문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 급수 심화

테일러·매클로린 급수

함수의 테일러 급수(매클로린 급수)를 구하고 수렴 구간을 찾는다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

86문제 · 5 / 5쪽

81.CLP-2 · 3.6절 · 39번대학 수준우리말 번역

a=2a = 2 에서의 f(x)=log⁡(x)f(x) = \log(x) 의 테일러 급수를 구하세요. 이 급수의 수렴 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the Taylor series for f(x)=log⁡(x)f(x) = \log(x) centred at a=2a = 2. Find the interval of convergence for this series.

정답·풀이 보기

다음을 이용한다.

log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n−1ynn모든 −1<y≤1\log(1+y)= \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{y^n}{n} \qquad \text{모든 } -1 < y \le 1

여기에 y=x−22y=\dfrac{x-2}{2} 를 대입하면 다음을 얻는다.

log⁡(x)=log⁡(2+x−2)=log⁡[2(1+x−22)]=log⁡2+log⁡(1+x−22)=log⁡2+∑n=1∞(−1)n−1n 2n(x−2)n\begin{aligned} \log(x) & = \log(2 +x -2) =\log\left[2\left(1+\frac{x-2}{2}\right)\right]\\ &= \log 2 +\log\Big(1+\frac{x-2}{2}\Big) =\log 2 +\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\,2^n}(x-2)^n \end{aligned}

이 급수는 −1<y≤1-1<y\le 1, 즉 0<x≤40<x\le 4 일 때 수렴한다.

원본 교재 풀이(영어)

We use that

log⁡(1+y)=∑n=1∞(−1)n−1ynnfor all −1<y≤1\log(1+y)= \sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} \frac{y^n}{n} \qquad \text{for all } -1 < y \le 1

with y=x−22y=\dfrac{x-2}{2} to give

log⁡(x)=log⁡(2+x−2)=log⁡[2(1+x−22)]=log⁡2+log⁡(1+x−22)=log⁡2+∑n=1∞(−1)n−1n 2n(x−2)n\begin{aligned} \log(x) & = \log(2 +x -2) =\log\left[2\left(1+\frac{x-2}{2}\right)\right]\\ &= \log 2 +\log\Big(1+\frac{x-2}{2}\Big) =\log 2 +\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n\,2^n}(x-2)^n \end{aligned}

It converges when −1<y≤1-1<y\le 1, or equivalently, 0<x≤40<x\le 4.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 37번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
82.CLP-2 · 3.6절 · 41번대학 수준우리말 번역

매클로린 급수를 이용하여, 수 a=1/5−1/7+1/18a = 1/5-1/7+1/18 이 I=∫01x4e−x2 dx\displaystyle I = \int_0^1 x^4 e^{-x^2}\,\mathrm{d}x 의 근삿값임을 알았다. ∣I−a∣|I - a| 에 대해 구할 수 있는 가장 좋은 상한을 구하세요.

영어 원문 보기

Using a Maclaurin series, the number a=1/5−1/7+1/18a = 1/5-1/7+1/18 is found to be an approximation for I=∫01x4e−x2 dx\displaystyle I = \int_0^1 x^4 e^{-x^2}\,\mathrm{d}x. Give the best upper bound you can for ∣I−a∣|I - a|.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

지수함수를 매클로린 급수로 전개하면,

I=∫01x4e−x2 dx=∑n=0∞∫01x4(−x2)nn! dx=∑n=0∞(−1)nn!∫01x2n+4 dx=∑n=0∞(−1)nn!(2n+5)=15⏟n=0−17⏟n=1+118⏟n=2−13!(11)⏟n=3+⋯\begin{aligned} I&=\int_0^1 x^4 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty\int_0^1 x^4 \frac{{(-x^2)}^n}{n!}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!}\int_0^1 x^{2n+4} \ \mathrm{d}x \\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!(2n+5)} = \underbrace{\frac{1}{5}}_{n=0} -\underbrace{\frac{1}{7}}_{n=1} +\underbrace{\frac{1}{18}}_{n=2} -\underbrace{\frac{1}{3!(11)}}_{n=3} +\cdots \end{aligned}

