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.

83문제 · 3 / 5쪽

41.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
42.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
43.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
44.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
45.CLP-1 · 3.4절 · 9번대학 수준우리말 번역

f(x)=2arcsin⁡xf(x)=2\arcsin x 의 x=0x=0 에서의 이차 근사를 이용하여 f(1)f(1) 을 어림하세요. 어떤 수를 어림하고 있나요?

영어 원문 보기

Use a quadratic approximation of f(x)=2arcsin⁡xf(x)=2\arcsin x about x=0x=0 to approximate f(1)f(1). What number are you approximating?

정답·풀이 보기

먼저 f(x)f(x) 의 처음 두 도함수를 구해 보자.

f(x)=2arcsin⁡x⇒f(0)=2(0)=0f′(x)=21−x2⇒f′(0)=21=2f′′(x)=ddx{2(1−x2)−12}=2(−12)(1−x2)−32(−2x)(연쇄법칙)=2x(1−x2)3⇒f′′(0)=0이제 x=0 에서의 이차 근사를 구할 수 있다.f(x)≈f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2=2xf(1)≈2\begin{aligned} f(x)&=2\arcsin x&&\Rightarrow& f(0)&=2(0)=0\\ f'(x)&=\frac{2}{\sqrt{1-x^2}}&&\Rightarrow& f'(0)&=\frac{2}{1}=2\\ f''(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{2(1-x^2)^{-\tfrac{1}{2}}\right\}\\ &=2\left(-\tfrac{1}{2}\right)(1-x^2)^{-\tfrac{3}{2}}(-2x) \qquad\text{(연쇄법칙)}\\ &=\frac{2x}{\left(\sqrt{1-x^2}\right)^3}&&\Rightarrow& f''(0)&=0 \\ \text{이제 $x=0$ 에서의 이차 근사를 구할 수 있다.} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2\\ &=2x\\ f(1)& \approx 2 \end{aligned}

이차 근사로 2arcsin⁡(1)≈22\arcsin(1) \approx 2 를 얻는다. 그러나 2arcsin⁡(1)2\arcsin(1) 의 정확한 값은 2(π2)=π2\left(\dfrac{\pi}{2}\right)=\pi 이다. 결국 π≈2\pi \approx 2 라는 다소 안타까운 어림을 한 셈이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's start by taking the first two derivative of f(x)f(x).

f(x)=2arcsin⁡x⇒f(0)=2(0)=0f′(x)=21−x2⇒f′(0)=21=2f′′(x)=ddx{2(1−x2)−12}=2(−12)(1−x2)−32(−2x)(chain rule)=2x(1−x2)3⇒f′′(0)=0Now, we can find the quadratic approximation about x=0.f(x)≈f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2=2xf(1)≈2\begin{aligned} f(x)&=2\arcsin x&&\Rightarrow& f(0)&=2(0)=0\\ f'(x)&=\frac{2}{\sqrt{1-x^2}}&&\Rightarrow& f'(0)&=\frac{2}{1}=2\\ f''(x)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left\{2(1-x^2)^{-\tfrac{1}{2}}\right\}\\ &=2\left(-\tfrac{1}{2}\right)(1-x^2)^{-\tfrac{3}{2}}(-2x) \qquad\text{(chain rule)}\\ &=\frac{2x}{\left(\sqrt{1-x^2}\right)^3}&&\Rightarrow& f''(0)&=0 \\ \text{Now, we can find the quadratic approximation about $x=0$.} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2\\ &=2x\\ f(1)& \approx 2 \end{aligned}

Our quadratic approximation gives 2arcsin⁡(1)≈22\arcsin(1) \approx 2. However, 2arcsin⁡(1)2\arcsin(1) is exactly equal to 2(π2)=π2\left(\dfrac{\pi}{2}\right)=\pi. We've just made the rather unfortunate approximation π≈2\pi \approx 2.

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

exe^x 의 이차 근사를 이용하여 ee 를 소수로 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a quadratic approximation of exe^x to estimate ee as a decimal.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

교재에 따르면 exe^x 의 x=0x=0 근방에서의 이차 근사는 ex≈1+x+12x2e^x \approx 1+x+\frac{1}{2}x^2 이다. 따라서 e=e1≈1+1+12=2.5e=e^1 \approx 1+1+\frac{1}{2}=2.5 이므로 e≈2.5e \approx 2.5 로 어림한다.

참고: 실제로는 e≈2.718e \approx 2.718 이다.

원본 교재 풀이(영어)

From the text, the quadratic approximation of exe^x about x=0x=0 is ex≈1+x+12x2e^x \approx 1+x+\frac{1}{2}x^2 So, e=e1≈1+1+12=2.5e=e^1 \approx 1+1+\frac{1}{2}=2.5 We estimate e≈2.5e \approx 2.5.

