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 · 4 / 5쪽

61.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

반지름이 3인 원에서 부채꼴 하나를 잘라 냈다. 이 부채꼴은 작은 편이어서 원의 4분의 1을 넘지 않는다. 이 부채꼴의 넓이를 구하려고 한다.

그림

(a) 부채꼴의 중심각을 θ\theta 라 하자. 부채꼴의 넓이를 구하세요. (b) 안타깝게도 각도기가 없고 자만 있다. 그래서 부채꼴이 만드는 현(위 그림에서 dd 로 표시된 것)의 길이를 잰다. θ\theta 를 dd 에 대한 식으로 나타내세요. (c) d=0.7d=0.7 로 측정했지만 실제로는 d=0.68d=0.68 이라고 하자. 잘라 낸 넓이를 계산할 때 생기는 절대오차를 어림하세요.

영어 원문 보기

A circle with radius 3 has a sector cut out of it. It's a smallish sector, no more than a quarter of the circle. You want to find out the area of the sector.

figure

(a) Suppose the angle of the sector is θ\theta. What is the area of the sector? (b) Unfortunately, you don't have a protractor, only a ruler. So, you measure the chord made by the sector (marked dd in the diagram above). What is θ\theta in terms of dd? (c) Suppose you measured d=0.7d=0.7, but actually d=0.68d=0.68. Estimate the absolute error in your calculation of the area removed.

정답·풀이 보기

(a) 잘라 낸 부분의 넓이는 원 전체 넓이의 θ2π\dfrac{\theta}{2\pi} 에 해당하며, 원 전체의 넓이는 π(32)=9π\pi(3^2)=9\pi 이다. 따라서 잘라 낸 부채꼴의 넓이는 θ2π⋅9π=92θ\dfrac{\theta}{2\pi} \cdot9\pi = \dfrac{9}{2}\theta

(b) dd 로부터 θ\theta 를 구하기 위해, 아래 그림과 같이 삼각형(각 θ\theta 의 맞은변의 길이가 dd 인 삼각형)을 합동인 두 직각삼각형으로 나눈다.

그림

원의 반지름(직각삼각형의 빗변이기도 하다)이 3이라는 사실을 이용하면,

sin⁡(θ2)=d23=d6문제에서 부채꼴이 원의 4분의 1을 넘지 않는다고 했으므로 0≤θ≤π2 이고, 따라서 0≤θ2≤π4 이다. 즉 θ2 는 아크사인의 치역 안에 충분히 들어간다.θ=2arcsin⁡(d6)\begin{aligned} \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&=\frac{\frac{d}{2}}{3}=\frac{d}{6} \\ \text{문제에서 부채꼴이 원의 4분의 1을 넘지 않는다고 했으므로 $0 \leq \theta \leq \dfrac{\pi}{2}$ 이고, 따라서 $0 \leq \dfrac{\theta}{2} \leq \dfrac{\pi}{4}$ 이다. 즉 $\dfrac{\theta}{2}$ 는 아크사인의 치역 안에 충분히 들어간다.} \\ \theta&=2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \end{aligned}

(c) 먼저 부채꼴의 넓이를 dd 에 대한 식으로 나타내자.

A=92θ=92(2arcsin⁡(d6))=9arcsin⁡(d6)미분하면,A′(d)=91−(d6)2⋅16=936−d2ΔA 를 d 의 오차 Δd 에 대응하는 A 의 오차라 하자. d 를 0.68 대신 0.7 로 측정했으므로, 일차근사에서 Δd=0.02, d0=0.68 로 놓는다.ΔA≈A′(d0)⋅Δd=A′(0.68)⋅0.02=936−0.682⋅0.02≈0.03\begin{aligned} A&=\frac{9}{2}\theta = \frac{9}{2}\left(2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right)\right) \\&=9\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \\ \text{미분하면,} \\ A'(d)&=\frac{9}{\sqrt{1-\left(\frac{d}{6}\right)^2}}\cdot\frac{1}{6}\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-d^2}} \\ \text{$\Delta A$ 를 $d$ 의 오차 $\Delta d$ 에 대응하는 $A$ 의 오차라 하자. $d$ 를 $0.68$ 대신 0.7 로 측정했으므로, 일차근사에서 $\Delta d = 0.02$, $d_0=0.68$ 로 놓는다.} \\ \Delta A &\approx A'(d_0)\cdot\Delta d\\ &=A'\left(0.68\right)\cdot 0.02\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-0.68^2}}\cdot0.02\\ &\approx 0.03 \end{aligned}

따라서 AA 의 오차는 약 0.03 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The area removed represents a proportion of θ2π\dfrac{\theta}{2\pi} of the entire circle, whose area is π(32)=9π\pi(3^2)=9\pi. So, the area of the sector removed is θ2π⋅9π=92θ\dfrac{\theta}{2\pi} \cdot9\pi = \dfrac{9}{2}\theta

(b) To find θ\theta from dd, we cut our triangle (with angle θ\theta opposite side of length dd) into two equivalent right triangles, as shown below.

figure

Using the information that the radius of the circle (also the hypotenuse of the right triangle) is 3,

sin⁡(θ2)=d23=d6Since the question tells us the sector is no more than a quarter of the circle, we know 0≤θ≤π2, so 0≤θ2≤π4. This puts θ2 well within the range of arcsine.θ=2arcsin⁡(d6)\begin{aligned} \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)&=\frac{\frac{d}{2}}{3}=\frac{d}{6} \\ \text{Since the question tells us the sector is no more than a quarter of the circle, we know $0 \leq \theta \leq \dfrac{\pi}{2}$, so $0 \leq \dfrac{\theta}{2} \leq \dfrac{\pi}{4}$. This puts $\dfrac{\theta}{2}$ well within the range of arcsine.} \\ \theta&=2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \end{aligned}

(c) First, let's get an expression for the area of the sector in terms of dd.

A=92θ=92(2arcsin⁡(d6))=9arcsin⁡(d6)Differentiating,A′(d)=91−(d6)2⋅16=936−d2Let ΔA is the error in A corresponding to an error of Δd in d. Since we measured d to be 0.7 instead of 0.68, in the linear approximation we take Δd=0.02 and d0=0.68.ΔA≈A′(d0)⋅Δd=A′(0.68)⋅0.02=936−0.682⋅0.02≈0.03\begin{aligned} A&=\frac{9}{2}\theta = \frac{9}{2}\left(2\arcsin\left(\frac{d}{6}\right)\right) \\&=9\arcsin\left(\frac{d}{6}\right) \\ \text{Differentiating,} \\ A'(d)&=\frac{9}{\sqrt{1-\left(\frac{d}{6}\right)^2}}\cdot\frac{1}{6}\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-d^2}} \\ \text{Let $\Delta A$ is the error in $A$ corresponding to an error of $\Delta d$ in $d$. Since we measured $d$ to be 0.7 instead of $0.68$, in the linear approximation we take $\Delta d = 0.02$ and $d_0=0.68$.} \\ \Delta A &\approx A'(d_0)\cdot\Delta d\\ &=A'\left(0.68\right)\cdot 0.02\\ &=\frac{9}{\sqrt{36-0.68^2}}\cdot0.02\\ &\approx 0.03 \end{aligned}

So, the error in AA is about 0.03.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류
62.CLP-1 · 3.4절 · 6번대학 수준우리말 번역

뾰족한 끝을 아래로 하여 세워 놓은 원뿔 모양의 물탱크가 있다. 높이는 2미터, 반지름은 0.5미터이다. 탱크 안 물의 높이가 50 cm에서 45 cm로 변할 때, 이에 따른 물의 부피 변화량을 어림하세요.