이 급수에서 이웃한 항들의 부호는 번갈아 바뀐다. 또한 nthn^{\rm th} 항의 크기는 nn 이 커질수록 감소한다. 따라서 교대급수 판정법에 의해 II 는 15−17+118\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{18} 과 15−17+118−13!(11)\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{18}-\frac{1}{3!(11)} 사이에 있다. 그러므로

∣I−a∣≤13!(11)=166|I - a| \le \frac{1}{3!(11)} =\frac{1}{66}

원본 교재 풀이(영어)

Expanding the exponential using its Maclaurin series,

I=∫01x4e−x2 dx=∑n=0∞∫01x4(−x2)nn! dx=∑n=0∞(−1)nn!∫01x2n+4 dx=∑n=0∞(−1)nn!(2n+5)=15⏟n=0−17⏟n=1+118⏟n=2−13!(11)⏟n=3+⋯\begin{aligned} I&=\int_0^1 x^4 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty\int_0^1 x^4 \frac{{(-x^2)}^n}{n!}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!}\int_0^1 x^{2n+4} \ \mathrm{d}x \\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!(2n+5)} = \underbrace{\frac{1}{5}}_{n=0} -\underbrace{\frac{1}{7}}_{n=1} +\underbrace{\frac{1}{18}}_{n=2} -\underbrace{\frac{1}{3!(11)}}_{n=3} +\cdots \end{aligned}

The signs of successive terms in this series alternate. Futhermore the magnitude of the nthn^{\rm th} term decreases with nn. Hence, by the alternating series test, II lies between 15−17+118\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{18} and 15−17+118−13!(11)\frac{1}{5}-\frac{1}{7}+\frac{1}{18}-\frac{1}{3!(11)}. So

∣I−a∣≤13!(11)=166|I - a| \le \frac{1}{3!(11)} =\frac{1}{66}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 51번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
83.CLP-2 · 3.6절 · 42번대학 수준우리말 번역

길이가 0.00020.0002 이하이면서 수

I=∫012x2e−x2 dxI=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x

를 포함하는 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Find an interval of length 0.00020.0002 or less that contains the number

I=∫012x2e−x2 dxI=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x

정답·풀이 보기

지수함수를 테일러 급수로 전개하면

I=∫012x2e−x2 dx=∑n=0∞∫012x2(−x2)nn! dx=∑n=0∞(−1)nn!∫012x2n+2 dx=∑n=0∞(−1)nn!(2n+3)122n+3\begin{aligned} I&=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 \frac{{(-x^2)}^n}{n!}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!}\int_0^{\frac{1}{2}} x^{2n+2} \ \mathrm{d}x \\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} \end{aligned}

이 급수에서 이웃한 항의 부호는 번갈아 바뀐다. 또한 nthn^{\rm th} 항의 크기는 nn 이 커질수록 감소한다. 따라서 교대급수 판정법에 의해, 모든 NN 에 대해 II 는 ∑n=0N(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^N \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} 과 ∑n=0N+1(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^{N+1} \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} 사이에 있다. 처음 몇 개의 항을 소수 다섯째 자리까지 나타내면 다음과 같다.

n0123(−1)nn!(2n+3)122n+30.04167-0.006250.00056-0.00004\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline n & \text{0} & \text{1} & \text{2} & \text{3} \\ \hline \dfrac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} & \text{0.04167} & \text{-0.00625} & \text{0.00056} & \text{-0.00004} \\ \hline \end{array}

각 항에 0.0000050.000005 의 반올림 오차가 있다고 보면, II 는

0.04167−0.00625+0.00056+0.000005×3=0.0359950.04167-0.00625+0.00056+0.000005\times 3=0.035995

와

0.04167−0.00625+0.00056−0.00004−0.000005×4=0.0359200.04167-0.00625+0.00056-0.00004-0.000005\times 4=0.035920

사이에 있어야 한다. 여기서 0.0000050.000005 의 배수는 더한 항들에서 누적될 수 있는 반올림 오차의 최댓값이다.

