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(151) 의 값을 어림하세요.
영어 원문 보기
Use a quadratic approximation to estimate cos(151).
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
함수 f(x)=cosx 를 근사한다.
x=0 에서 cosx 와 sinx (sinx 는 1계 도함수에 나타난다)의 값을 쉽게 구할 수 있고, 0 은 151 에 꽤 가까우므로 x=0 을 중심으로 근사한다.
f(0)f′(x)f′(0)f′′(x)f′′(0)Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+21f′′(0)(x−0)2:f(x)f(151)=1=−sinx=−sin(0)=0=−cosx=−cos(0)=−1≈1−21x2≈1−2⋅1521=450449
cos(151)≈450449 로 어림한다.
참고: 450449=0.9977 이고, 계산기로는 cos(151)≈0.9977786 이다. 이 근사의 오차는 약 0.000001 이다.
원본 교재 풀이(영어)
We approximate the function f(x)=cosx.
We can easily evaluate cosx and sinx (sinx will appear in the first derivative) at x=0, and 0 is quite close to 151, so we centre our approximation about x=0.
f(0)f′(x)f′(0)f′′(x)f′′(0)Using the quadratic approximation f(x)≈f(0)+f′(0)(x−0)+21f′′(0)(x−0)2:f(x)f(151)=1=−sinx=−sin(0)=0=−cosx=−cos(0)=−1≈1−21x2≈1−2⋅1521=450449
We approximate cos(151)≈450449.
Remark: 450449=0.9977, while a calculator gives
cos(151)≈0.9977786. Our approximation has an error of about 0.000001.
참고: 32275=8.59375 이고, 계산기로 구하면 54/3≈8.5499 이다. 5와 8이 다소 떨어져 있지만, 어림한 값은 실제 값과 약 0.04 만큼만 차이 난다.
원본 교재 풀이(영어)
There are a few functions we could choose to approximate. For example:
f(x)=x4/3. In this case, we would probably choose to approximate f(x) about x=8 (since 8 is a cube, 84/3=24=16 is something we can evaluate) or x=1.
f(x)=5x. We can easily figure out f(x) when x is a whole number, so we would want to centre our approximation around some whole number x=a, but then
f′(a)=5alog(5) gives us a problem: without a calculator, it's hard to know what log(5) is.
Since 54/3=535, we can use f(x)=53x. As in the first bullet, we would centre about x=8, or x=1.
There isn't much difference between the first and third bullets. We'll go with f(x)=53x, centred about x=8.
f(x)f′(x)f′′(x)Using the quadratic approximation f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)+21f′′(a)(x−a)2:f(x)f(5)=5x31=35x−32=35(−32)x−35=−910x−35≈10+125(x−8)−2885(x−8)2≈10+125(−3)−2885(9)=32275⇒⇒⇒f(8)f′(8)f′′(8)=5⋅2=10=35(2−2)=125=−910(2−5)=−1445
We estimate 54/3≈32275
Remark: 32275=8.59375, and
a calculator gives 54/3≈8.5499. Although 5 and 8 are somewhat far apart, our estimate is only off by about 0.04.
(a) 1+2+3+4+5=n=1∑5n
(b) 2+4+6+8=n=1∑42n
(c) 3+5+7+9+11=n=1∑5(2n+1)
(d) 9+16+25+36+49=n=3∑7n2
(e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=n=3∑7(n2+n+1)
(f) 8+15+24+35+48=n=3∑7(n2−1)
(g) 3−6+9−12+15−18=n=1∑6(−1)n+13n
참고: (−1)n+1 대신 (−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=1∑5n
(b) 2+4+6+8=n=1∑42n
(c) 3+5+7+9+11=n=1∑5(2n+1)
(d) 9+16+25+36+49=n=3∑7n2
(e) 9+4+16+5+25+6+36+7+49+8=n=3∑7(n2+n+1)
(f) 8+15+24+35+48=n=3∑7(n2−1)
(g) 3−6+9−12+15−18=n=1∑6(−1)n+13n
Remark: if we had written (−1)n instead of (−1)n+1, with everything else the same, the signs would have been reversed.
이차 근사로 2arcsin(1)≈2 를 얻는다. 그러나 2arcsin(1) 의 정확한 값은 2(2π)=π 이다. 결국 π≈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)f′′(x)Now, we can find the quadratic approximation about x=0.f(x)f(1)=2arcsinx=1−x22=dxd{2(1−x2)−21}=2(−21)(1−x2)−23(−2x)(chain rule)=(1−x2)32x≈f(0)+f′(0)x+21f′′(0)x2=2x≈2⇒⇒⇒f(0)f′(0)f′′(0)=2(0)=0=12=2=0
Our quadratic approximation gives 2arcsin(1)≈2. However, 2arcsin(1) is exactly equal to 2(2π)=π. We've just made the rather unfortunate approximation π≈2.