그림

영어 원문 보기

A conical tank, standing on its pointy end, has height 2 metres and radius 0.5 metres. Estimate change in volume of the water in the tank associated to a change in the height of the water from 50 cm to 45 cm.

figure

정답·풀이 보기

물의 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h)V(h) 가 있다고 하자.

h0=0.5h_0=0.5 미터, Δh=−0.05\Delta h = -0.05, ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5)\Delta V = V(h_0+\Delta h)-V(h_0)=V(0.45)-V(0.5) 라 하자. 그러면 선형 근사에 의해 ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)\Delta V \approx V'(0.5)\cdot \Delta h = -0.05V'(0.5) 이다. 이 문제를 풀기 위해, 먼저 높이에 대한 물의 부피를 나타내는 함수 V(h)V(h) 를 구하고, 다음으로 V′(0.5)V'(0.5) 를 구한 뒤, 마지막으로 물의 부피 변화량이 ΔV≈−0.05V′(0.5)\Delta V \approx -0.05V'(0.5) 임을 이용하여 어림한다.

탱크 안의 물은 원뿔 모양을 이룬다. 높이가 hh 이고 반지름이 rr 인 원뿔의 부피는 V=13πr2hV=\frac{1}{3}\pi r^2 h 이다. 여기서 변수 rr 을 없애야 한다. 닮은 삼각형을 이용하면 된다. 아래 그림은 탱크와 물을 옆에서 본 모습이다.

그림

탱크를 옆에서 본 삼각형은 물을 옆에서 본 삼각형과 닮음이므로

12=2rhr=h4이를 이용하면 물의 부피를 h 로 나타낸 식을 구할 수 있다.V(h)=13πr2h=π3(h4)2h=πh348미분하면V′(h)=πh216V′(0.5)=0.25π16=π64마지막으로 근사식 ΔV≈−0.05V′(0.5) 를 이용하면ΔV≈−0.05π64=−π1280≈−0.00245 m3\begin{aligned} \frac{1}{2}&=\frac{2r}{h}\\ r&=\frac{h}{4} \\ \text{이를 이용하면 물의 부피를 $h$ 로 나타낸 식을 구할 수 있다.} \\ V(h)&=\frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{\pi}{3}\left(\frac{h}{4}\right)^2h=\frac{\pi h^3}{48} \\ \text{미분하면} \\ V'(h)&=\frac{\pi h^2}{16}\\ V'(0.5)&=\frac{0.25\pi}{16}=\frac{\pi}{64} \\ \text{마지막으로 근사식 $\Delta V \approx -0.05V'(0.5)$ 를 이용하면} \\ \Delta V &\approx \frac{-0.05\pi}{64}=-\frac{\pi}{1280}\approx -0.00245 ~\mathrm{m}^3 \end{aligned}

부피가 약 0.002450.00245 세제곱미터, 즉 약 2450 세제곱센티미터 줄어든 것으로 어림할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose we have a function V(h)V(h) that gives the volume of water in the tank as a function of its height.

Let h0=0.5h_0=0.5 metres, Δh=−0.05\Delta h = -0.05, and ΔV=V(h0+Δh)−V(h0)=V(0.45)−V(0.5)\Delta V = V(h_0+\Delta h)-V(h_0)=V(0.45)-V(0.5). Then, by the linear approximation, ΔV≈V′(0.5)⋅Δh=−0.05V′(0.5)\Delta V \approx V'(0.5)\cdot \Delta h = -0.05V'(0.5) In order to solve the problem, we will find a function V(h)V(h) giving the volume of water in terms of the height, then find V′(0.5)V'(0.5), and finally approximate that the change in the volume of the water is ΔV≈−0.05V′(0.5)\Delta V \approx -0.05V'(0.5).

The water in the tank forms a cone. The volume of a cone of height hh and radius rr is V=13πr2hV=\frac{1}{3}\pi r^2 h We need to get rid of the variable rr. We can do this using similar triangles. The diagram below shows the side view of the tank and the water.

figure

The side view of the tank forms a triangle that is similar to the triangle formed by the side view of the water, so

12=2rhr=h4Using this, we find our equation for the volume of the water in terms of h.V(h)=13πr2h=π3(h4)2h=πh348Differentiating,V′(h)=πh216V′(0.5)=0.25π16=π64Finally, using the approximation ΔV≈−0.05V′(0.5),ΔV≈−0.05π64=−π1280≈−0.00245 m3\begin{aligned} \frac{1}{2}&=\frac{2r}{h}\\ r&=\frac{h}{4} \\ \text{Using this, we find our equation for the volume of the water in terms of $h$.} \\ V(h)&=\frac{1}{3}\pi r^2 h = \frac{\pi}{3}\left(\frac{h}{4}\right)^2h=\frac{\pi h^3}{48} \\ \text{Differentiating,} \\ V'(h)&=\frac{\pi h^2}{16}\\ V'(0.5)&=\frac{0.25\pi}{16}=\frac{\pi}{64} \\ \text{Finally, using the approximation $\Delta V \approx -0.05V'(0.5)$,} \\ \Delta V &\approx \frac{-0.05\pi}{64}=-\frac{\pi}{1280}\approx -0.00245 ~\mathrm{m}^3 \end{aligned}

We estimate that the volume decreased by about 0.002450.00245 cubic metres, or about 2450 cubic centimetres.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 7번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류
63.CLP-1 · 3.4절 · 7번대학 수준우리말 번역

어떤 시료가 처음에 방사성 동위 원소 정확히 1 μ\mug 으로 시작하고, 3년 후에 0.9 μ\mug 이 남아 있는 것으로 측정되었다. 이 측정값이 0.05 μ\mug 이내로 정확하다면, 이 측정값을 이용해 계산한 반감기의 정확도가 이에 따라 어느 정도인지 어림하세요.

영어 원문 보기

A sample begins with precisely 1 μ\mug of a radioactive isotope, and after 3 years is measured to have 0.9 μ\mug remaining. If this measurement is correct to within 0.05 μ\mug, estimate the corresponding accuracy of the half-life calculated using it.