원본 교재 풀이(영어)

Expanding the exponential using its Taylor series,

I=∫012x2e−x2 dx=∑n=0∞∫012x2(−x2)nn! dx=∑n=0∞(−1)nn!∫012x2n+2 dx=∑n=0∞(−1)nn!(2n+3)122n+3\begin{aligned} I&=\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 e^{-x^2}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty\int_0^{\frac{1}{2}} x^2 \frac{{(-x^2)}^n}{n!}\ \mathrm{d}x =\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!}\int_0^{\frac{1}{2}} x^{2n+2} \ \mathrm{d}x \\ &=\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} \end{aligned}

The signs of successive terms in this series alternate. Futhermore the magnitude of the nthn^{\rm th} term decreases with nn. Hence, by the alternating series test, II lies between ∑n=0N(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^N \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} and ∑n=0N+1(−1)nn!(2n+3)122n+3\sum\limits_{n=0}^{N+1} \frac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}}, for every NN. The first few terms are, to five decimal places,

n0123(−1)nn!(2n+3)122n+30.04167-0.006250.00056-0.00004\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline n & \text{0} & \text{1} & \text{2} & \text{3} \\ \hline \dfrac{(-1)^n}{n!(2n+3)}\frac{1}{2^{2n+3}} & \text{0.04167} & \text{-0.00625} & \text{0.00056} & \text{-0.00004} \\ \hline \end{array}

Allowing for a roundoff error of 0.0000050.000005 in each of these, II must be between

0.04167−0.00625+0.00056+0.000005×3=0.0359950.04167-0.00625+0.00056+0.000005\times 3=0.035995

and

0.04167−0.00625+0.00056−0.00004−0.000005×4=0.0359200.04167-0.00625+0.00056-0.00004-0.000005\times 4=0.035920

where the multiples of 0.000005 are the maximum possible accumulated roundoff errors in the added terms.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 41번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
CLP-2 Integral Calculus CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
84.CLP-2 · 3.6절 · 50번대학 수준우리말 번역

도구의 법칙은 "망치를 가지고 있으면 모든 것이 못처럼 보인다"는 것인데, 이는 실제로 "도구를 일에 맞추기보다 일을 도구에 맞추려는 경향"을 설명하는 말이다. (실밴 톰킨스의 성격의 컴퓨터 시뮬레이션: 심리 이론의 최전선에서 인용함. 버밍엄 스크루드라이버도 참고하라.) 어쨌든 이는 테일러 급수를 이용해 계산하는 방법을 안다고 해서 다른 기법을 소홀히 해서는 안 된다는 것을 길게 돌려 말한 것이다.

(a) 뉴턴 방법을 이용하여 상수 23\sqrt[3]{2} 를 함수 g(x)=x3−2g(x)=x^3-2 의 근으로 보고 어림하세요. 계산기를 사용하여 0.01 이내의 오차로 정확하게 어림하세요. (b) 모든 실수 xx 에 대해 다음이 성립함을 증명 없이 가정해도 됩니다. x3=1+16(x−1)+∑n=2∞(−1)n−1(2)(5)(8)⋯(3n−4)3n n!(x−1)n.\sqrt[3]{x}=1+\frac{1}{6}(x-1)+\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n-1}\frac{(2)(5)(8)\cdots(3n-4)}{3^n\, n!}(x-1)^n. 이 급수가 교대급수라는 사실을 이용하여, 부분합이 23\sqrt[3]{2} 를 오차 0.01 미만으로 어림하려면 몇 개의 항을 더해야 할까요?

영어 원문 보기

The law of the instrument says “If you have a hammer then everything looks like a nail” — it is really a description of the “tendency of jobs to be adapted to tools rather than adapting tools to jobs.” (Quote from Silvan Tomkins's Computer Simulation of Personality: Frontier of Psychological Theory. See also Birmingham screwdrivers.) Anyway, this is a long way of saying that just because we know how to compute things using Taylor series doesn't mean we should neglect other techniques.

(a) Using Newton's method, approximate the constant 23\sqrt[3]{2} as a root of the function g(x)=x3−2g(x)=x^3-2. Using a calculator, make your estimation accurate to within 0.01. (b) You may assume without proof that x3=1+16(x−1)+∑n=2∞(−1)n−1(2)(5)(8)⋯(3n−4)3n n!(x−1)n.\sqrt[3]{x}=1+\frac{1}{6}(x-1)+\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n-1}\frac{(2)(5)(8)\cdots(3n-4)}{3^n\, n!}(x-1)^n. for all real numbers xx. Using the fact that this is an alternating series, how many terms would you have to add for the partial sum to estimate 23\sqrt[3]{2} with an error less than 0.01?