T4(x)while the third order Maclaurin polynomial for f(x) isT3(x)So, we simply “chop off" the part of T4(x) that includes x4:T3(x)=f(0)+f′(0)x+21f′′(0)x2+3!1f′′′(0)x3+4!1f(4)(0)x4=f(0)+f′(0)x+21f′′(0)x2+3!1f′′′(0)x3=−x3+x2−x+1
The nth order Taylor polynomial for f(x) about x=5 is
Tn(x)We expand this somewhat:Tn(x)So, the coefficient of (x−5)10 is 10!1f(10)(5). Expanding the given form of the Taylor polynomial:Tn(x)Equating the coefficients of (x−5)10 in the two expressions:10!1f(10)(5)f(10)(5)=k=0∑nk!1f(k)(5)(x−5)k=f(5)+f′(x−5)+⋯+10!1f(10)(5)(x−5)10+⋯+n!1f(n)(5)(x−5)n=k=0∑n/23k−92k+1(x−5)2k=k=0−91+k=1−63(x−5)2+⋯+k=5611(x−5)10+⋯+k=n/2(3/2)n−9n+1(x−5)n=611=611⋅10!
f(x)=x3[2logx−311] 의 x=a 에서의 3차 테일러 다항식이
T3(x)=−32e3+3ex−6ex2+x3
일 때, a 의 값을 구하세요.
영어 원문 보기
The third order Taylor polynomial for f(x)=x3[2logx−311] about x=a is
T3(x)=−32e3+3ex−6ex2+x3
What is a?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
T3(x) 는 x=a 에서 f(x) 의 3차 테일러 다항식이므로 다음이 성립한다.
f(a)=T3(a)
f′(a)=T3′(a)
f′′(a)=T3′′(a)
f′′′(a)=T3′′′(a)
그런데 이 중 일부는 별로 쓸모가 없어 보인다. 예를 들어 첫 번째 항목을 이용하면 다음 방정식을 얻는다.
a3[2loga−311]=−32e3+3ea−6ea2+a3
이것을 푸는 것은 매우 어렵다. 대신 목록의 아래로 갈수록 식이 어떻게 되는지 생각해 보자. T3(x) 는 삼차식이므로 T3′′′(x) 는 상수이다(따라서 T3′′′(a) 는 a 에 의존하지 않는다). 이것이 가장 간단한 방법일 것 같다. 미분을 시작하자. f′′′(a) 와 T3′′′(a) 를 모두 알아야 한다.
Since T3(x) is the third order Taylor polynomial for f(x) about x=a, we know the following things to be true:
f(a)=T3(a)
f′(a)=T3′(a)
f′′(a)=T3′′(a)
f′′′(a)=T3′′′(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[2loga−311]=−32e3+3ea−6ea2+a3
Solving this would be terrible. Instead, let's think about how the equations look when we move further down the list. Since T3(x) is a cubic equation, T3′′′(x) is a constant (and so T3′′′(a) does not depend on a). That sounds like it's probably the simplest option. Let's start differentiating. We'll need to know both f′′′(a) and T3′′′(a).
f(x)f′(x)f′′(x)f′′′(x)f′′′(a)Now, let’s move to the Taylor polynomial. Remember that e is a constant.T3(x)T3′(x)T3′′(x)T3′′′(x)T3′′′(a)The final bullet point gives us the equation:f′′′(a)12logalogaa=x3[2logx−311]=x3[x2]+3x2[2logx−311]=6x2logx−9x2=6x2⋅x1+12xlogx−18x=12xlogx−12x=12x⋅x1+12logx−12=12logx=12loga=−32e3+3ex−6ex2+x3=3e−12ex+3x2=−12e+6x=6=6=T3′′′(a)=6=21=e21
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:
A Taylor polynomial gives a polynomial approximation for a function s(t). Since s(t) is itself a polynomial, any nth order Taylor polynomial, with n greater than or equal to the degree of s(t), will simply give s(t). So, in our case, T100(t)=s(t)=4.9t2−t+10.
If that isn't satisfying, you can go through the normal method of calculating T100(t).