Remark: actually, e≈2.718e \approx 2.718.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 8번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
47.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
48.CLP-1 · 3.4절 · 3번대학 수준우리말 번역

함수 f(x)f(x) 의 4차 매클로린 다항식이 T4(x)=x4−x3+x2−x+1T_4(x)=x^4-x^3+x^2-x+1 일 때, f(x)f(x) 의 3차 매클로린 다항식을 구하세요.

영어 원문 보기

The 4th order Maclaurin polynomial for f(x)f(x) is T4(x)=x4−x3+x2−x+1T_4(x)=x^4-x^3+x^2-x+1 What is the third order Maclaurin polynomial for f(x)f(x)?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 4차 매클로린 다항식은

T4(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3+14!f(4)(0)x4이고, f(x) 의 3차 매클로린 다항식은T3(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3따라서 T4(x) 에서 x4 을 포함한 항을 그냥 “잘라 내면" 된다:T3(x)=−x3+x2−x+1\begin{aligned} T_4(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3+\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 \\ \text{이고, $f(x)$ 의 3차 매클로린 다항식은} \\ T_3(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3 \\ \text{따라서 $T_4(x)$ 에서 $x^4$ 을 포함한 항을 그냥 ``잘라 내면" 된다:} \\ T_3(x)&=-x^3+x^2-x+1 \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The fourth order Maclaurin polynomial for f(x)f(x) is

T4(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3+14!f(4)(0)x4while the third order Maclaurin polynomial for f(x) isT3(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3So, we simply “chop off" the part of T4(x) that includes x4:T3(x)=−x3+x2−x+1\begin{aligned} T_4(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3+\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 \\ \text{while the third order Maclaurin polynomial for $f(x)$ is} \\ T_3(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3 \\ \text{So, we simply ``chop off" the part of $T_4(x)$ that includes $x^4$:} \\ T_3(x)&=-x^3+x^2-x+1 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 12번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
49.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

임의의 짝수 nn 에 대해, 함수 f(x)f(x) 의 x=5x=5 에서의 nn차 테일러 다항식이 ∑k=0n/22k+13k−9(x−5)2k\sum_{k=0}^{n/2} \frac{2k+1}{3k-9}(x-5)^{2k} 라고 하자. f(10)(5)f^{(10)}(5) 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

For any even number nn, suppose the nnth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=5x=5 is ∑k=0n/22k+13k−9(x−5)2k\sum_{k=0}^{n/2} \frac{2k+1}{3k-9}(x-5)^{2k} What is f(10)(5)f^{(10)}(5)?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 x=5x=5 에서의 nn차 테일러 다항식은

Tn(x)=∑k=0n1k!f(k)(5)(x−5)k이를 어느 정도 전개하면:Tn(x)=f(5)+f′(x−5)+⋯+110!f(10)(5)(x−5)10+⋯+1n!f(n)(5)(x−5)n따라서 (x−5)10 의 계수는 110!f(10)(5) 이다. 주어진 꼴의 테일러 다항식을 전개하면:Tn(x)=∑k=0n/22k+13k−9(x−5)2k=1−9⏟k=0+3−6(x−5)2⏟k=1+⋯+116(x−5)10⏟k=5+⋯+n+1(3/2)n−9(x−5)n⏟k=n/2두 식에서 (x−5)10 의 계수를 같다고 놓으면:110!f(10)(5)=116f(10)(5)=11⋅10!6\begin{aligned}T_n(x)&=\sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!}f^{(k)}(5)(x-5)^{k} \\ \text{이를 어느 정도 전개하면:} \\ T_n(x)&=f(5)+f'(x-5) + \cdots + \boxed{\frac{1}{10!}f^{(10)}(5)(x-5)^{10}}+\cdots + \frac{1}{n!}f^{(n)}(5)(x-5)^n \\ \text{따라서 $(x-5)^{10}$ 의 계수는 $\dfrac{1}{10!}f^{(10)}(5)$ 이다. 주어진 꼴의 테일러 다항식을 전개하면:} \\ T_n(x)&=\sum_{k=0}^{n/2} \frac{2k+1}{3k-9}(x-5)^{2k}\\ &= \underbrace{\frac{1}{-9}}_{k=0}+ \underbrace{\frac{3}{-6}(x-5)^2}_{k=1}+\cdots+ \underbrace{\boxed{\frac{11}{6}(x-5)^{10}}}_{k=5}+\cdots+ \underbrace{\frac{n+1}{(3/2)n-9}(x-5)^n}_{k=n/2} \\ \text{두 식에서 $(x-5)^{10}$ 의 계수를 같다고 놓으면:} \\ \frac{1}{10!}f^{(10)}(5)&=\frac{11}{6}\\ f^{(10)}(5)&=\frac{11\cdot 10!}{6} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