정답·풀이 보기

(a) 뉴턴 방법에서는 함수 g(x)g(x) 의 근을 반복하여 어림한다. 어림값 xnx_n 이 주어지면 다음 어림값은 xn+1=xn−g(xn)g′(xn)x_{n+1}=x_n-\dfrac{g(x_n)}{g'(x_n)} 이다. 이 경우 xn+1=xn−xn3−23xn2=23(xn+1xn2).x_{n+1}=x_n - \frac{x_n^3-2}{3x_n^2}=\frac23\left(x_n+\frac{1}{x_n^2}\right).

구하려는 실제 근에 어느 정도 가까운 곳에서 시작하는 것이 좋으므로 x0=1x_0=1 로 놓자. (시작점은 달라도 된다.)

x0=1  ⟹  x1=23(1+11)=43≈1.3333x1=43  ⟹  x2=23(43+916)=9172≈1.2639x2=9172  ⟹  x3=23(9172+722912)=1126819894348≈1.2599x3=1126819894348  ⟹  x4=23(1126819894348+894348211268192)≈1.2599\begin{aligned} x_0&=1 &&\implies x_1=\dfrac23\left(1+\frac11\right)=\dfrac{4}{3}&\approx&1.3333\\ x_1&=\dfrac43 &&\implies x_2=\dfrac23\left(\frac43+\frac{9}{16}\right)=\dfrac{91}{72}&\approx&1.2639\\ x_2&=\dfrac{91}{72} &&\implies x_3=\dfrac23\left(\dfrac{91}{72}+\dfrac{72^2}{91^2}\right)=\dfrac{1126819 }{894348 }&\approx&1.2599\\ x_3&=\dfrac{1126819 }{894348 } &&\implies x_4=\dfrac23\left(\dfrac{1126819 }{894348 }+\dfrac{894348^2}{1126819^2}\right)&\approx&1.2599 \end{aligned}

따라서 23≈1.26\sqrt[3]{2}\approx 1.26 이다. (b) 주어진 급수에 x=2x=2 를 대입하면 다음 급수를 얻는다. 23=1+16+∑n=2∞(−1)n−1(2)(5)(8)⋯(3n−4)3n n!.\sqrt[3]{2}=1+\frac{1}{6}+\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n-1}\frac{(2)(5)(8)\cdots(3n-4)}{3^n\, n!}. 이 급수는 교대급수이므로 부분합 SNS_N 을 사용하면 절대 오차는 많아야 ∣aN+1∣=(2)(5)(8)⋯(3N−1)3N+1 (N+1)!|a_{N+1}|=\frac{(2)(5)(8)\cdots(3N-1)}{3^{N+1}\, (N+1)!} 이다. (단, N≥2N \ge 2 일 때.) 이 값이 0.01 이하가 되게 하는 NN 의 값을 알아야 하므로 여러 값을 시험해 본다.

N∣aN+1∣3(2)(5)(8)34⋅4!≈0.044(2)(5)(8)(11)35 5!≈0.035(2)(5)(8)(11)(14)36 6!≈0.0236(2)(5)(8)(11)(14)(17)37 7!≈0.0197(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)38 8!≈0.0168(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)39 9!≈0.0139(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)310 10!≈0.01210(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)311 11!≈0.010311(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)(32)312 12!≈0.009\begin{array}{|c|c|}\hline N & |a_{N+1}| \\ \hline \text{3} & \dfrac{(2)(5)(8)}{3^4\cdot 4!}\approx 0.04 \\ \hline \text{4} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)}{3^5\, 5!}\approx 0.03 \\ \hline \text{5} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)}{3^6\, 6!}\approx 0.023 \\ \hline \text{6} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)}{3^7\, 7!}\approx 0.019 \\ \hline \text{7} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)}{3^8\, 8!}\approx 0.016 \\ \hline \text{8} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)}{3^9\, 9!}\approx 0.013 \\ \hline \text{9} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)}{3^{10}\, 10!}\approx 0.012 \\ \hline \text{10} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)}{3^{11}\, 11!}\approx 0.0103 \\ \hline \text{11} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)(32)}{3^{12}\, 12!}\approx 0.009 \\ \hline \end{array}

