarithm of xx, log⁡ex\log_ex.

정답·풀이 보기

x=1x=1 에서 f(x)f(x) 의 처음 여섯 개 도함수의 값, 즉 미분계수를 알아야 한다. 시작해 보자.

f(x)=x2log⁡x+2x2+5f(1)=7f′(x)=(x2)1x+(2x)log⁡x+4x=2xlog⁡x+5xf′(1)=5f′′(x)=(2x)1x+(2)log⁡x+5=2log⁡x+7f′′(1)=7f′′′(x)=2x−1f′′′(1)=2f(4)=−2x−2f(4)(1)=−2f(5)=4x−3f(5)(1)=4f(6)=−12x−4f(6)(1)=−12\begin{aligned} f(x)&=x^2\log x + 2x^2+5 & f(1)&=7\\ f'(x)&=(x^2)\frac{1}{x}+(2x)\log x + 4x \\ &=2x\log x + 5x& f'(1)&=5\\ f''(x)&=(2x)\frac{1}{x}+(2)\log x + 5\\ &=2\log x + 7& f''(1)&=7\\ f'''(x)&=2x^{-1}& f'''(1)&=2\\ f^{(4)}&=-2x^{-2}& f^{(4)}(1)&=-2\\ f^{(5)}&=4x^{-3}& f^{(5)}(1)&=4\\ f^{(6)}&=-12x^{-4}& f^{(6)}(1)&=-12 \end{aligned}

이제 대입하면 된다.

T6(x)=f(1)+f′(1)(x−1)+12f′′(1)(x−1)2+13!f′′′(1)(x−1)3+14!f(4)(1)(x−1)4+15!f(5)(1)(x−1)5+16!f(6)(1)(x−1)6=7+5(x−1)+12(7)(x−1)2+13!(2)(x−1)3+14!(−2)(x−1)4+15!(4)(x−1)5+16!(−12)(x−1)6=7+5(x−1)+72(x−1)2+13(x−1)3−112(x−1)4+130(x−1)5−160(x−1)6\begin{aligned} T_6(x)&= f(1)+ f'(1)(x-1)+\frac{1}{2} f''(1)(x-1)^2+\frac{1}{3!} f'''(1)(x-1)^3\\ &\quad +\frac{1}{4!} f^{(4)}(1)(x-1)^4 +\frac{1}{5!} f^{(5)}(1)(x-1)^5 +\frac{1}{6!} f^{(6)}(1)(x-1)^6\\ &= 7+ 5(x-1)+\frac{1}{2}( 7)(x-1)^2 +\frac{1}{3!}( 2)(x-1)^3\\ &\quad+\frac{1}{4!}( -2)(x-1)^4 +\frac{1}{5!}( 4)(x-1)^5 +\frac{1}{6!}( -12)(x-1)^6\\ &=7+5(x-1)+\frac{7}{2}(x-1)^2+\frac{1}{3}(x-1)^3-\frac{1}{12}(x-1)^4+\frac{1}{30}(x-1)^5-\frac{1}{60}(x-1)^6 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We need to know the first six derivatives of f(x)f(x) at x=1x=1. Let's get started.

f(x)=x2log⁡x+2x2+5f(1)=7f′(x)=(x2)1x+(2x)log⁡x+4x=2xlog⁡x+5xf′(1)=5f′′(x)=(2x)1x+(2)log⁡x+5=2log⁡x+7f′′(1)=7f′′′(x)=2x−1f′′′(1)=2f(4)=−2x−2f(4)(1)=−2f(5)=4x−3f(5)(1)=4f(6)=−12x−4f(6)(1)=−12\begin{aligned} f(x)&=x^2\log x + 2x^2+5 & f(1)&=7\\ f'(x)&=(x^2)\frac{1}{x}+(2x)\log x + 4x \\ &=2x\log x + 5x& f'(1)&=5\\ f''(x)&=(2x)\frac{1}{x}+(2)\log x + 5\\ &=2\log x + 7& f''(1)&=7\\ f'''(x)&=2x^{-1}& f'''(1)&=2\\ f^{(4)}&=-2x^{-2}& f^{(4)}(1)&=-2\\ f^{(5)}&=4x^{-3}& f^{(5)}(1)&=4\\ f^{(6)}&=-12x^{-4}& f^{(6)}(1)&=-12 \end{aligned}

Now, we can plug in.