The nnth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=5x=5 is

Tn(x)=∑k=0n1k!f(k)(5)(x−5)kWe expand this somewhat:Tn(x)=f(5)+f′(x−5)+⋯+110!f(10)(5)(x−5)10+⋯+1n!f(n)(5)(x−5)nSo, the coefficient of (x−5)10 is 110!f(10)(5). Expanding the given form of the Taylor polynomial:Tn(x)=∑k=0n/22k+13k−9(x−5)2k=1−9⏟k=0+3−6(x−5)2⏟k=1+⋯+116(x−5)10⏟k=5+⋯+n+1(3/2)n−9(x−5)n⏟k=n/2Equating the coefficients of (x−5)10 in the two expressions:110!f(10)(5)=116f(10)(5)=11⋅10!6\begin{aligned}T_n(x)&=\sum_{k=0}^{n} \frac{1}{k!}f^{(k)}(5)(x-5)^{k} \\ \text{We expand this somewhat:} \\ T_n(x)&=f(5)+f'(x-5) + \cdots + \boxed{\frac{1}{10!}f^{(10)}(5)(x-5)^{10}}+\cdots + \frac{1}{n!}f^{(n)}(5)(x-5)^n \\ \text{So, the coefficient of $(x-5)^{10}$ is $\dfrac{1}{10!}f^{(10)}(5)$. Expanding the given form of the Taylor polynomial:} \\ T_n(x)&=\sum_{k=0}^{n/2} \frac{2k+1}{3k-9}(x-5)^{2k}\\ &= \underbrace{\frac{1}{-9}}_{k=0}+ \underbrace{\frac{3}{-6}(x-5)^2}_{k=1}+\cdots+ \underbrace{\boxed{\frac{11}{6}(x-5)^{10}}}_{k=5}+\cdots+ \underbrace{\frac{n+1}{(3/2)n-9}(x-5)^n}_{k=n/2} \\ \text{Equating the coefficients of $(x-5)^{10}$ in the two expressions:} \\ \frac{1}{10!}f^{(10)}(5)&=\frac{11}{6}\\ f^{(10)}(5)&=\frac{11\cdot 10!}{6} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 5번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
50.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

f(x)=x3[2log⁡x−113]f(x)=x^3\left[2\log x - \dfrac{11}{3}\right] 의 x=ax=a 에서의 3차 테일러 다항식이 T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T_3(x)=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3 일 때, aa 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

The third order Taylor polynomial for f(x)=x3[2log⁡x−113]f(x)=x^3\left[2\log x - \dfrac{11}{3}\right] about x=ax=a is T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T_3(x)=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3 What is aa?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

T3(x)T_3(x) 는 x=ax=a 에서 f(x)f(x) 의 3차 테일러 다항식이므로 다음이 성립한다.

  • f(a)=T3(a)f(a)=T_3(a)
  • f′(a)=T3′(a)f'(a)=T'_3(a)
  • f′′(a)=T3′′(a)f''(a)=T''_3(a)
  • f′′′(a)=T3′′′(a)f'''(a)=T'''_3(a)

그런데 이 중 일부는 별로 쓸모가 없어 보인다. 예를 들어 첫 번째 항목을 이용하면 다음 방정식을 얻는다. a3[2log⁡a−113]=−23e3+3ea−6ea2+a3a^3\left[2\log a - \frac{11}{3}\right]=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ea-6\sqrt{e}a^2+a^3 이것을 푸는 것은 매우 어렵다. 대신 목록의 아래로 갈수록 식이 어떻게 되는지 생각해 보자. T3(x)T_3(x) 는 삼차식이므로 T3′′′(x)T_3'''(x) 는 상수이다(따라서 T3′′′(a)T_3'''(a) 는 aa 에 의존하지 않는다). 이것이 가장 간단한 방법일 것 같다. 미분을 시작하자. f′′′(a)f'''(a) 와 T3′′′(a)T_3'''(a) 를 모두 알아야 한다.