따라서 어림값 S11S_{11} 의 오차가 충분히 작다. 즉, 처음 12개의 항을 더하면 된다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For Newton's method, recall we approximate a root of the function g(x)g(x) in iterations: given an approximation xnx_n, our next approximation is xn+1=xn−g(xn)g′(xn)x_{n+1}=x_n-\dfrac{g(x_n)}{g'(x_n)}. In our case, xn+1=xn−xn3−23xn2=23(xn+1xn2).x_{n+1}=x_n - \frac{x_n^3-2}{3x_n^2}=\frac23\left(x_n+\frac{1}{x_n^2}\right).

We want to start somewhere reasonably close to the actual root we want, so let's set x0=1x_0=1. (Your starting point may vary.)

x0=1  ⟹  x1=23(1+11)=43≈1.3333x1=43  ⟹  x2=23(43+916)=9172≈1.2639x2=9172  ⟹  x3=23(9172+722912)=1126819894348≈1.2599x3=1126819894348  ⟹  x4=23(1126819894348+894348211268192)≈1.2599\begin{aligned} x_0&=1 &&\implies x_1=\dfrac23\left(1+\frac11\right)=\dfrac{4}{3}&\approx&1.3333\\ x_1&=\dfrac43 &&\implies x_2=\dfrac23\left(\frac43+\frac{9}{16}\right)=\dfrac{91}{72}&\approx&1.2639\\ x_2&=\dfrac{91}{72} &&\implies x_3=\dfrac23\left(\dfrac{91}{72}+\dfrac{72^2}{91^2}\right)=\dfrac{1126819 }{894348 }&\approx&1.2599\\ x_3&=\dfrac{1126819 }{894348 } &&\implies x_4=\dfrac23\left(\dfrac{1126819 }{894348 }+\dfrac{894348^2}{1126819^2}\right)&\approx&1.2599 \end{aligned}

So, 23≈1.26\sqrt[3]{2}\approx 1.26. (b) We'll evaluate the given series at x=2x=2. This yields the series 23=1+16+∑n=2∞(−1)n−1(2)(5)(8)⋯(3n−4)3n n!.\sqrt[3]{2}=1+\frac{1}{6}+\sum_{n=2}^\infty(-1)^{n-1}\frac{(2)(5)(8)\cdots(3n-4)}{3^n\, n!}. This series is alternating, so if we use the partial sum SNS_N, our absolute error is at most ∣aN+1∣=(2)(5)(8)⋯(3N−1)3N+1 (N+1)!|a_{N+1}|=\frac{(2)(5)(8)\cdots(3N-1)}{3^{N+1}\, (N+1)!} (if N≥2N \ge 2). We want to know which value of NN makes this at most 0.01. We test several values.

N∣aN+1∣3(2)(5)(8)34⋅4!≈0.044(2)(5)(8)(11)35 5!≈0.035(2)(5)(8)(11)(14)36 6!≈0.0236(2)(5)(8)(11)(14)(17)37 7!≈0.0197(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)38 8!≈0.0168(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)39 9!≈0.0139(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)310 10!≈0.01210(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)311 11!≈0.010311(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)(32)312 12!≈0.009\begin{array}{|c|c|}\hline N & |a_{N+1}| \\ \hline \text{3} & \dfrac{(2)(5)(8)}{3^4\cdot 4!}\approx 0.04 \\ \hline \text{4} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)}{3^5\, 5!}\approx 0.03 \\ \hline \text{5} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)}{3^6\, 6!}\approx 0.023 \\ \hline \text{6} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)}{3^7\, 7!}\approx 0.019 \\ \hline \text{7} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)}{3^8\, 8!}\approx 0.016 \\ \hline \text{8} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)}{3^9\, 9!}\approx 0.013 \\ \hline \text{9} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)}{3^{10}\, 10!}\approx 0.012 \\ \hline \text{10} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)}{3^{11}\, 11!}\approx 0.0103 \\ \hline \text{11} & \dfrac{(2)(5)(8)(11)(14)(17)(20)(23)(26)(29)(32)}{3^{12}\, 12!}\approx 0.009 \\ \hline \end{array}

So, the approximation S11S_{11} has a sufficiently small error. That is, we would add up the first twelve terms.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 53번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
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85.CLP-2 · 3.6절 · 51번대학 수준우리말 번역

f(x)=arctan⁡(x3)f(x)=\arctan(x^3) 이라 하자. 아크탄젠트의 매클로린 급수를 이용하여 f(10)(15)f^{(10)}\left(\frac{1}{5} \right) 을 오차가 10−610^{-6} 보다 작도록 유리수들의 합으로 나타내세요.