Let's start by differentiating f(x) and looking for a pattern. Remember that log2=loge2 is a constant number.
f(x)f′(x)f′′(x)f(3)(x)f(4)(x)f(5)(x)So, in general,f(k)(x)We notice that this formula works even when k=0 and k=1. When x=1,f(k)(1)The nth order Taylor polynomial of f(x) about x=1 isTn(x)=2x=2xlog2=2x(log2)2=2x(log2)3=2x(log2)4=2x(log2)5=2x(log2)k=2(log2)k=k=0∑nk!f(k)(1)(x−1)k=k=0∑nk!2(log2)k(x−1)k
We'll start by differentiating and looking for a pattern.
f(x)Using the chain rule,f′(x)f′′(x)f(3)(x)f(4)(x)f(5)(x)Recognizing the pattern,f(k)(x)f(k)(0)The nth order Maclaurin polynomial for f(x) isTn(x)=1−x1=(1−x)−1=(−1)(1−x)−2(−1)=(1−x)−2=(−2)(1−x)−3(−1)=2(1−x)−3=(−3)(2)(1−x)−4(−1)=2(3)(1−x)−4=(−4)(2)(3)(1−x)−5(−1)=2(3)(4)(1−x)−5=(−5)(2)(3)(4)(1−x)−6(−1)=2(3)(4)(5)(1−x)−6=k!(1−x)−(k+1)=k!(1)−(k+1)=k!=k=0∑nk!f(k)(0)xk=k=0∑nk!k!xk=k=0∑nxk
참고: π 를 원하는 정확도까지 계산하는 방법은 매우 많다. 그중 많은 방법이 arctanx 의 매클로린 전개를 이용한다. 1706년 존 머신은 매클로린 전개와
π=16arctan51−4arctan2391
을 함께 이용하여 π 를 소수 100자리까지 계산하였다.
원본 교재 풀이(영어)
We note that 6arctan(31)=6(6π)=π. We will find the 5th order Maclaurin polynomial T5(x) for f(x)=6arctanx.
Then π=f(31)≈T5(31). Let's begin by finding the first five derivatives of f(x)=6arctanx.
We now use these values to compute the 5th order Maclaurin polynomial for f(x).
T5(x)Now, if we want to approximate f(31)=6arctan(31)=π:π=f(0)+f′(0)x+21f′′(0)x2+3!1f′′′(0)x3+4!1f(4)(0)x4+5!1f(5)(0)x5=6x−612x3+120144x5=6x−2x3+56x5=f(31)≈T5(31)=36−332+5356=23(1−3⋅31+5⋅91)≈3.156
Remark: There are numerous methods for computing π to any
desired degree of accuracy. Many of them use the Maclaurin
expansion of arctanx. In 1706 John Machin computed π
to 100 decimal digits by using the Maclaurin expansion together
with
π=16arctan51−4arctan2391.
따라서 미분계수의 규칙은 21, 21, −21, −21, 21, 21, −21, −21, … 이다. 이것을 시그마 기호로 나타내기는 조금 까다롭다. 짝수 거듭제곱과 홀수 거듭제곱을 나누면 같은 값이 두 번씩 나오는 부분을 처리할 수 있다. (x−4π) 의 짝수 거듭제곱을 포함하는 T2n 의 처음 몇 개의 항은 다음과 같다.
여기서 ℓth 번째 항은
(2ℓ+1)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ+1 이다.
이것이 정말 ℓth 번째 항인지 확인하려면 ℓ=0,1,2 에 대해 직접 계산해 보면 된다.
2n 보다 작은 가장 큰 홀수 정수는 2n−1 이고, k=2n−1=2ℓ+1 일 때
ℓ=n−1 이므로
So, the pattern of derivatives is 21, 21, −21, −21, 21, 21, −21, −21, 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 T2n that contain even powers of (x−4π) are
and the ℓth term here is
(2ℓ)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ. To verify that this really is the ℓth term, evaluate this for ℓ=0,1,2 explicitly. When k=2n, ℓ=n so that
and the ℓth term here is
(2ℓ+1)!2(−1)ℓ(x−4π)2ℓ+1.
To verify that this really is the ℓth term, evaluate this for ℓ=0,1,2 explicitly.
The largest odd integer that is smaller than 2n is 2n−1 and when k=2n−1=2ℓ+1,
ℓ=n−1 so that
f(x)=7x2−3x+4 라 하자.
x 의 측정값이 x0=2 이지만
x 의 실제 값은 x0+Δx 라 하자. 또한
측정 오차가 Δx=1 이라 하자.
x0 에서 x 가 Δx 만큼 변할 때 f(x) 의 변화량을 Δy 라 하자. 즉,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0) 이다.