f(x)=x3[2log⁡x−113]f′(x)=x3[2x]+3x2[2log⁡x−113]=6x2log⁡x−9x2f′′(x)=6x2⋅1x+12xlog⁡x−18x=12xlog⁡x−12xf′′′(x)=12x⋅1x+12log⁡x−12=12log⁡xf′′′(a)=12log⁡a이제 테일러 다항식으로 넘어가자. e 는 상수임을 기억하자.T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T3′(x)=3e−12ex+3x2T3′′(x)=−12e+6xT3′′′(x)=6T3′′′(a)=6마지막 항목에서 다음 방정식을 얻는다:f′′′(a)=T3′′′(a)12log⁡a=6log⁡a=12a=e12\begin{aligned} f(x)&=x^3\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]\\ f'(x)&=x^3\left[\frac{2}{x}\right]+3x^2\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]=6x^2\log x -9x^2\\ f''(x)&=6x^2\cdot\frac{1}{x}+12x\log x - 18x=12x\log x - 12 x\\ f'''(x)&=12x\cdot\frac{1}{x}+12\log x - 12 = 12\log x\\ f'''(a)&=12\log a \\ \text{이제 테일러 다항식으로 넘어가자. $e$ 는 상수임을 기억하자.} \\ T_3(x)&=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3\\ T_3'(x)&=3e-12\sqrt{e}x+3x^2\\ T_3''(x)&=-12\sqrt{e}+6x\\ T_3'''(x)&=6\\ T_3'''(a)&=6 \\ \text{마지막 항목에서 다음 방정식을 얻는다:} \\ f'''(a)&=T_3'''(a)\\ 12\log a &= 6\\ \log a &= \frac{1}{2}\\ a&=e^{\tfrac{1}{2}} \end{aligned}

따라서 a=ea=\sqrt{e} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Since T3(x)T_3(x) is the third order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=ax=a, we know the following things to be true:

  • f(a)=T3(a)f(a)=T_3(a)
  • f′(a)=T3′(a)f'(a)=T'_3(a)
  • f′′(a)=T3′′(a)f''(a)=T''_3(a)
  • f′′′(a)=T3′′′(a)f'''(a)=T'''_3(a)

But, some of these don't look super useful. For instance, if we try to use the first bullet, we get this equation: a3[2log⁡a−113]=−23e3+3ea−6ea2+a3a^3\left[2\log a - \frac{11}{3}\right]=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ea-6\sqrt{e}a^2+a^3 Solving this would be terrible. Instead, let's think about how the equations look when we move further down the list. Since T3(x)T_3(x) is a cubic equation, T3′′′(x)T_3'''(x) is a constant (and so T3′′′(a)T_3'''(a) does not depend on aa). That sounds like it's probably the simplest option. Let's start differentiating. We'll need to know both f′′′(a)f'''(a) and T3′′′(a)T_3'''(a).

f(x)=x3[2log⁡x−113]f′(x)=x3[2x]+3x2[2log⁡x−113]=6x2log⁡x−9x2f′′(x)=6x2⋅1x+12xlog⁡x−18x=12xlog⁡x−12xf′′′(x)=12x⋅1x+12log⁡x−12=12log⁡xf′′′(a)=12log⁡aNow, let’s move to the Taylor polynomial. Remember that e is a constant.T3(x)=−23e3+3ex−6ex2+x3T3′(x)=3e−12ex+3x2T3′′(x)=−12e+6xT3′′′(x)=6T3′′′(a)=6The final bullet point gives us the equation:f′′′(a)=T3′′′(a)12log⁡a=6log⁡a=12a=e12\begin{aligned} f(x)&=x^3\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]\\ f'(x)&=x^3\left[\frac{2}{x}\right]+3x^2\left[2\log x - \frac{11}{3}\right]=6x^2\log x -9x^2\\ f''(x)&=6x^2\cdot\frac{1}{x}+12x\log x - 18x=12x\log x - 12 x\\ f'''(x)&=12x\cdot\frac{1}{x}+12\log x - 12 = 12\log x\\ f'''(a)&=12\log a \\ \text{Now, let's move to the Taylor polynomial. Remember that $e$ is a constant.} \\ T_3(x)&=-\frac{2}{3}\sqrt{e^3}+3ex-6\sqrt{e}x^2+x^3\\ T_3'(x)&=3e-12\sqrt{e}x+3x^2\\ T_3''(x)&=-12\sqrt{e}+6x\\ T_3'''(x)&=6\\ T_3'''(a)&=6 \\ \text{The final bullet point gives us the equation:} \\ f'''(a)&=T_3'''(a)\\ 12\log a &= 6\\ \log a &= \frac{1}{2}\\ a&=e^{\tfrac{1}{2}} \end{aligned}

So, a=ea=\sqrt{e}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 1번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
51.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
52.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
53.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
54.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
55.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
56.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

6arctan⁡x6\arctan x 의 5차 매클로린 다항식을 이용하여 π\pi 를 어림하세요.