영어 원문 보기

Let f(x)=arctan⁡(x3)f(x)=\arctan(x^3). Write f(10)(15)f^{(10)}\left(\frac{1}{5} \right) as a sum of rational numbers with an error less than 10−610^{-6} using the Maclaurin series for arctangent.

정답·풀이 보기

풀이 계획은 다음과 같다.

  • f(x)f(x) 의 테일러 급수를 만든다.
  • f(x)f(x) 의 테일러 급수의 10계 도함수를 구한다.
  • 원하는 정확도를 얻으려면 몇 개의 항을 더해야 하는지 정한다.
  • f(10)(15)f^{(10)}\left(\frac15\right) 을 부분합으로 근사한다.

arctan⁡x\arctan x 의 테일러 급수는 ∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1\displaystyle\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1} 이고, 이 급수는 −1≤x≤1-1\le x\le1 에서 수렴한다. 따라서 arctan⁡(x3)\arctan(x^3) 의 테일러 급수는 f(x)=arctan⁡(x3)=∑n=0∞(−1)n(x3)2n+12n+1=∑n=0∞(−1)nx6n+32n+1f(x)=\arctan(x^3)=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(x^3)^{2n+1}}{2n+1} =\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{6n+3}}{2n+1} 이다. 이 급수를 여러 번 미분하는 것이 arctan⁡(x3)\arctan(x^3) 을 직접 여러 번 미분하는 것보다 훨씬 쉽다.

f′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)x6n+22n+1f′′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)x6n+12n+1f′′′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)x6n2n+1⋮f(10)(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)⋯(6n−6)x6n−72n+1=∑n=2∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)⋯(6n−6)x6n−72n+1=∑n=2∞(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!x6n−7f(10)(15)=∑n=2∞(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!⋅56n−7\begin{aligned} f'(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)x^{6n+2}}{2n+1}\\ f''(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)x^{6n+1}}{2n+1}\\ f'''(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)x^{6n}}{2n+1}\\ \vdots&\\ f^{(10)}(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)\cdots(6n-6)x^{6n-7}}{2n+1}\\ &=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)\cdots(6n-6)x^{6n-7}}{2n+1}\\ &=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!}x^{6n-7}\\ f^{(10)}\left(\frac{1}{5}\right)&=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!\cdot 5^{6n-7}} \end{aligned}

(10번 미분하면 a0a_0 과 a1a_1 항이 모두 0이 됨에 주목한다.)

이 급수는 교대급수이므로 근사 SNS_N 을 사용할 때의 절대 오차는 많아야 ∣aN+1∣=(6N+9)!(2N+3)(6N−1)!⋅56N−1|a_{N+1}|=\frac{(6N+9)!}{(2N+3)(6N-1)!\cdot 5^{6N-1}} 이다. NN 의 몇몇 값을 시험해 보면 ∣a6∣=∣a5+1∣=39!(13)(29!)⋅529≈0.00000095<10−6|a_6|=|a_{5+1}|=\frac{39!}{(13)(29!)\cdot 5^{29}}\approx 0.00000095<10^{-6} 을 얻는다. 따라서 S5S_5 로 충분히 근사할 수 있다. 즉,

f(10)(15)≈∑n=25(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!⋅56n−7=(−1)215!5⋅5!⋅55+(−1)321!7!⋅11!⋅511+(−1)427!9!⋅17!⋅517+(−1)533!11!⋅23!⋅523=15!5!⋅56−21!7!⋅11!⋅511+27!9!⋅17!⋅517−33!11!⋅23!⋅523\begin{aligned} f^{(10)}\left(\frac15\right)&\approx \sum_{n=2}^5 (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!\cdot 5^{6n-7}}\\ &=(-1)^2\frac{15!}{5\cdot 5!\cdot 5^{5}}+(-1)^3\frac{21!}{7!\cdot 11!\cdot 5^{11}}+ (-1)^4\frac{27!}{9!\cdot 17!\cdot 5^{17}}+ (-1)^5\frac{33!}{11!\cdot 23!\cdot 5^{23}}\\ &=\frac{15!}{5!\cdot5^6}-\frac{21!}{7!\cdot 11!\cdot 5^{11}}+\frac{27!}{9!\cdot 17!\cdot 5^{17}}-\frac{33!}{11!\cdot 23!\cdot 5^{23}} \end{aligned}