정답·풀이 보기

qq 를 3년 후 남아 있는 동위 원소의 측정량이라 하자. h(q)h(q) 를 qq 를 이용해 계산한 동위 원소의 반감기라 하자. 측정값은 q=0.9q=0.9 이었으나, qq 가 0.05만큼 변할 때 hh 가 얼마나 변하는지 알고 싶다. 그래서 Δq=±0.05\Delta q= \pm 0.05 라 하고, Δh\Delta h 를 이에 대응하는 hh 의 변화량이라 하자. 선형 근사에 의해 다음을 얻는다.

Δh≈h′(0.9)Δq따라서,∣Δh∣≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05\begin{aligned}\Delta h& \approx h'(0.9)\Delta q \\ \text{따라서,} \\ \left|\Delta h\right|&\approx\left| h'(0.9)\right|\left|\Delta q\right|= h'(0.9)\cdot 0.05 \end{aligned}

이것은 문제를 푸는 계획을 시사한다. 측정값 qq 를 바탕으로 계산한 동위 원소의 반감기를 나타내는 식 h(q)h(q) 를 구한다. 그런 다음 h′(0.9)h'(0.9) 를 구한다. 마지막으로, 식 ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05\left|\Delta h\right|=h'(0.9)\cdot0.05 가 측정값의 0.05 변화에 대응하는 hh 의 변화량을 알려 준다.

3년 후 qq μ\mug 이 남아 있을 때 동위 원소의 반감기를 구해 보자. tt 년 후 존재하는 동위 원소의 양은 다음과 같다.

Q(t)=Q(0)e−kt어떤 상수 k 에 대해. 정확히 1 μg 이 있던 때를 t=0 이라 하자. 그러면Q(t)=e−kt3년 후 남아 있는 동위 원소의 양이 q 이므로q=e−k⋅3q13=e−kQ(t)=(e−k)t=qt3반감기는 Q(t)=12Q(0)=12 이 되는 t 의 값이다.12=Q(t)=qt3log⁡(12)=log⁡(qt3)−log⁡2=t3log⁡qt=−3log⁡2log⁡q\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{어떤 상수 $k$ 에 대해. 정확히 1 $\mu$g 이 있던 때를 $t=0$ 이라 하자. 그러면} \\ Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{3년 후 남아 있는 동위 원소의 양이 $q$ 이므로} \\ q&=e^{-k\cdot 3}\\ q^{\frac{1}{3}}&=e^{-k}\\ Q(t)&=\left(e^{-k}\right)^t=q^{\frac{t}{3}} \\ \text{반감기는 $Q(t)=\frac{1}{2}Q(0)=\frac{1}{2}$ 이 되는 $t$ 의 값이다.} \\ \frac{1}{2}&=Q(t)=q^{\frac{t}{3}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(q^{\frac{t}{3}}\right)\\ -\log 2 &=\frac{t}{3}\log q\\ t&=\frac{-3\log 2}{\log q} \end{aligned}

따라서 계산된 반감기는 −3log⁡2log⁡q\dfrac{-3\log 2}{\log q} 이다. 이로써 첫 번째 목표, 즉 계산된 원소의 반감기를 나타내는 함수 h(q)h(q) 를 얻는다.

h(q)=−3log⁡2log⁡q계획에 따라 h′(0.9) 를 구한다.h′(q)=ddq{−3log⁡2log⁡q}=−3log⁡2⋅ddq{(log⁡q)−1}=−3log⁡2⋅(−1)(log⁡q)−2⋅1q=3log⁡2qlog⁡2qh′(0.9)=3log⁡20.9log⁡2(0.9)≈208마지막으로, 계획에서 정리한 대로, ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05=3log⁡218log⁡2(0.9)≈10.4\begin{aligned}h(q)&=\dfrac{-3\log2}{\log q} \\ \text{계획에 따라 $h'(0.9)$ 를 구한다.} \\ h'(q)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\dfrac{-3\log2}{\log q}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\left(\log q\right)^{-1}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot(-1)\left(\log q\right)^{-2}\cdot\frac{1}{q}\\ &=\frac{3\log 2}{q\log^2q}\\ h'(0.9)&=\frac{3\log2}{0.9\log^2(0.9)}\approx 208 \\ \text{마지막으로, 계획에서 정리한 대로, } \\ \left|\Delta h\right|&=h'(0.9)\cdot0.05\\ &=\frac{3\log2}{18\log^2(0.9)}\approx 10.4 \end{aligned}

측정값이 ±0.05\pm 0.05 μ\mug 만큼 변하면, 계산된 반감기는 약 ±\pm10.4년 변하는 것으로 어림된다. 측정값이 0.050.05 μ\mug 이내로 정확하므로, 계산된 반감기는 약 10.4년 이내로 정확하다고 어림할 수 있다.

참고: h(0.9)=−3log⁡2log⁡0.9≈19.7h(0.9)=\dfrac{-3\log 2}{\log 0.9} \approx 19.7 이므로, 10.4년의 절대 오차는 백분율 오차 10010.419.7≈53%100\dfrac{10.4}{19.7}\approx 53\% 에 해당한다. 문제에서는 절대 오차인지 백분율 오차인지 정하지 않았다. 둘 다 의미가 있으므로 어느 쪽을 써도 된다.

원본 교재 풀이(영어)

Let qq be the measured amount of the isotope remaining after 3 years. Let h(q)h(q) be the half-life of the isotope that we calculate using qq. We measured q=0.9q=0.9, but we want to know what the change in hh is if qq moves by 0.05. So, let Δq=±0.05\Delta q= \pm 0.05, and let Δh\Delta h be the corresponding change in hh. The linear approximation tells us

Δh≈h′(0.9)ΔqSo,∣Δh∣≈∣h′(0.9)∣∣Δq∣=h′(0.9)⋅0.05\begin{aligned}\Delta h& \approx h'(0.9)\Delta q \\ \text{So,} \\ \left|\Delta h\right|&\approx\left| h'(0.9)\right|\left|\Delta q\right|= h'(0.9)\cdot 0.05 \end{aligned}

This suggests a plan for solving the problem. We will find the equation h(q)h(q) giving the calculated half-life of the isotope based on the measurement qq. Then, we will find h′(0.9)h'(0.9). Finally, the equation ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05\left|\Delta h\right|=h'(0.9)\cdot0.05 will tell us the change in hh that corresponds with a change of 0.05 in our measurement.