영어 원문 보기

Use a 5th order Maclaurin polynomial for 6arctan⁡x6\arctan x to approximate π\pi.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

6arctan⁡(13)=6(π6)=π6\arctan\left(\dfrac{1}{\sqrt3}\right)=6\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=\pi 임에 주목한다. f(x)=6arctan⁡xf(x)=6\arctan x 의 5차 매클로린 다항식 T5(x)T_5(x) 를 구하자. 그러면 π=f(13)≈T5(13)\pi=f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx T_5\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) 이다. 먼저 f(x)=6arctan⁡xf(x)=6\arctan x 의 처음 다섯 개의 도함수를 구하자.

f(x)=6arctan⁡xf(0)=0f′(x)=6(11+x2)f′(0)=6f′′(x)=6(0−2x(1+x2)2)=−12(x(1+x2)2)f′′(0)=0f′′′(x)=−12((1+x2)2−x⋅2(1+x2)(2x)(1+x2)4)=−12((1+x2)−4x2(1+x2)3)=−12(1−3x2(1+x2)3)f′′′(0)=−12f(4)(x)=−12((1+x2)3(−6x)−(1−3x2)⋅3(1+x2)2(2x)(1+x2)6)=−12(−6x(1+x2)−6x(1−3x2)(1+x2)4)=144(x−x3(1+x2)4)f(4)(0)=0f(5)(x)=144((1+x2)4(1−3x2)−(x−x3)⋅4(1+x2)3(2x)(1+x2)8)=144((1+x2)(1−3x2)−8x(x−x3)(1+x2)5)=1445x4−10x2+1(1+x2)5f(5)(0)=144\begin{aligned} f(x)&=6\arctan x&f(0)&=0\\ f'(x)&=6\left(\frac{1}{1+x^2}\right)&f'(0)&=6\\ f''(x)&=6\left(\frac{0-2x}{(1+x^2)^2}\right)=-12\left(\frac{x}{(1+x^2)^2}\right)&f''(0)&=0\\ f'''(x)&=-12\left(\frac{(1+x^2)^2-x\cdot 2(1+x^2)(2x)}{(1+x^2)^4}\right)\\ &=-12\left(\frac{(1+x^2)-4x^2}{(1+x^2)^3}\right)\\ &=-12\left(\frac{1-3x^2}{(1+x^2)^3}\right)&f'''(0)&=-12\\ f^{(4)}(x)&=-12\left(\frac{(1+x^2)^3(-6x)-(1-3x^2)\cdot3(1+x^2)^2(2x)}{(1+x^2)^6}\right)\\ &=-12\left(\frac{-6x(1+x^2)-6x(1-3x^2)}{(1+x^2)^4}\right)\\ &=144\left(\frac{x-x^3}{(1+x^2)^4}\right)&f^{(4)}(0)&=0\\ f^{(5)}(x)&=144\left(\frac{(1+x^2)^4(1-3x^2)-(x-x^3)\cdot4(1+x^2)^3(2x)}{(1+x^2)^{8}}\right)\\ &=144\left(\frac{(1+x^2)(1-3x^2)-8x(x-x^3)}{(1+x^2)^{5}}\right)\\ &=144\frac{5x^4-10x^2+1}{(1+x^2)^5}&f^{(5)}(0)&=144 \end{aligned}

이제 이 값들을 이용하여 f(x)f(x) 의 5차 매클로린 다항식을 계산한다.

T5(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3+14!f(4)(0)x4+15!f(5)(0)x5=6x−126x3+144120x5=6x−2x3+65x5이제 f(13)=6arctan⁡(13)=π 를 어림하면:π=f(13)≈T5(13)=63−233+6535=23(1−13⋅3+15⋅9)≈3.156\begin{aligned} T_5(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3+\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 +\frac{1}{5!}f^{(5)}(0)x^5\\ &=6x-\frac{12}{6}x^3+\frac{144}{120}x^5\\ &=6x-2x^3+\frac{6}{5}x^5 \\ \text{이제 $f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)=6\arctan\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)=\pi$ 를 어림하면:} \\ \pi&=f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx T_5\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)= \frac{6}{\sqrt{3}}-\frac{2}{\sqrt{3}^3}+\frac{6}{5\sqrt{3}^5}\\ &=2\sqrt{3}\left(1-\frac{1}{3\cdot3}+\frac{1}{5\cdot 9}\right)\approx 3.156 \end{aligned}

참고: π\pi 를 원하는 정확도까지 계산하는 방법은 매우 많다. 그중 많은 방법이 arctan⁡x\arctan x 의 매클로린 전개를 이용한다. 1706년 존 머신은 매클로린 전개와 π=16arctan⁡15−4arctan⁡1239\pi = 16 \arctan\frac{1}{5} -4\arctan\frac{1}{239} 을 함께 이용하여 π\pi 를 소수 100자리까지 계산하였다.