참고: 급수 대신 미분 법칙을 사용하여 f(10)(1/5)f^{(10)}(1/5) 을 직접 계산했다면 정확한 값을 구했을 것이다. 그러나 여기서 구한 값은 더 쉽게 구할 수 있고, (정확하지는 않더라도) 매우 정확하다.

원본 교재 풀이(영어)

Our plan is as follows:

  • Make a Taylor series for f(x)f(x)
  • Calculate the tenth derivative of the Taylor series of f(x)f(x).
  • Decide how many terms we need to add to achieve the desired accuracy.
  • Approximate f(10)(15)f^{(10)}\left(\frac15\right) with a partial sum.

We know that the Taylor series for arctan⁡x\arctan x is ∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1\displaystyle\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1}, which converges for −1≤x≤1-1\le x\le1. So, the Taylor series for arctan⁡(x3)\arctan(x^3) is f(x)=arctan⁡(x3)=∑n=0∞(−1)n(x3)2n+12n+1=∑n=0∞(−1)nx6n+32n+1f(x)=\arctan(x^3)=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(x^3)^{2n+1}}{2n+1} =\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{x^{6n+3}}{2n+1} It is much easier to differentiate this series many times than it is to differentiate arctan⁡(x3)\arctan(x^3) directly many times.

f′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)x6n+22n+1f′′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)x6n+12n+1f′′′(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)x6n2n+1⋮f(10)(x)=∑n=0∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)⋯(6n−6)x6n−72n+1=∑n=2∞(−1)n(6n+3)(6n+2)(6n+1)⋯(6n−6)x6n−72n+1=∑n=2∞(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!x6n−7f(10)(15)=∑n=2∞(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!⋅56n−7\begin{aligned} f'(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)x^{6n+2}}{2n+1}\\ f''(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)x^{6n+1}}{2n+1}\\ f'''(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)x^{6n}}{2n+1}\\ \vdots&\\ f^{(10)}(x)&=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)\cdots(6n-6)x^{6n-7}}{2n+1}\\ &=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)(6n+2)(6n+1)\cdots(6n-6)x^{6n-7}}{2n+1}\\ &=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!}x^{6n-7}\\ f^{(10)}\left(\frac{1}{5}\right)&=\sum_{n=2}^\infty (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!\cdot 5^{6n-7}} \end{aligned}

(Notice, after ten differentiations, the terms a0a_0 and a1a_1 are both zero.)

Since this is an alternating series, the absolute error involved in using the approximation SNS_N is at most ∣aN+1∣=(6N+9)!(2N+3)(6N−1)!⋅56N−1|a_{N+1}|=\frac{(6N+9)!}{(2N+3)(6N-1)!\cdot 5^{6N-1}} By testing a few values of NN, we find ∣a6∣=∣a5+1∣=39!(13)(29!)⋅529≈0.00000095<10−6|a_6|=|a_{5+1}|=\frac{39!}{(13)(29!)\cdot 5^{29}}\approx 0.00000095<10^{-6} So, S5S_5 is a sufficient approximation. That is,