Let us find the half-life of the isotope, if after three years qq μ\mug is remaining. The amount of the isotope present after tt years is given by

Q(t)=Q(0)e−ktfor some constant k. Let’s take t=0 to be the time when precisely one μg was present. ThenQ(t)=e−ktAfter three years, q is the amount of the isotope remaining, soq=e−k⋅3q13=e−kQ(t)=(e−k)t=qt3The half-life is the value of t for which Q(t)=12Q(0)=12.12=Q(t)=qt3log⁡(12)=log⁡(qt3)−log⁡2=t3log⁡qt=−3log⁡2log⁡q\begin{aligned} Q(t)&=Q(0)e^{-kt} \\ \text{for some constant $k$. Let's take $t=0$ to be the time when precisely one $\mu$g was present. Then} \\ Q(t)&=e^{-kt} \\ \text{After three years, $q$ is the amount of the isotope remaining, so} \\ q&=e^{-k\cdot 3}\\ q^{\frac{1}{3}}&=e^{-k}\\ Q(t)&=\left(e^{-k}\right)^t=q^{\frac{t}{3}} \\ \text{The half-life is the value of $t$ for which $Q(t)=\frac{1}{2}Q(0)=\frac{1}{2}$.} \\ \frac{1}{2}&=Q(t)=q^{\frac{t}{3}}\\ \log\left(\frac{1}{2}\right)&=\log\left(q^{\frac{t}{3}}\right)\\ -\log 2 &=\frac{t}{3}\log q\\ t&=\frac{-3\log 2}{\log q} \end{aligned}

So, we calculate the half-life to be −3log⁡2log⁡q\dfrac{-3\log 2}{\log q}. This gives us our first goal: a function h(q)h(q) that tells us the calculated half-life of the element.

h(q)=−3log⁡2log⁡qFollowing our plan, we find h′(0.9).h′(q)=ddq{−3log⁡2log⁡q}=−3log⁡2⋅ddq{(log⁡q)−1}=−3log⁡2⋅(−1)(log⁡q)−2⋅1q=3log⁡2qlog⁡2qh′(0.9)=3log⁡20.9log⁡2(0.9)≈208Finally, as outlined in our plan, ∣Δh∣=h′(0.9)⋅0.05=3log⁡218log⁡2(0.9)≈10.4\begin{aligned}h(q)&=\dfrac{-3\log2}{\log q} \\ \text{Following our plan, we find $h'(0.9)$.} \\ h'(q)&=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\dfrac{-3\log2}{\log q}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}q}\left\{\left(\log q\right)^{-1}\right\}\\ &=-3\log 2\cdot(-1)\left(\log q\right)^{-2}\cdot\frac{1}{q}\\ &=\frac{3\log 2}{q\log^2q}\\ h'(0.9)&=\frac{3\log2}{0.9\log^2(0.9)}\approx 208 \\ \text{Finally, as outlined in our plan, } \\ \left|\Delta h\right|&=h'(0.9)\cdot0.05\\ &=\frac{3\log2}{18\log^2(0.9)}\approx 10.4 \end{aligned}

If our measurement changes by ±0.05\pm 0.05 μ\mug, then we estimate our calculated half-life changes by about ±\pm10.4 years. Since our measurement is accurate to within 0.050.05 μ\mug, that means we estimate our calculated half-life to be accurate to within about 10.4 years.

Remark: since h(0.9)=−3log⁡2log⁡0.9≈19.7h(0.9)=\dfrac{-3\log 2}{\log 0.9} \approx 19.7, an absolute error of 10.4 years corresponds to a percentage error of 10010.419.7≈53%100\dfrac{10.4}{19.7}\approx 53\%. The question did not specify absolute or percentage error. Since both make sense, you can use either one.

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

f(x)f(x) 가 함수이고 이를 F(x)F(x) 로 근사했다고 하자. 또한 f(10)=−3f(10)=-3 이고 근삿값은 F(10)=5F(10)=5 라고 하자. R(x)=f(x)−F(x)R(x)=f(x)-F(x) 라 하자.

(a) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤7|R(10)| \leq 7 (b) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤8|R(10)| \leq 8 (c) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤9|R(10)| \leq 9 (d) 참 또는 거짓: ∣R(10)∣≤100|R(10)| \leq 100

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is a function that we approximated by F(x)F(x). Further, suppose f(10)=−3f(10)=-3, while our approximation was F(10)=5F(10)=5. Let R(x)=f(x)−F(x)R(x)=f(x)-F(x).

(a) True or false: ∣R(10)∣≤7|R(10)| \leq 7 (b) True or false: ∣R(10)∣≤8|R(10)| \leq 8 (c) True or false: ∣R(10)∣≤9|R(10)| \leq 9 (d) True or false: ∣R(10)∣≤100|R(10)| \leq 100

답 쓰고 채점
(a)
(b)
(c)
(d)
정답·풀이 보기

주어진 정보에서 ∣R(10)∣=∣f(10)−F(10)∣=∣−3−5∣=∣−8∣=8|R(10)|=|f(10)-F(10)|=|-3-5|=|-8|=8 이므로 (a)는 거짓이고(8은 7보다 작거나 같지 않으므로), (b), (c), (d)는 참이다.

참고: R(x)R(x) 는 근사에서 생기는 오차이다. 본문에서 언급했듯이 RR 을 정확히 아는 경우는 거의 없지만, 그 한계(상한)는 제시할 수 있다. 가장 정밀한 한계가 필요한 것은 아니며, 계산하기 쉬운 적당한 한계면 충분하다. 실제 함수와 근사를 다룬다면 ∣R(10)∣=8|R(10)|=8 임은 모를 수도 있지만, 그것이 많아야 9라는 것을 안다면 꽤 괜찮은 근사이다.

이 절에서는 계산하기 쉬운 한계를 얻기 위해 단순화하는 가정을 자주 하게 된다. 하지만 지나치게 하지는 말아야 한다. 절대오차가 많아야 100이라는 말은 참이지만, 이 진술은 한계로서는 별로 도움이 되지 않을 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

From the given information, ∣R(10)∣=∣f(10)−F(10)∣=∣−3−5∣=∣−8∣=8|R(10)|=|f(10)-F(10)|=|-3-5|=|-8|=8 So, (a) is false (since 8 is not less than or equal to 7), while (b), (c), and (d) are true.

Remark: R(x)R(x) is the error in our approximation. As mentioned in the text, we almost never know RR exactly, but we can give a bound. We don't need the tightest bound–just a reasonable one that is easy to calculate. If we were dealing with real functions and approximations, we might not know that ∣R(10)∣=8|R(10)|=8, but if we knew it was at most 9, that would be a pretty decent approximation.

Often in this section, we will make simplifying assumptions to get a bound that is easy to calculate. But, don't go overboard! It is a true statement to say that our absolute error is at most 100, but this statement would probably not be very helpful as a bound.

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

f(x)=5x3−24x2+ex−π4f(x)= 5x^3-24x^2+ex-\pi^4 이라 하고, T5(x)T_5(x) 를 x=1x=1 에서 f(x)f(x) 의 5차 테일러 다항식이라 하자. 오차 ∣f(37)−T(37)∣|f(37)-T(37)| 에 대해 구할 수 있는 가장 좋은 한계를 구하세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=5x3−24x2+ex−π4f(x)= 5x^3-24x^2+ex-\pi^4, and let T5(x)T_5(x) be the fifth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=1. Give the best bound you can on the error ∣f(37)−T(37)∣|f(37)-T(37)|.

정답·풀이 보기

다항식을 그보다 차수가 크거나 같은 테일러 다항식으로 근사하면, 그 테일러 다항식은 근사하려는 함수와 완전히 같다. 따라서 오차는 0이다.