원본 교재 풀이(영어)

We note that 6arctan⁡(13)=6(π6)=π6\arctan\left(\dfrac{1}{\sqrt3}\right)=6\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=\pi. We will find the 5th order Maclaurin polynomial T5(x)T_5(x) for f(x)=6arctan⁡xf(x)=6\arctan x. Then π=f(13)≈T5(13)\pi=f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx T_5\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right). Let's begin by finding the first five derivatives of f(x)=6arctan⁡xf(x)=6\arctan x.

f(x)=6arctan⁡xf(0)=0f′(x)=6(11+x2)f′(0)=6f′′(x)=6(0−2x(1+x2)2)=−12(x(1+x2)2)f′′(0)=0f′′′(x)=−12((1+x2)2−x⋅2(1+x2)(2x)(1+x2)4)=−12((1+x2)−4x2(1+x2)3)=−12(1−3x2(1+x2)3)f′′′(0)=−12f(4)(x)=−12((1+x2)3(−6x)−(1−3x2)⋅3(1+x2)2(2x)(1+x2)6)=−12(−6x(1+x2)−6x(1−3x2)(1+x2)4)=144(x−x3(1+x2)4)f(4)(0)=0f(5)(x)=144((1+x2)4(1−3x2)−(x−x3)⋅4(1+x2)3(2x)(1+x2)8)=144((1+x2)(1−3x2)−8x(x−x3)(1+x2)5)=1445x4−10x2+1(1+x2)5f(5)(0)=144\begin{aligned} f(x)&=6\arctan x&f(0)&=0\\ f'(x)&=6\left(\frac{1}{1+x^2}\right)&f'(0)&=6\\ f''(x)&=6\left(\frac{0-2x}{(1+x^2)^2}\right)=-12\left(\frac{x}{(1+x^2)^2}\right)&f''(0)&=0\\ f'''(x)&=-12\left(\frac{(1+x^2)^2-x\cdot 2(1+x^2)(2x)}{(1+x^2)^4}\right)\\ &=-12\left(\frac{(1+x^2)-4x^2}{(1+x^2)^3}\right)\\ &=-12\left(\frac{1-3x^2}{(1+x^2)^3}\right)&f'''(0)&=-12\\ f^{(4)}(x)&=-12\left(\frac{(1+x^2)^3(-6x)-(1-3x^2)\cdot3(1+x^2)^2(2x)}{(1+x^2)^6}\right)\\ &=-12\left(\frac{-6x(1+x^2)-6x(1-3x^2)}{(1+x^2)^4}\right)\\ &=144\left(\frac{x-x^3}{(1+x^2)^4}\right)&f^{(4)}(0)&=0\\ f^{(5)}(x)&=144\left(\frac{(1+x^2)^4(1-3x^2)-(x-x^3)\cdot4(1+x^2)^3(2x)}{(1+x^2)^{8}}\right)\\ &=144\left(\frac{(1+x^2)(1-3x^2)-8x(x-x^3)}{(1+x^2)^{5}}\right)\\ &=144\frac{5x^4-10x^2+1}{(1+x^2)^5}&f^{(5)}(0)&=144 \end{aligned}

We now use these values to compute the 5th order Maclaurin polynomial for f(x)f(x).

T5(x)=f(0)+f′(0)x+12f′′(0)x2+13!f′′′(0)x3+14!f(4)(0)x4+15!f(5)(0)x5=6x−126x3+144120x5=6x−2x3+65x5Now, if we want to approximate f(13)=6arctan⁡(13)=π:π=f(13)≈T5(13)=63−233+6535=23(1−13⋅3+15⋅9)≈3.156\begin{aligned} T_5(x)&=f(0)+f'(0)x+\frac{1}{2}f''(0)x^2+\frac{1}{3!}f'''(0)x^3+\frac{1}{4!}f^{(4)}(0)x^4 +\frac{1}{5!}f^{(5)}(0)x^5\\ &=6x-\frac{12}{6}x^3+\frac{144}{120}x^5\\ &=6x-2x^3+\frac{6}{5}x^5 \\ \text{Now, if we want to approximate $f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)=6\arctan\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)=\pi$:} \\ \pi&=f\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right) \approx T_5\left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)= \frac{6}{\sqrt{3}}-\frac{2}{\sqrt{3}^3}+\frac{6}{5\sqrt{3}^5}\\ &=2\sqrt{3}\left(1-\frac{1}{3\cdot3}+\frac{1}{5\cdot 9}\right)\approx 3.156 \end{aligned}

Remark: There are numerous methods for computing π\pi to any desired degree of accuracy. Many of them use the Maclaurin expansion of arctan⁡x\arctan x. In 1706 John Machin computed π\pi to 100 decimal digits by using the Maclaurin expansion together with π=16arctan⁡15−4arctan⁡1239\pi = 16 \arctan\frac{1}{5} -4\arctan\frac{1}{239}.