f(10)(15)≈∑n=25(−1)n(6n+3)!(2n+1)(6n−7)!⋅56n−7=(−1)215!5⋅5!⋅55+(−1)321!7!⋅11!⋅511+(−1)427!9!⋅17!⋅517+(−1)533!11!⋅23!⋅523=15!5!⋅56−21!7!⋅11!⋅511+27!9!⋅17!⋅517−33!11!⋅23!⋅523\begin{aligned} f^{(10)}\left(\frac15\right)&\approx \sum_{n=2}^5 (-1)^n\frac{(6n+3)!}{(2n+1)(6n-7)!\cdot 5^{6n-7}}\\ &=(-1)^2\frac{15!}{5\cdot 5!\cdot 5^{5}}+(-1)^3\frac{21!}{7!\cdot 11!\cdot 5^{11}}+ (-1)^4\frac{27!}{9!\cdot 17!\cdot 5^{17}}+ (-1)^5\frac{33!}{11!\cdot 23!\cdot 5^{23}}\\ &=\frac{15!}{5!\cdot5^6}-\frac{21!}{7!\cdot 11!\cdot 5^{11}}+\frac{27!}{9!\cdot 17!\cdot 5^{17}}-\frac{33!}{11!\cdot 23!\cdot 5^{23}} \end{aligned}

Remark: if we had calculated f(10)(1/5)f^{(10)}(1/5) directly, using derivative rules instead of series, we would have found an exact value; however, our value here is easier to find, and is highly accurate (if not exact).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-2 · 3.6절 · 50번
# 테일러·매클로린 급수계산도전자동 분류
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86.CLP-2 · 3.6절 · 53번대학 수준우리말 번역

f(x)f(x) 가 기함수이고, f(x)=∑n=0∞f(n)(0)n!xnf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n 이라 하자. 다음을 간단히 하세요. ∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \dfrac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) is an odd function, and f(x)=∑n=0∞f(n)(0)n!xnf(x)=\displaystyle\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n. Simplify ∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \dfrac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
  • 풀이 1: f(x)f(x) 가 기함수이므로 정의역의 모든 xx 에 대해 f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) 이다. 이를 주어진 거듭제곱급수에 대입한 다음, 차수가 짝수인 항과 홀수인 항을 따로 생각한다.

f(−x)=−f(x)∑n=0∞f(n)(0)n!(−x)n=−∑n=0∞f(n)(0)n!xn∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!(−x)2n+1+∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!(−x)2n=−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1+∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n2∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=0∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=0\begin{aligned} f(-x)&=-f(x)\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}(-x)^n&=-\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}(-x)^{2n+1}+ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}(-x)^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1} -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1}+ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1} -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ 2 \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&=0\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&=0 \end{aligned}

  • 풀이 2: 다른 방법으로, 다음을 이용할 수도 있다.

  • f(x)f(x) 의 모든 도함수가 존재하므로 모든 도함수는 연속이다.

  • 기함수의 도함수는 우함수이고, 우함수의 도함수는 기함수이다.

  • 따라서 f(x)f(x) 의 짝수 계 도함수는 연속인 기함수이다.

  • 연속인 기함수는 모두 원점을 지난다. 즉, f(2n)(0)=0f^{(2n)}(0)=0 이다.

  • 따라서 급수의 모든 항은 00 이다.

원본 교재 풀이(영어)
  • Solution 1: Since f(x)f(x) is odd, f(−x)=−f(x)f(-x)=-f(x) for all xx in its domain. We plug this into our power series, then consider the even-indexed terms and the odd-indexed terms separately.

f(−x)=−f(x)∑n=0∞f(n)(0)n!(−x)n=−∑n=0∞f(n)(0)n!xn∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!(−x)2n+1+∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!(−x)2n=−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1+∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=−∑n=0∞f(2n+1)(0)(2n+1)!x2n+1−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=−∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n2∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=0∑n=0∞f(2n)(0)(2n)!x2n=0\begin{aligned} f(-x)&=-f(x)\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}(-x)^n&=-\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}(-x)^{2n+1}+ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}(-x)^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1} -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1}+ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n+1)}(0)}{(2n+1)!}x^{2n+1} -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&= -\sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}\\ 2 \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&=0\\ \sum_{n=0}^\infty\frac{f^{(2n)}(0)}{(2n)!}x^{2n}&=0 \end{aligned}

  • Solution 2: Alternately, we could note the following:

  • Since all derivative of f(x)f(x) exist, all its derivatives are continuous.

  • The derivative of an odd function is even, and the derivative of an even function is odd.

  • So, the even-indexed derivatives of f(x)f(x) are continuous, odd functions.

  • Every continuous, odd function passes through the origin. That is, f(2n)(0)=0f^{(2n)}(0)=0.

  • So, every term in the series is 00.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 2권 · 6장 복습 · 9번
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