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 · 5 / 5쪽

81.CLP-1 · 3.4절 · 13번대학 수준우리말 번역

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

영어 원문 보기

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

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

먼저 x=0x=0 에서 ff 의 미분계수를 구한다.

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

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

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

원본 교재 풀이(영어)

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

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

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

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

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 3번
# 테일러 다항식과 오차계산보통자동 분류
82.CLP-1 · 3.4절 · 18번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 의 4차 매클로린 다항식이 T4(x)=5x2−9T_4(x)=5x^2-9 이다. f(x)f(x) 의 3차 매클로린 다항식은 무엇인가요?

영어 원문 보기

The 4th order Maclaurin polynomial for f(x)f(x) is T4(x)=5x2−9T_4(x)=5x^2-9 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)x4한편 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 부분을 그냥 “잘라 내면" 된다. 이 경우 그 부분이 이미 0이므로 T3(x)=T4(x) 이다.T3(x)=5x2−9\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{한편 $f(x)$ 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 부분을 그냥 ``잘라 내면" 된다. 이 경우 그 부분이 이미 0이므로 $T_3(x)=T_4(x)$ 이다.} \\ T_3(x)&=5x^2-9 \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. Since that’s already 0, in this case T3(x)=T4(x).T3(x)=5x2−9\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 $x^4$. Since that's already 0, in this case $T_3(x)=T_4(x)$.} \\ T_3(x)&=5x^2-9 \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 3.4절 · 6번
# 테일러 다항식과 오차계산도전자동 분류
83.CLP-1 · 3.4절 · 21번대학 수준우리말 번역

log⁡10≈2.30259\log 10\approx 2.30259 임이 주어졌을 때, 적절한 접선 근사를 이용하여 log⁡10.3\log 10.3 을 어림하세요. 적절한 오차 추정을 이용하여 근삿값의 오차의 상한과 하한을 구하세요.

영어 원문 보기

Given that log⁡10≈2.30259\log 10\approx 2.30259, estimate log⁡10.3\log 10.3 using a suitable tangent line approximation. Give an upper and lower bound for the error in your approximation by using a suitable error estimate.

정답·풀이 보기

f(x)=log⁡xf(x)=\log x, x0=10x_0=10 이라 하자. 그러면

f(x)=log⁡xf′(x)=1xf′′(x)=−1x2f(10)=log⁡10≈2.30259f′(10)=110f′′(10)=−1100\begin{aligned} f(x)&=\log x & f'(x)&=\frac{1}{x} & f''(x)&=-\frac{1}{x^2} \\ f(10)&=\log 10\approx 2.30259 & f'(10)&=\frac{1}{10} & f''(10)&=-\frac{1}{100} \end{aligned}

이므로 x=10.3x=10.3 일 때, log⁡10.3=f(10.3)≈f(10)+f′(10)(10.3−10)=2.30259+0.310=2.33259\log 10.3=f(10.3)\approx f(10)+f'(10)(10.3-10) =2.30259+\frac{0.3}{10} =2.33259 이 근삿값의 오차(주어진 자료 log⁡10≈2.30259\log 10\approx 2.30259 의 오차는 제외)는 1010 과 10.310.3 사이의 어떤 zz 에 대해 12f′′(z)(10.3−10)2\dfrac{1}{2} f''(z)(10.3-10)^2 이다. f′′(z)=−1z2f''(z)=-\dfrac{1}{z^2} 은 zz 가 증가하면 증가하므로, 그 값은 −1102-\dfrac{1}{10^2} 과 −110.32-\dfrac{1}{10.3^2} 사이에 있어야 한다. 따라서 12f′′(z)(10.3−10)2\dfrac{1}{2} f''(z)(10.3-10)^2 은 −12⋅1102(0.3)2=−0.00045-\dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{1}{10^2}(0.3)^2=-0.00045 와 −12⋅110.32(0.3)2<−0.00042-\dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{1}{10.3^2}(0.3)^2<-0.00042 사이에 있다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=log⁡xf(x)=\log x and x0=10x_0=10. Then

f(x)=log⁡xf′(x)=1xf′′(x)=−1x2f(10)=log⁡10≈2.30259f′(10)=110f′′(10)=−1100\begin{aligned} f(x)&=\log x & f'(x)&=\frac{1}{x} & f''(x)&=-\frac{1}{x^2} \\ f(10)&=\log 10\approx 2.30259 & f'(10)&=\frac{1}{10} & f''(10)&=-\frac{1}{100} \end{aligned}

so that, with x=10.3x=10.3, log⁡10.3=f(10.3)≈f(10)+f′(10)(10.3−10)=2.30259+0.310=2.33259\log 10.3=f(10.3)\approx f(10)+f'(10)(10.3-10) =2.30259+\frac{0.3}{10} =2.33259 The error in this approximation (excluding the error in the given data log⁡10≈2.30259\log 10\approx 2.30259) is 12f′′(z)(10.3−10)2\dfrac{1}{2} f''(z)(10.3-10)^2 for some zz between 1010 and 10.310.3. Because f′′(z)=−1z2f''(z)=-\dfrac{1}{z^2} increases as zz increases, it must be between −1102-\dfrac{1}{10^2} and −110.32-\dfrac{1}{10.3^2}. This forces 12f′′(z)(10.3−10)2\dfrac{1}{2} f''(z)(10.3-10)^2 to be between −12⋅1102(0.3)2=−0.00045-\dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{1}{10^2}(0.3)^2=-0.00045 and −12⋅110.32(0.3)2<−0.00042-\dfrac{1}{2}\cdot \dfrac{1}{10.3^2}(0.3)^2<-0.00042.

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