T6(x)=f(1)+f′(1)(x−1)+12f′′(1)(x−1)2+13!f′′′(1)(x−1)3+14!f(4)(1)(x−1)4+15!f(5)(1)(x−1)5+16!f(6)(1)(x−1)6=7+5(x−1)+12(7)(x−1)2+13!(2)(x−1)3+14!(−2)(x−1)4+15!(4)(x−1)5+16!(−12)(x−1)6=7+5(x−1)+72(x−1)2+13(x−1)3−112(x−1)4+130(x−1)5−160(x−1)6\begin{aligned} T_6(x)&= f(1)+ f'(1)(x-1)+\frac{1}{2} f''(1)(x-1)^2+\frac{1}{3!} f'''(1)(x-1)^3\\ &\quad +\frac{1}{4!} f^{(4)}(1)(x-1)^4 +\frac{1}{5!} f^{(5)}(1)(x-1)^5 +\frac{1}{6!} f^{(6)}(1)(x-1)^6\\ &= 7+ 5(x-1)+\frac{1}{2}( 7)(x-1)^2 +\frac{1}{3!}( 2)(x-1)^3\\ &\quad+\frac{1}{4!}( -2)(x-1)^4 +\frac{1}{5!}( 4)(x-1)^5 +\frac{1}{6!}( -12)(x-1)^6\\ &=7+5(x-1)+\frac{7}{2}(x-1)^2+\frac{1}{3}(x-1)^3-\frac{1}{12}(x-1)^4+\frac{1}{30}(x-1)^5-\frac{1}{60}(x-1)^6 \end{aligned}

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

11−x\dfrac{1}{1-x} 의 nn차 매클로린 다항식을 시그마 기호로 나타내세요.

영어 원문 보기

Give the nnth order Maclaurin polynomial for 11−x\dfrac{1}{1-x} in sigma notation.

정답·풀이 보기

먼저 미분하면서 규칙을 찾아보자.

f(x)=11−x=(1−x)−1연쇄법칙을 이용하면,f′(x)=(−1)(1−x)−2(−1)=(1−x)−2f′′(x)=(−2)(1−x)−3(−1)=2(1−x)−3f(3)(x)=(−3)(2)(1−x)−4(−1)=2(3)(1−x)−4f(4)(x)=(−4)(2)(3)(1−x)−5(−1)=2(3)(4)(1−x)−5f(5)(x)=(−5)(2)(3)(4)(1−x)−6(−1)=2(3)(4)(5)(1−x)−6규칙을 알아내면,f(k)(x)=k!(1−x)−(k+1)f(k)(0)=k!(1)−(k+1)=k!f(x) 의 n차 매클로린 다항식은Tn(x)=∑k=0nf(k)(0)k!xk=∑k=0nk!k!xk=∑k=0nxk\begin{aligned} f(x)&=\frac{1}{1-x}=(1-x)^{-1} \\ \text{연쇄법칙을 이용하면,} \\ f'(x)&=(-1)(1-x)^{-2}(-1)=(1-x)^{-2}\\ f''(x)&=(-2)(1-x)^{-3}(-1)=2(1-x)^{-3}\\ f^{(3)}(x)&=(-3)(2)(1-x)^{-4}(-1)=2(3)(1-x)^{-4}\\ f^{(4)}(x)&=(-4)(2)(3)(1-x)^{-5}(-1)=2(3)(4)(1-x)^{-5}\\ f^{(5)}(x)&=(-5)(2)(3)(4)(1-x)^{-6}(-1)=2(3)(4)(5)(1-x)^{-6} \\ \text{규칙을 알아내면,} \\ f^{(k)}(x)&=k!(1-x)^{-(k+1)}\\ f^{(k)}(0)&=k!(1)^{-(k+1)}=k! \\ \text{$f(x)$ 의 $n$차 매클로린 다항식은} \\ T_n(x)&=\sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k\\ &=\sum_{k=0}^n \frac{k!}{k!}x^k\\ &=\sum_{k=0}^n x^k \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We'll start by differentiating and looking for a pattern.