다음이 참인지 거짓인지 판단하세요: Δy=f′(2)(1)=25
영어 원문 보기
Let f(x)=7x2−3x+4.
Suppose we measure x to be x0=2
but that the real value of x is x0+Δx. Suppose further that
the error in our measurement is Δx=1.
Let Δy be the change in f(x) corresponding to a change of Δx in x0. That is,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0).
True or false: Δy=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
를 얻는다. 그러나 Δy 의 정의에 따르면
Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=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
However, from our definition of Δy,
Δy=f(x0+Δx)−f(x0)=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.
f(x)=3x2−5 라 하자. x 를 10 으로 측정했지만 실제 값이 11 일 때, 선형 근사를 이용하여 f(x) 에 생기는 오차를 어림하고, 이어서 이차 근사를 이용하여 어림하세요.
영어 원문 보기
Suppose f(x)=3x2−5. If you measure x to be 10, but its actual value is 11, estimate the resulting error in f(x) using the linear approximation, and then the quadratic approximation.
정답·풀이 보기
f′(x)=6x 이므로 x=10 일 때 f′(10)=60 이다. Δy=f(11)−f(10), Δx=11−10 이라 하면 선형 근사로부터
Δy≈60Δx=60
을 얻는다. 따라서 선형 근사는 f(x) 의 오차를 약 60 으로 어림한다.
f′′(x)=6 이므로 이차 근사(f′(10)=60, f′′(10)=6, Δx=1 을 이용)로부터
Δy≈f′(10)Δx+21f′′(1)(Δx)2=60⋅1+21(6)(1)2=63
을 얻는다. 따라서 이차 근사는 f(x) 의 오차를 약 63 으로 어림한다. (실제로 f(11)−f(10) 의 정확한 값은 63 이다. 이차 근사로 어림한 오차가 실제 오차와 정확히 같은 것은 우연이 아니다. 이는 f(x) 가 이차
함수라는 사실에서 비롯된 결과이다.)
원본 교재 풀이(영어)
Since f′(x)=6x, when x=10, f′(10)=60. If Δy=f(11)−f(10), and Δx=11−10, then the linear approximation tells us
Δy≈60Δx=60
So, the linear approximates estimates the error in f(x) to be about 60.
Since f′′(x)=6, the quadratic approximation
(using f′(10)=60, f′′(10)=6, and Δx=1) tells us
Δy≈f′(10)Δx+21f′′(1)(Δx)2=60⋅1+21(6)(1)2=63
So, the quadratic approximates estimates the error in f(x) to be about 63. (Indeed, the exact value of 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) is a quadratic
function.)
농장에 원형 우리를 짓고 있다. 우리의 넓이는 오차 2% 이내로 A0 제곱미터여야 한다. 반지름에서 허용되는 최대 백분율 오차를 어림하세요.
영어 원문 보기
A circular pen is being built on a farm. The pen must contain A0 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 r 인 우리의 넓이를 A 라 하자. 그러면
A(r)r에대해미분하면,A′(r)원하는정확한넓이는A0이다. 이에대응하는원하는정확한반지름을r0이라하자.선형근사식을이용한다. 여기서 ΔA는r이 Δr만큼변할때대응하는A의변화량이다.ΔAΔr우리가알고싶은것은r이가질수있는백분율오차이다. 백분율오차는다음과같다.100r0Δr=πr2=2πr≈A′(r0)Δr=2πr0Δr≈2πr0ΔA≈1002πr0⋅r0ΔA=1002(πr02)ΔA=1002⋅A0ΔA=(100A0ΔA)21≤(2)21=1
(마지막 줄을 얻기 위해, 넓이의 백분율 오차 100A0ΔA 가 2%보다 작아야 한다는 주어진 정보를 이용했다.)
따라서 r 의 오차는 1%를 넘을 수 없다고 결론짓는다.
원본 교재 풀이(영어)
Let A be the area of a pen of radius r. Then
A(r)Differentiating with respect to r,A′(r)The 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,ΔAΔrWhat we’re interested in is the percent error r can have. The percent error is:100r0Δr=πr2=2πr≈A′(r0)Δr=2πr0Δr≈2πr0ΔA≈1002πr0⋅r0ΔA=1002(πr02)ΔA=1002⋅A0ΔA=(100A0ΔA)21≤(2)21=1
(To get the last line, we used the given information that the percent error in the area, 100A0ΔA, must be less than 2%.)
We conclude the error in r cannot be more than 1%.