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

x=π4x=\dfrac{\pi}{4} 에서 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 (2n)(2n)차 테일러 다항식을 시그마 기호로 나타내세요.

영어 원문 보기

Write the (2n)(2n)th order Taylor polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x about x=π4x=\dfrac{\pi}{4} in sigma notation.

정답·풀이 보기

다음을 떠올리자.

T2n(x)=∑k=02nf(k)(π4)k!(x−π4)kT_{2n}(x)=\sum_{k=0}^{2n} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k

먼저 도함수를 몇 개 구해 보자. 물론 사인 함수를 미분하므로 도함수는 네 번마다 반복된다.

f(x)=sin⁡xf(π4)=12f′(x)=cos⁡xf′(π4)=12f′′(x)=−sin⁡xf′′(π4)=−12f′′′(x)=−cos⁡xf′′′(π4)=−12\begin{aligned} f(x)&=\sin x & f\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'(x)&=\cos x & f'\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt{2}}\\ f''(x)&=-\sin x & f''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'''(x)&=-\cos x & f'''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt{2}}\\ \end{aligned}

따라서 미분계수의 규칙은 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, … 이다. 이것을 시그마 기호로 나타내기는 조금 까다롭다. 짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 나누면 같은 값이 두 번씩 나오는 부분을 처리할 수 있다. (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) 의 짝수 거듭제곱을 포함하는 T2nT_{2n} 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.

12⏟k=0−12!2(x−π4)2⏟k=2+14!2(x−π4)4⏟k=4\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{k=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{k=2} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{k=4} \end{aligned}

이웃한 항끼리 부호가 번갈아 나타남을 알 수 있다. 따라서 kk 를 2ℓ2\ell 로 바꿔 쓰면 이 항들은 다음과 같다.

12⏟ℓ=0−12!2(x−π4)2⏟ℓ=1+14!2(x−π4)4⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{\ell=2} \end{aligned}

여기서 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항은 (−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} 이다. 이것이 정말 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다. k=2nk=2n 일 때 ℓ=n\ell=n 이므로

∑0≤k≤2nk evenf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ even}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} \end{aligned}

이제 홀수 거듭제곱을 살펴보자. (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) 의 홀수 거듭제곱을 포함하는 T2nT_{2n} 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.

12(x−π4)⏟k=1−13!2(x−π4)3⏟k=3+15!2(x−π4)5⏟k=5\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{k=1} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{k=3} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{k=5} \end{aligned}

이번에도 이웃한 항끼리 부호가 번갈아 나타남을 알 수 있다. 따라서 kk 를 2ℓ+12\ell+1 로 바꿔 쓰면 이 항들은 다음과 같다.

12(x−π4)⏟ℓ=0−13!2(x−π4)3⏟ℓ=1+15!2(x−π4)5⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{\ell=2} \end{aligned}

여기서 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항은 (−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} 이다. 이것이 정말 ℓth\ell^{\rm th} 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다. 2n2n 보다 작은 가장 큰 홀수 정수는 2n−12n-1 이고, k=2n−1=2ℓ+1k=2n-1=2\ell+1 일 때 ℓ=n−1\ell=n-1 이므로

∑0≤k≤2nk oddf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ odd}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 합치면

T2n(x)=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ+∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} T_{2n}(x)&=\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} +\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Recall that

T2n(x)=∑k=02nf(k)(π4)k!(x−π4)kT_{2n}(x)=\sum_{k=0}^{2n} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k

Let's start by taking some derivatives. Of course, since we're differentiating sine, the derivatives will repeat every four iterations.

f(x)=sin⁡xf(π4)=12f′(x)=cos⁡xf′(π4)=12f′′(x)=−sin⁡xf′′(π4)=−12f′′′(x)=−cos⁡xf′′′(π4)=−12\begin{aligned} f(x)&=\sin x & f\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'(x)&=\cos x & f'\left(\frac{\pi}{4}\right)&=\frac{1}{\sqrt{2}}\\ f''(x)&=-\sin x & f''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt 2}\\ f'''(x)&=-\cos x & f'''\left(\frac{\pi}{4}\right)&=-\frac{1}{\sqrt{2}}\\ \end{aligned}