f(x)=11−x=(1−x)−1Using the chain rule,f′(x)=(−1)(1−x)−2(−1)=(1−x)−2f′′(x)=(−2)(1−x)−3(−1)=2(1−x)−3f(3)(x)=(−3)(2)(1−x)−4(−1)=2(3)(1−x)−4f(4)(x)=(−4)(2)(3)(1−x)−5(−1)=2(3)(4)(1−x)−5f(5)(x)=(−5)(2)(3)(4)(1−x)−6(−1)=2(3)(4)(5)(1−x)−6Recognizing the pattern,f(k)(x)=k!(1−x)−(k+1)f(k)(0)=k!(1)−(k+1)=k!The nth order Maclaurin polynomial for f(x) isTn(x)=∑k=0nf(k)(0)k!xk=∑k=0nk!k!xk=∑k=0nxk\begin{aligned} f(x)&=\frac{1}{1-x}=(1-x)^{-1} \\ \text{Using the chain rule,} \\ f'(x)&=(-1)(1-x)^{-2}(-1)=(1-x)^{-2}\\ f''(x)&=(-2)(1-x)^{-3}(-1)=2(1-x)^{-3}\\ f^{(3)}(x)&=(-3)(2)(1-x)^{-4}(-1)=2(3)(1-x)^{-4}\\ f^{(4)}(x)&=(-4)(2)(3)(1-x)^{-5}(-1)=2(3)(4)(1-x)^{-5}\\ f^{(5)}(x)&=(-5)(2)(3)(4)(1-x)^{-6}(-1)=2(3)(4)(5)(1-x)^{-6} \\ \text{Recognizing the pattern,} \\ f^{(k)}(x)&=k!(1-x)^{-(k+1)}\\ f^{(k)}(0)&=k!(1)^{-(k+1)}=k! \\ \text{The $n$th order Maclaurin polynomial for $f(x)$ is} \\ T_n(x)&=\sum_{k=0}^n \frac{f^{(k)}(0)}{k!}x^k\\ &=\sum_{k=0}^n \frac{k!}{k!}x^k\\ &=\sum_{k=0}^n x^k \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
11.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
12.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
13.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
14.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
15.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
16.CLP-1 · 3.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 sin⁡(101π100)\sin\left(\dfrac{101\pi}{100}\right) 의 값을 어림하세요. (답은 π\pi 를 사용하여 나타내세요.)

영어 원문 보기

Estimate sin⁡(101π100)\sin\left(\dfrac{101\pi}{100}\right) using a linear approximation. (Leave your answer in terms of π\pi.)

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

함수 f(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x) 와 점 a=πa=\pi 를 근사의 중심으로 사용한다. 왜냐하면

sin⁡(a)=f(π)=sin⁡π=0.\begin{aligned} \sin(a)&=f(\pi)=\sin{\pi}=0. \end{aligned}

임을 알고 있고, π\pi 는 101π100\dfrac{101\pi}{100} 에 꽤 가깝기 때문이다.

f′(x)=cos⁡(x)f'(x)=\cos(x) 를 계산하면

f′(π)=cos⁡(π)=−1.So, the linear approximation of sin⁡(101π100) isf(101π100)≈T1(101π100)=f(π)+f′(π)⋅(101π100−π)=0+(−1)⋅π100=−π100.\begin{aligned} f'(\pi)&=\cos(\pi) = -1. \\ \text{So, the linear approximation of $\sin\left(\frac{101\pi}{100}\right) $ is} \\ f\left(\frac{101\pi}{100}\right)&\approx T_1\left(\frac{101\pi}{100}\right)\\ &= f(\pi) + f'(\pi)\cdot \left(\frac{101\pi}{100}-\pi\right) \\ &=0+(-1)\cdot\frac{\pi}{100}=-\frac{\pi}{100}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We use the function f(x)=sin⁡(x)f(x)=\sin(x) and point a=πa=\pi as the centre of our approximation since we know that

sin⁡(a)=f(π)=sin⁡π=0.\begin{aligned} \sin(a)&=f(\pi)=\sin{\pi}=0. \end{aligned}

and π\pi is reasonably close to 101π100\dfrac{101\pi}{100}.

We compute f′(x)=cos⁡(x)f'(x)=\cos(x), so

f′(π)=cos⁡(π)=−1.So, the linear approximation of sin⁡(101π100) isf(101π100)≈T1(101π100)=f(π)+f′(π)⋅(101π100−π)=0+(−1)⋅π100=−π100.\begin{aligned} f'(\pi)&=\cos(\pi) = -1. \\ \text{So, the linear approximation of $\sin\left(\frac{101\pi}{100}\right) $ is} \\ f\left(\frac{101\pi}{100}\right)&\approx T_1\left(\frac{101\pi}{100}\right)\\ &= f(\pi) + f'(\pi)\cdot \left(\frac{101\pi}{100}-\pi\right) \\ &=0+(-1)\cdot\frac{\pi}{100}=-\frac{\pi}{100}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 8번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
17.CLP-1 · 3.4절 · 10번대학 수준우리말 번역