원본 교재 풀이(영어)

Whenever you approximate a polynomial with a Taylor polynomial of greater or equal degree, your Taylor polynomial is exactly the same as the function you are approximating. So, the error is zero.

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

당신과 친구는 둘 다 sin⁡(33)\sin(33) 의 값을 어림하려고 합니다. 친구는 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 1차 매클로린 다항식을 사용하고, 당신은 f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x 의 0차(상수) 매클로린 다항식을 사용합니다. 당신과 친구 중 누가 더 좋은 근삿값을 얻나요?

영어 원문 보기

You and your friend both want to approximate sin⁡(33)\sin(33). Your friend uses the first order Maclaurin polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x, while you use the zeroth order (constant) Maclaurin polynomial for f(x)=sin⁡xf(x)=\sin x. Who has a better approximation, you or your friend?

정답·풀이 보기

상수 근사는 다음을 준다.

sin⁡(33)≈sin⁡(0)=0반면 일차 근사는 다음을 준다.f(x)≈f(0)+f′(0)xsin⁡(x)≈sin⁡(0)+cos⁡(0)x=xsin⁡(33)≈33\begin{aligned} \sin(33)&\approx \sin (0)=0 \\ \text{반면 일차 근사는 다음을 준다.} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x\\ \sin(x)& \approx \sin (0)+\cos(0) x\\&= x\\ \sin(33)&\approx 33 \end{aligned}

−1≤sin⁡(33)≤1-1 \leq \sin(33)\leq 1 이므로 상수 근사가 더 좋다. (하지만 둘 다 조금 엉뚱하다.)

그림

원본 교재 풀이(영어)

The constant approximation gives

sin⁡(33)≈sin⁡(0)=0while the linear approximation givesf(x)≈f(0)+f′(0)xsin⁡(x)≈sin⁡(0)+cos⁡(0)x=xsin⁡(33)≈33\begin{aligned} \sin(33)&\approx \sin (0)=0 \\ \text{while the linear approximation gives} \\ f(x)&\approx f(0)+f'(0)x\\ \sin(x)& \approx \sin (0)+\cos(0) x\\&= x\\ \sin(33)&\approx 33 \end{aligned}

Since −1≤sin⁡(33)≤1-1 \leq \sin(33)\leq 1, the constant approximation is better. (But both are a little silly.)

figure

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 8.7절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
67.CLP-1 · 3.4절 · 11번대학 수준우리말 번역

f(x)=log⁡(x)f(x)=\log(x) 라 하고, Tn(x)T_n(x) 를 x=1x=1 에서 f(x)f(x) 의 nn 차 테일러 다항식이라 하자. Tn(1.1)T_n(1.1) 을 사용하여 log⁡(1.1)\log (1.1) 을 어림한다. 어림값의 오차가 10−410^{-4} 이하가 되어야 한다면, 사용할 수 있는 nn 의 값은 무엇입니까?

영어 원문 보기

Let f(x)=log⁡(x)f(x)=\log(x), and let Tn(x)T_n(x) be the nnth order Taylor polynomial for f(x)f(x) about x=1x=1. You use Tn(1.1)T_n(1.1) to estimate log⁡(1.1)\log (1.1). If your estimation needs to have an error of no more than 10−410^{-4}, what is an acceptable value of nn to use?

정답·풀이 보기

오차는 어떤 상수 cc 에 대해 f(n+1)(c)(n+1)!(x−1)n+1\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-1)^{n+1} 의 꼴이므로, f(n)(x)f^{(n)}(x) 에 대한 식을 구해 보자. 이는 교재에서 이미 다룬 적이 있지만 여기서 다시 해 보자. 도함수를 여러 번 구한 다음 규칙을 찾는다.

f(x)=log⁡xf′(x)=x−1f′′(x)=−x−2f′′′(x)=2! x−3f(4)(x)=−3! x−4f(5)(x)=4! x−5따라서 n≥1 일 때,f(n)(x)=(−1)n−1(n−1)!⋅x−n\begin{aligned} f(x)&=\log x\\ f'(x)&=x^{-1}\\ f''(x)&=-x^{-2}\\ f'''(x)&=2!\,x^{-3}\\ f^{(4)}(x)&=-3!\,x^{-4}\\ f^{(5)}(x)&=4!\,x^{-5} \\ \text{따라서 $n \geq 1$ 일 때,} \\ f^{(n)}(x)&=(-1)^{n-1}(n-1)!\cdot x^{-n} \end{aligned}

이제 f(x)f(x) 의 도함수를 알았으므로, 어림값의 오차가 어떤 모양인지 더 잘 알 수 있다.

∣f(1.1)−Tn(1.1)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(1.1−1)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣0.1n+1(n+1)!=∣n!cn+1∣110n+1(n+1)!=1∣c∣n+1⋅10n+1⋅(n+1)(1,1.1) 안의 어떤 c 에 대해<1(n+1)10n+1⋅1n+1=1(n+1)10n+1지금까지 보인 것은 다음과 같다.∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+11(n+1)10n+1≤10−4 임을 보일 수 있다면, 다음을 결론지을 수 있다.∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1≤10−4\begin{aligned} \left|f(1.1)-T_n(1.1)\right|&=\left|\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(1.1-1)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\frac{0.1^{n+1}}{(n+1)!}\\ &=\left|\frac{n!}{c^{n+1}} \right|\frac{1}{10^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{1}{ |c|^{n+1}\cdot10^{n+1}\cdot(n+1)} \\ \text{$(1,1.1)$ 안의 어떤 $c$ 에 대해} \\ &<\frac{1}{(n+1)10^{n+1}\cdot 1^{n+1}}\\ &=\frac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{지금까지 보인 것은 다음과 같다.} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{$\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}$ 임을 보일 수 있다면, 다음을 결론지을 수 있다.} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} \end{aligned}

즉, 오차가 10−410^{-4} 보다 작다.

따라서 이 문제의 목표는 1(n+1)10n+1≤10−4\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} 이 되게 하는 nn 의 값을 찾는 것이다. n=3n=3 은 분명히 그러한 수이다. 그러므로 3 이상인 모든 nn 은 사용할 수 있는 값이다.

원본 교재 풀이(영어)

Our error will have the form f(n+1)(c)(n+1)!(x−1)n+1\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-1)^{n+1} for some constant cc, so let's find an equation for f(n)(x)f^{(n)}(x). This has been done before in the text, but we'll do it again here: we'll take several derivatives, then notice the pattern.

f(x)=log⁡xf′(x)=x−1f′′(x)=−x−2f′′′(x)=2! x−3f(4)(x)=−3! x−4f(5)(x)=4! x−5So, when n≥1,f(n)(x)=(−1)n−1(n−1)!⋅x−n\begin{aligned} f(x)&=\log x\\ f'(x)&=x^{-1}\\ f''(x)&=-x^{-2}\\ f'''(x)&=2!\,x^{-3}\\ f^{(4)}(x)&=-3!\,x^{-4}\\ f^{(5)}(x)&=4!\,x^{-5} \\ \text{So, when $n \geq 1$,} \\ f^{(n)}(x)&=(-1)^{n-1}(n-1)!\cdot x^{-n} \end{aligned}

Now that we know the derivative of f(x)f(x), we have a better idea what the error in our approximation looks like.