So, the pattern of derivatives is 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 12\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, −12-\dfrac{1}{\sqrt{2}}, 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 T2nT_{2n} that contain even powers of (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) are

12⏟k=0−12!2(x−π4)2⏟k=2+14!2(x−π4)4⏟k=4\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{k=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{k=2} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{k=4} \end{aligned}

Observe that the signs alternate between successive terms. So if we rename kk to 2ℓ2\ell these terms are

12⏟ℓ=0−12!2(x−π4)2⏟ℓ=1+14!2(x−π4)4⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{2!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{4!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{4}}_{\ell=2} \end{aligned}

and the ℓth\ell^{\rm th} term here is (−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell}. To verify that this really is the ℓth\ell^{\rm th} term, evaluate this for ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 explicitly. When k=2nk=2n, ℓ=n\ell=n so that

∑0≤k≤2nk evenf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ even}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} \end{aligned}

Now for the odd powers. The first few terms of T2nT_{2n} that contain odd powers of (x−π4)\left(x-\frac{\pi}{4}\right) are

12(x−π4)⏟k=1−13!2(x−π4)3⏟k=3+15!2(x−π4)5⏟k=5\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{k=1} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{k=3} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{k=5} \end{aligned}

Observe that the signs again alternate between successive terms. So if we rename kk to 2ℓ+12\ell+1 these terms are

12(x−π4)⏟ℓ=0−13!2(x−π4)3⏟ℓ=1+15!2(x−π4)5⏟ℓ=2\begin{aligned} \underbrace{\frac{1}{\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)}_{\ell=0} -\underbrace{\frac{1}{3!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{3}}_{\ell=1} +\underbrace{\frac{1}{5!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{5}}_{\ell=2} \end{aligned}

and the ℓth\ell^{\rm th} term here is (−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1}. To verify that this really is the ℓth\ell^{\rm th} term, evaluate this for ℓ=0,1,2\ell=0,1,2 explicitly. The largest odd integer that is smaller than 2n2n is 2n−12n-1 and when k=2n−1=2ℓ+1k=2n-1=2\ell+1, ℓ=n−1\ell=n-1 so that

∑0≤k≤2nk oddf(k)(π4)k!(x−π4)k=∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} \sum_{\genfrac{}{}{0in}{}{0\le k\le 2n}{k{\rm\ odd}}} \frac{f^{(k)}\left(\frac{\pi}{4}\right)}{k!}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^k =\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

Putting the even and odd powers together

T2n(x)=∑ℓ=0n(−1)ℓ(2ℓ)!2(x−π4)2ℓ+∑ℓ=0n−1(−1)ℓ(2ℓ+1)!2(x−π4)2ℓ+1\begin{aligned} T_{2n}(x)&=\sum_{\ell=0}^{n}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell} +\sum_{\ell=0}^{n-1}\frac{(-1)^\ell}{(2\ell+1)!\sqrt{2}}\left(x-\frac{\pi}{4}\right)^{2\ell+1} \end{aligned}

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

f(x)=7x2−3x+4f(x)=7x^2-3x+4 라 하자. xx 의 측정값이 x0=2x_0 = 2 이지만 xx 의 실제 값은 x0+Δxx_0+\Delta x 라 하자. 또한 측정 오차가 Δx=1\Delta x = 1 이라 하자. x0x_0 에서 xx 가 Δx\Delta x 만큼 변할 때 f(x)f(x) 의 변화량을 Δy\Delta y 라 하자. 즉, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f\left(x_0+\Delta x\right)-f(x_0) 이다.

다음이 참인지 거짓인지 판단하세요: Δy=f′(2)(1)=25\Delta y = f'(2)(1)=25

영어 원문 보기

Let f(x)=7x2−3x+4f(x)=7x^2-3x+4. Suppose we measure xx to be x0=2x_0 = 2 but that the real value of xx is x0+Δxx_0+\Delta x. Suppose further that the error in our measurement is Δx=1\Delta x = 1. Let Δy\Delta y be the change in f(x)f(x) corresponding to a change of Δx\Delta x in x0x_0. That is, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f\left(x_0+\Delta x\right)-f(x_0).

True or false: Δy=f′(2)(1)=25\Delta y = 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\Delta y \approx f'(x_0)\Delta x=f'(2)(1)=25 를 얻는다. 그러나 Δy\Delta y 의 정의에 따르면 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=f(2+1)−f(2)=58−26=32\Delta y = f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=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\Delta y \approx f'(x_0)\Delta x=f'(2)(1)=25 However, from our definition of Δy\Delta y, Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=f(2+1)−f(2)=58−26=32\Delta y = f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=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.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차개념 확인기본자동 분류
59.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
60.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.

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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
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