arctan⁡1=π4\arctan 1 = \dfrac{\pi}{4} 임을 이용하여, 선형 근사로 arctan⁡(1.1)\arctan(1.1) 의 값을 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate arctan⁡(1.1)\arctan(1.1), using arctan⁡1=π4\arctan 1 = \dfrac{\pi}{4}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)=arctan⁡(x)f(x)=\arctan(x) 라 하자. 그러면 f′(x)=11+x2f'(x)=\dfrac{1}{1+x^2} 이므로 f′(1)=12f'(1)=\dfrac{1}{2} 이고 f(1.1)≈f(1)+f′(1)(1.1−1)=π4+120f(1.1)\approx f(1)+f'(1)(1.1-1)=\frac{\pi}{4}+\frac{1}{20}

원본 교재 풀이(영어)

Set f(x)=arctan⁡(x)f(x)=\arctan(x). Then f′(x)=11+x2f'(x)=\dfrac{1}{1+x^2}, so f′(1)=12f'(1)=\dfrac{1}{2} and f(1.1)≈f(1)+f′(1)(1.1−1)=π4+120f(1.1)\approx f(1)+f'(1)(1.1-1)=\frac{\pi}{4}+\frac{1}{20}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 11번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
18.CLP-1 · 3.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

선형 근사를 이용하여 (2.001)3(2.001)^3 의 값을 어림하세요. 답을 n/1000n/1000 꼴로 나타내세요. 단, nn 은 정수입니다.

영어 원문 보기

Use a linear approximation to estimate (2.001)3(2.001)^3. Write your answer in the form n/1000n/1000 where nn is an integer.

정답·풀이 보기

f(x)=(2+x)3f(x)=(2+x)^3 이라 하면 f(0.001)f(0.001) 을 어림하는 것이다.

aa 로 가장 자연스러운 선택은 a=0a=0 이다.

그러면 f′(x)=3(2+x)2f'(x)=3(2+x)^2 이므로 (2.001)3=f(0.001)≈f(0)+f′(0)(0.001−0)=8+121000=80121000(2.001)^3=f(0.001)\approx f(0)+f'(0)(0.001-0) =8+\frac{12}{1000}=\frac{8012}{1000}

참고: f(x)=x3f(x)=x^3 과 a=2a=2 를 선택했더라도 결과는 완전히 같다.

원본 교재 풀이(영어)

Set f(x)=(2+x)3f(x)=(2+x)^3, so we are approximating f(0.001)f(0.001).

The obvious choice of aa is a=0a=0.

Then f′(x)=3(2+x)2f'(x)=3(2+x)^2, so (2.001)3=f(0.001)≈f(0)+f′(0)(0.001−0)=8+121000=80121000(2.001)^3=f(0.001)\approx f(0)+f'(0)(0.001-0) =8+\frac{12}{1000}=\frac{8012}{1000}

Remark: if we had chosen f(x)=x3f(x)=x^3 and a=2a=2, the result would have been exactly the same.

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

적절한 선형 근사를 이용하여 (8.06)2/3(8.06)^{2/3} 의 값을 어림하세요. 답은 분자와 분모가 모두 정수인 분수로 나타내세요.

영어 원문 보기

Using a suitable linear approximation, estimate (8.06)2/3(8.06)^{2/3}. Give your answer as a fraction in which both the numerator and denominator are integers.

정답·풀이 보기

f(x)=(8+x)2/3f(x)=(8+x)^{2/3} 이라 하고, 중심을 a=0a=0 으로 택한다.

그러면 f′(x)=23(8+x)−1/3f'(x)=\dfrac{2}{3}(8+x)^{-1/3} 이므로

(8.06)2/3=f(0.06)≈f(0)+f′(0)⋅0.06=82/3+238−1/3⋅0.06=832+2383⋅0.06=22+23⋅2⋅0.06=4+13⋅0.06=4.02=402100\begin{aligned} (8.06)^{2/3}=f(0.06)&\approx f(0)+f'(0)\cdot 0.06\\ &=8^{2/3}+\frac{2}{3}8^{-1/3}\cdot 0.06\\ &=\sqrt[3]{8}^2+\frac{2}{3\sqrt[3]{8}}\cdot 0.06\\ &=2^2+\frac{2}{3\cdot 2}\cdot 0.06\\ &=4+\frac{1}{3}\cdot 0.06\\&=4.02=\frac{402}{100}\end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We set f(x)=(8+x)2/3f(x)=(8+x)^{2/3}, and choose a=0a=0 as our centre.