∣f(1.1)−Tn(1.1)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(1.1−1)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣0.1n+1(n+1)!=∣n!cn+1∣110n+1(n+1)!=1∣c∣n+1⋅10n+1⋅(n+1)for some c in (1,1.1)<1(n+1)10n+1⋅1n+1=1(n+1)10n+1What we’ve shown so far is ∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1If we can show that 1(n+1)10n+1≤10−4, then we’ll be able to conclude∣f(1.1)−Tn(1.1)∣<1(n+1)10n+1≤10−4\begin{aligned} \left|f(1.1)-T_n(1.1)\right|&=\left|\dfrac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(1.1-1)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\frac{0.1^{n+1}}{(n+1)!}\\ &=\left|\frac{n!}{c^{n+1}} \right|\frac{1}{10^{n+1}(n+1)!}\\ &=\frac{1}{ |c|^{n+1}\cdot10^{n+1}\cdot(n+1)} \\ \text{for some $c$ in $(1,1.1)$} \\ &<\frac{1}{(n+1)10^{n+1}\cdot 1^{n+1}}\\ &=\frac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{What we've shown so far is } \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}} \\ \text{If we can show that $\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}$, then we'll be able to conclude} \\ |f(1.1)-T_n(1.1)|&<\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4} \end{aligned}

That is, our error is less than 10−410^{-4}.

So, our goal for the problem is to find a value of nn that makes 1(n+1)10n+1≤10−4\dfrac{1}{(n+1)10^{n+1}}\le10^{-4}. Certainly, n=3n=3 is such a number. Therefore, any nn greater than or equal to 3 is an acceptable value.

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

테일러 다항식을 이용하여 22007\sqrt[7]{2200} 의 값을 어림하세요. 어림값의 오차는 0.001 보다 작아야 합니다.

영어 원문 보기

Give an estimation of 22007\sqrt[7]{2200} using a Taylor polynomial. Your estimation should have an error of less than 0.001.

정답·풀이 보기

테일러 다항식을 이용하여 f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} 을 근사하자. 37=21873^7=2187 이므로 중심을 x=2187x=2187 로 잡는다.

오차가 충분히 작아지려면 몇 차 테일러 다항식을 써야 하는지 알아내야 한다.

nn차 테일러 다항식을 사용하면 오차는 다음과 같다.

∣f(2200)−Tn(2200)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(2200−2187)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!어떤 c 가 (2187,2200) 안에 있다. 이 값이 0.001 보다 작으려면 다음이 성립해야 한다.∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!<0.001∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1\begin{aligned} \left|f(2200)-T_n(2200)\right|&=\left|\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(2200-2187)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!} \\ \text{어떤 $c$ 가 $(2187,2200)$ 안에 있다. 이 값이 0.001 보다 작으려면 다음이 성립해야 한다.} \\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!}&<0.001\\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|&<\frac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}} \end{aligned}

어떤 nn 에서 이 부등식이 성립하는지 알아내기는 까다롭다. 표를 만들어 보자. 표를 채우는 계산 과정을 모두 보이지는 않지만, 계산은 일반적인 방법을 따른다.

n(n+1)!1000⋅13n+1∣f(n+1)(c)∣Is ∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1?      011000⋅13∣f′(c)∣=17c6/7<17⋅36      121000⋅132∣f′′(c)∣=672⋅c137<672⋅313Yes!\begin{array}{c|c|c|c} n & \dfrac{(n+1)!}{1000\cdot 13^{n+1}} & \left|f^{(n+1)}(c)\right| & \textup{Is }\left|f^{(n+1)}(c)\right|<\dfrac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}}\textup{?} \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 0&\dfrac{1}{1000\cdot 13}&|f'(c)|=\dfrac{1}{7c^{6/7}}<\dfrac{1}{7\cdot 3^6}& \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 1&\dfrac{2}{1000\cdot 13^2}&|f''(c)|=\dfrac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}&\textup{Yes!} \end{array}

즉, 1차 테일러 다항식을 사용하면 21872187 과 22002200 사이의 어떤 cc 에 대해

∣f(2200)−T1(2200)∣=∣f′′(c)∣⋅1322!=672⋅c137⋅1322<672⋅313⋅1322=3⋅13272⋅313≈0.0000065\begin{aligned} |f(2200)-T_1(2200)|&=\left|f''(c)\right|\cdot\frac{13^2}{2!}\\ &=\frac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}\cdot\frac{13^2}{2}\\ &<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}\cdot\dfrac{13^2}{2}\\ &=\dfrac{3\cdot 13^2}{7^2 \cdot 3^{13}}\approx 0.0000065 \end{aligned}

따라서 사실 1차 테일러 다항식(또는 더 높은 차수의 테일러 다항식)을 쓰면 요구되는 것보다 훨씬 정확한 어림값을 얻는다. (그러나 상수 근사가 충분히 정확한지는 알 수 없으므로 n≥1n \geq 1 을 쓰는 것이 좋다.)

1차 테일러 다항식을 쓸 수 있음을 알았으므로 T1(x)T_1(x) 를 계산하자. x=2187x=2187 에서 f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} 의 테일러 다항식을 구하는 것임을 기억하자.

f(2187)=218717=3f′(x)=17x−67f′(2187)=17218776=17⋅36T1(x)=f(2187)+f′(2187)(x−2187)=3+x−21877⋅36T1(2200)=3+2200−21877⋅36=3+137⋅36≈3.00255\begin{aligned} f(2187)&=2187^{\tfrac{1}{7}}=3\\ f'(x)&=\frac{1}{7}x^{-\tfrac{6}{7}}\\ f'(2187)&=\frac{1}{7\sqrt[7]{2187}^6}=\frac{1}{7\cdot3^6}\\ T_1(x)&=f(2187)+f'(2187)(x-2187)\\ &=3+\frac{x-2187}{7\cdot3^6}\\ T_1(2200)&=3+\frac{2200-2187}{7\cdot3^6}\\ &=3+\frac{13}{7\cdot 3^6}\\ &\approx 3.00255 \end{aligned}

따라서 22007≈3.00255\sqrt[7]{2200}\approx 3.00255 이다.

원본 교재 풀이(영어)

We will approximate f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} using a Taylor polynomial. Since 37=21873^7=2187, we will use x=2187x=2187 as our centre.

We need to figure out which order Taylor polynomial will result in a small enough error.

If we use the nnth Taylor polynomial, our error will be

∣f(2200)−Tn(2200)∣=∣f(n+1)(c)(n+1)!(2200−2187)n+1∣=∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!for some c in (2187,2200). In order for this to be less than 0.001, we need∣f(n+1)(c)∣⋅13n+1(n+1)!<0.001∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1\begin{aligned} \left|f(2200)-T_n(2200)\right|&=\left|\frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(2200-2187)^{n+1}\right|\\ &=\left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!} \\ \text{for some $c$ in $(2187,2200)$. In order for this to be less than 0.001, we need} \\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|\cdot\frac{13^{n+1}}{(n+1)!}&<0.001\\ \left|f^{(n+1)}(c)\right|&<\frac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}} \end{aligned}

It's a tricky thing to figure out which nn makes this true. Let's make a table. We won't show all the work of filling it in, but the work is standard.

n(n+1)!1000⋅13n+1∣f(n+1)(c)∣Is ∣f(n+1)(c)∣<(n+1)!1000⋅13n+1?      011000⋅13∣f′(c)∣=17c6/7<17⋅36      121000⋅132∣f′′(c)∣=672⋅c137<672⋅313Yes!\begin{array}{c|c|c|c} n & \dfrac{(n+1)!}{1000\cdot 13^{n+1}} & \left|f^{(n+1)}(c)\right| & \textup{Is }\left|f^{(n+1)}(c)\right|<\dfrac{ (n+1)!}{1000\cdot13^{n+1}}\textup{?} \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 0&\dfrac{1}{1000\cdot 13}&|f'(c)|=\dfrac{1}{7c^{6/7}}<\dfrac{1}{7\cdot 3^6}& \\~&~&~\\ \hline ~&~&~\\ 1&\dfrac{2}{1000\cdot 13^2}&|f''(c)|=\dfrac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}&\textup{Yes!} \end{array}

That is: if we use the first order Taylor polynomial, then for some cc between 21872187 and 22002200,

∣f(2200)−T1(2200)∣=∣f′′(c)∣⋅1322!=672⋅c137⋅1322<672⋅313⋅1322=3⋅13272⋅313≈0.0000065\begin{aligned} |f(2200)-T_1(2200)|&=\left|f''(c)\right|\cdot\frac{13^2}{2!}\\ &=\frac{6}{7^2\cdot c^{\tfrac{13}{7}}}\cdot\frac{13^2}{2}\\ &<\dfrac{6}{7^2\cdot 3^{13}}\cdot\dfrac{13^2}{2}\\ &=\dfrac{3\cdot 13^2}{7^2 \cdot 3^{13}}\approx 0.0000065 \end{aligned}

So, actually, the linear Taylor polynomial (or any higher order Taylor polynomial) will result in an approximation that is much more accurate than required. (We don't know, however, that the constant approximation will be accurate enough–so we'd better stick with n≥1n \geq 1.)

Now that we know we can take the first order Taylor polynomial, let's compute T1(x)T_1(x). Recall we are taking the Taylor polynomial for f(x)=x17f(x)=x^{\tfrac{1}{7}} about x=2187x=2187.

f(2187)=218717=3f′(x)=17x−67f′(2187)=17218776=17⋅36T1(x)=f(2187)+f′(2187)(x−2187)=3+x−21877⋅36T1(2200)=3+2200−21877⋅36=3+137⋅36≈3.00255\begin{aligned} f(2187)&=2187^{\tfrac{1}{7}}=3\\ f'(x)&=\frac{1}{7}x^{-\tfrac{6}{7}}\\ f'(2187)&=\frac{1}{7\sqrt[7]{2187}^6}=\frac{1}{7\cdot3^6}\\ T_1(x)&=f(2187)+f'(2187)(x-2187)\\ &=3+\frac{x-2187}{7\cdot3^6}\\ T_1(2200)&=3+\frac{2200-2187}{7\cdot3^6}\\ &=3+\frac{13}{7\cdot 3^6}\\ &\approx 3.00255 \end{aligned}

We conclude 22007≈3.00255\sqrt[7]{2200}\approx 3.00255.

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

3차 매클로린 다항식이 4+3x2+12x34 + 3x^2 + \frac{1}{2}x^3 인 함수 f(x)f(x) 를 생각하세요. f′(0)f'(0) 은 얼마입니까? f′′(0)f''(0) 은 얼마입니까?

영어 원문 보기

Consider a function f(x)f(x) whose third order Maclaurin polynomial is 4+3x2+12x34 + 3x^2 + \frac{1}{2}x^3. What is f′(0)f'(0)? What is f′′(0)f''(0)?

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 의 3차 매클로린 다항식은

f(0)+f′(0)x+f′′(0)2⋅x2+f′′′(0)6⋅x3=4+3x2+12x3.\begin{aligned} f(0) + f'(0)x +\frac{f''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{f'''(0)}{6}\cdot x^3 &=4+3x^2+\frac{1}{2}x^3. \end{aligned}

xx 의 계수는 한쪽에서 f′(0)f'(0) 이고 다른 쪽에서 00 이므로 f′(0)=0f'(0)=0 이다.

x2x^2 의 계수는 한쪽에서 12f′′(0)\dfrac{1}{2}f''(0) 이고 다른 쪽에서 33 이므로 f′′(0)=6f''(0)=6 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third Maclaurin polynomial for f(x)f(x) is

f(0)+f′(0)x+f′′(0)2⋅x2+f′′′(0)6⋅x3=4+3x2+12x3.\begin{aligned} f(0) + f'(0)x +\frac{f''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{f'''(0)}{6}\cdot x^3 &=4+3x^2+\frac{1}{2}x^3. \end{aligned}

The coefficient of xx is f′(0)f'(0) on one side, and 00 on the other, so f′(0)=0f'(0)=0.

The coefficient of x2x^2 is 12f′′(0)\dfrac{1}{2}f''(0) on one side, and 33 on the other, so f′′(0)=6f''(0)=6.

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

3차 매클로린 다항식이 1+4x−13x2+23x31+4x-\dfrac{1}{3}x^2 + \dfrac{2}{3}x^3 인 함수 h(x)h(x) 를 생각하세요. h(3)(0)h^{(3)}(0) 은 얼마입니까?

영어 원문 보기

Consider a function h(x)h(x) whose third order Maclaurin polynomial is 1+4x−13x2+23x31+4x-\dfrac{1}{3}x^2 + \dfrac{2}{3}x^3. What is h(3)(0)h^{(3)}(0)?