Then f′(x)=23(8+x)−1/3f'(x)=\dfrac{2}{3}(8+x)^{-1/3}, so that

(8.06)2/3=f(0.06)≈f(0)+f′(0)⋅0.06=82/3+238−1/3⋅0.06=832+2383⋅0.06=22+23⋅2⋅0.06=4+13⋅0.06=4.02=402100\begin{aligned} (8.06)^{2/3}=f(0.06)&\approx f(0)+f'(0)\cdot 0.06\\ &=8^{2/3}+\frac{2}{3}8^{-1/3}\cdot 0.06\\ &=\sqrt[3]{8}^2+\frac{2}{3\sqrt[3]{8}}\cdot 0.06\\ &=2^2+\frac{2}{3\cdot 2}\cdot 0.06\\ &=4+\frac{1}{3}\cdot 0.06\\&=4.02=\frac{402}{100}\end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 13번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
20.CLP-1 · 3.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

x=0x = 0 에서 f(x)=(1−3x)−1/3f(x)=(1 - 3x)^{-1/3} 의 3차 테일러 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the third–order Taylor polynomial for f(x)=(1−3x)−1/3f(x)=(1 - 3x)^{-1/3} around x=0x = 0.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 x=0x=0 에서 ff 의 미분계수를 구한다.

f(x)=(1−3x)−1/3f(0)=1f′(x)=(−3)−13(1−3x)−4/3=(1−3x)−4/3f′(0)=1f′′(x)=(−3)−43(1−3x)−7/3=4(1−3x)−7/3f′′(0)=4f(3)(x)=(−3)(4)−73(1−3x)−10/3=28(1−3x)−10/3f(3)(0)=28\begin{aligned} f(x)&=(1 - 3x)^{-1/3} & f(0) & = 1 \\ f'(x)&=(-3)\frac{-1}{3}(1 - 3x)^{-4/3}=(1-3x)^{-4/3} & f'(0) & = 1 \\ f''(x)&=(-3)\frac{-4}{3}(1-3x)^{-7/3}={4}(1 - 3x)^{-7/3} & f''(0) & = 4 \\ f^{(3)}(x)&=(-3)(4)\frac{-7}{3}(1-3x)^{-10/3}=28(1 - 3x)^{-10/3} & f^{(3)}(0) & = 28 \\ \end{aligned}

이 값들을 테일러 다항식의 정의에 대입하면, x=0x = 0 에서 ff 의 3차 테일러 다항식은 다음과 같다.

T3(x)=1+x+42!x2+283!x3=1+x+2x2+143x3\begin{aligned} T_3(x)&=1+x+\frac{4}{2!}x^2+\frac{28}{3!}x^3\\ &=1 + x +2x^2+\frac{14}{3}x^3 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We begin by finding the derivatives of ff at x=0x=0.

f(x)=(1−3x)−1/3f(0)=1f′(x)=(−3)−13(1−3x)−4/3=(1−3x)−4/3f′(0)=1f′′(x)=(−3)−43(1−3x)−7/3=4(1−3x)−7/3f′′(0)=4f(3)(x)=(−3)(4)−73(1−3x)−10/3=28(1−3x)−10/3f(3)(0)=28\begin{aligned} f(x)&=(1 - 3x)^{-1/3} & f(0) & = 1 \\ f'(x)&=(-3)\frac{-1}{3}(1 - 3x)^{-4/3}=(1-3x)^{-4/3} & f'(0) & = 1 \\ f''(x)&=(-3)\frac{-4}{3}(1-3x)^{-7/3}={4}(1 - 3x)^{-7/3} & f''(0) & = 4 \\ f^{(3)}(x)&=(-3)(4)\frac{-7}{3}(1-3x)^{-10/3}=28(1 - 3x)^{-10/3} & f^{(3)}(0) & = 28 \\ \end{aligned}

Plugging these into the definition of a Taylor Polynomial, we find that the third–order Taylor polynomial for ff around x=0x = 0 is

T3(x)=1+x+42!x2+283!x3=1+x+2x2+143x3\begin{aligned} T_3(x)&=1+x+\frac{4}{2!}x^2+\frac{28}{3!}x^3\\ &=1 + x +2x^2+\frac{14}{3}x^3 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류