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

h(x)h(x) 의 3차 매클로린 다항식은

h(0)+h′(0)x+h′′(0)2⋅x2+h(3)(0)3!⋅x3=1+4x−13x2+23x3\begin{aligned} h(0) + h'(0)x +\frac{h''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{h^{(3)}(0)}{3!}\cdot x^3 &= 1+4x-\frac{1}{3}x^2 + \frac{2}{3}x^3 \end{aligned}

이다.

x3x^3 의 계수는 한쪽에서는 13!h(3)(0)\dfrac{1}{3!}h^{(3)}(0) 이고 다른 쪽에서는 23\dfrac{2}{3} 이다. 따라서 h(3)(0)6=23 \dfrac{h^{(3)}(0)}{6}=\dfrac{2}{3} 이므로 h(3)(0)=6⋅23=4h^{(3)}(0)=6\cdot\dfrac{2}{3} = 4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third Maclaurin polynomial for h(x)h(x) is

h(0)+h′(0)x+h′′(0)2⋅x2+h(3)(0)3!⋅x3=1+4x−13x2+23x3\begin{aligned} h(0) + h'(0)x +\frac{h''(0)}{2}\cdot x^2 + \frac{h^{(3)}(0)}{3!}\cdot x^3 &= 1+4x-\frac{1}{3}x^2 + \frac{2}{3}x^3 \end{aligned}

The coefficient of x3x^3 is 13!h(3)(0)\dfrac{1}{3!}h^{(3)}(0) on one side, and 23\dfrac{2}{3} on the other. Thus h(3)(0)6=23 \dfrac{h^{(3)}(0)}{6}=\dfrac{2}{3}, so h(3)(0)=6⋅23=4h^{(3)}(0)=6\cdot\dfrac{2}{3} = 4.

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

x=2x=2 에서 h(x)h(x) 의 3차 테일러 다항식은 3+12(x−2)+2(x−2)33 + \dfrac{1}{2}(x-2) + 2(x-2)^3 이다.

h′(2)h'(2) 는 얼마입니까? h′′(2)h''(2) 는 얼마입니까?

영어 원문 보기

The third order Taylor polynomial of h(x)h(x) about x=2x=2 is 3+12(x−2)+2(x−2)33 + \dfrac{1}{2}(x-2) + 2(x-2)^3.

What is h′(2)h'(2)? What is h′′(2)h''(2)?

정답·풀이 보기

x=2x=2 에서 h(x)h(x) 의 3차 테일러 다항식은 h(2)+h′(2)(x−2)+h′′(2)2⋅(x−2)2+h′′′(2)6⋅(x−2)3h(2) + h'(2)(x-2) +\frac{h''(2)}{2}\cdot (x-2)^2 + \frac{h'''(2)}{6}\cdot (x-2)^3 이다. (x−2)(x-2) 의 계수는 정의에서는 h′(2)h'(2) 이고, 주어진 함수에서는 12\dfrac{1}{2} 이므로 h′(2)=12h'(2)=\dfrac{1}{2} 이다.

(x−2)2(x-2)^2 의 계수는 정의에서는  12h′′(2) ~\dfrac{1}{2}h''(2)~ 이고, 주어진 함수에서는 00 이므로 h′(2)=0h'(2)=0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The third order Taylor polynomial for h(x)h(x) about x=2x=2 is h(2)+h′(2)(x−2)+h′′(2)2⋅(x−2)2+h′′′(2)6⋅(x−2)3h(2) + h'(2)(x-2) +\frac{h''(2)}{2}\cdot (x-2)^2 + \frac{h'''(2)}{6}\cdot (x-2)^3 The coefficient of (x−2)(x-2) is h′(2)h'(2) in the definition, and 12\dfrac{1}{2} in the given function, so h′(2)=12h'(2)=\dfrac{1}{2}.

The coefficient of (x−2)2(x-2)^2 is  12h′′(2) ~\dfrac{1}{2}h''(2)~ in the definition, and 00 in the given function, so h′(2)=0h'(2)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 2번
# 테일러 다항식과 오차계산기본자동 분류
72.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
73.CLP-1 · 3.4절 · 5번대학 수준우리말 번역

y=x1/3y = x^{1/3} 의 그래프 위의 x=8x = 8 에서의 접선을 이용하여 101/310^{1/3} 의 근삿값을 구하세요. 이 근삿값은 너무 큰가요, 너무 작은가요?

영어 원문 보기

Use the tangent line to the graph of y=x1/3y = x^{1/3} at x=8x = 8 to find an approximate value for 101/310^{1/3}. Is the approximation too large or too small?

정답·풀이 보기

g(x)=x1/3g(x)=x^{1/3} 이라 하자. 그러면 g′(x)=13x−2/3g'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3} 이고 g′′(x)=−29x−5/3g''(x)=-\dfrac{2}{9} x^{-5/3} 이다.

특히 g(8)=2g(8)=2, g′(8)=112g'(8)=\dfrac{1}{12} 이고, 모든 x>0x>0 에 대해 g′′(x)<0g''(x)<0 이다.

101/310^{1/3} 에 대한 접선 근사는 다음과 같다.

g(10)≈g(8)+g′(8)(10−8)=2+112(2)=136오차 공식을 이용하면:g(10)=g(8)+g′(8)(10−8)+12g′′(c)(10−8)2\begin{aligned} g(10)&\approx g(8)+g'(8)(10-8)\\ &=2+\dfrac{1}{12}(2)=\dfrac{13}{6} \\ \text{오차 공식을 이용하면:} \\ g(10)&=g(8)+g'(8)(10-8)+\tfrac{1}{2} g''(c)(10-8)^2 \end{aligned}

이를 만족하는 8<c<108<c<10 인 cc 가 존재한다. g′′(c)=−29c5/3g''(c)=-\dfrac{2}{9c^{5/3}} 이므로 g′′(c)g''(c) 는 음수이고, 따라서 g(10)g(10) 은 136\dfrac{13}{6} 에 어떤 음수인 양을 더한 값이다. 그러므로 접선 근삿값은 실제 값보다 크다.

원본 교재 풀이(영어)

Let's name g(x)=x1/3g(x)=x^{1/3}. Then g′(x)=13x−2/3g'(x)=\dfrac{1}{3} x^{-2/3} and g′′(x)=−29x−5/3g''(x)=-\dfrac{2}{9} x^{-5/3}.

In particular, g(8)=2g(8)=2, g′(8)=112g'(8)=\dfrac{1}{12}, and g′′(x)<0g''(x)<0 for all x>0x>0.

The tangent line approximation to 101/310^{1/3} is

g(10)≈g(8)+g′(8)(10−8)=2+112(2)=136Using the error formula:g(10)=g(8)+g′(8)(10−8)+12g′′(c)(10−8)2\begin{aligned} g(10)&\approx g(8)+g'(8)(10-8)\\ &=2+\dfrac{1}{12}(2)=\dfrac{13}{6} \\ \text{Using the error formula:} \\ g(10)&=g(8)+g'(8)(10-8)+\tfrac{1}{2} g''(c)(10-8)^2 \end{aligned}

for some 8<c<108<c<10. Since g′′(c)=−29c5/3g''(c)=-\dfrac{2}{9c^{5/3}}, g′′(c)g''(c) is negative, so g(10)g(10) is 136\dfrac{13}{6} plus some negative quantity. So, the tangent line approximation is too big.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 4번
# 테일러 다항식과 오차그래프·표 해석보통자동 분류
74.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
75.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
76.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
77.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
78.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
79.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
80.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