5장의 도구로 실제 문제를 풉니다. 가장 큰 넓이, 가장 적은 재료, 가장 짧은 시간을 찾는 최적화와, 복잡한 함수를 직선으로 바꿔 어림하는 선형근사, 그리고 그 직선을 되풀이해 방정식의 근을 찾는 뉴턴 방법입니다.
6.1 닫힌구간의 최대·최소
최대·최소 정리(2장)에 따라 닫힌구간의 연속함수는 최대·최소를 갖습니다. 최대·최소는 내부의 극값(임계점)이거나 끝점에서 나오므로, 다음 순서면 충분합니다.
정리 6.1 (닫힌구간법). f f f 가 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 에서 연속일 때 최댓값과 최솟값은 (1) ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 안의 임계점에서의 값, (2) f ( a ) f(a) f ( a ) , f ( b ) f(b) f ( b ) 가운데 가장 큰 것과 가장 작은 것입니다.
예제 6.2. f ( x ) = x 3 − 3 x 2 + 1 f(x) = x^3 - 3x^2 + 1 f ( x ) = x 3 − 3 x 2 + 1 , [ − 1 , 4 ] [-1, 4] [ − 1 , 4 ] . f ′ ( x ) = 3 x ( x − 2 ) f'(x) = 3x(x - 2) f ′ ( x ) = 3 x ( x − 2 ) 이므로 임계점은 0 , 2 0, 2 0 , 2 입니다. f ( − 1 ) = − 3 f(-1) = -3 f ( − 1 ) = − 3 , f ( 0 ) = 1 f(0) = 1 f ( 0 ) = 1 , f ( 2 ) = − 3 f(2) = -3 f ( 2 ) = − 3 , f ( 4 ) = 17 f(4) = 17 f ( 4 ) = 17 이므로 최댓값 17, 최솟값 − 3 -3 − 3 입니다.
6.2 최적화 문제 세우기
무엇을 최대·최소로 할지 정하고 변수로 씁니다.
조건을 써서 변수 하나의 함수로 만듭니다.
정의역(구간)을 정합니다.
임계점과 끝점을 비교합니다.
예제 6.3 (울타리). 길이 100 m의 울타리로 직사각형 밭을 두르되 한 변은 강이라 울타리가 필요 없습니다. 넓이를 최대로 하려면? 강과 수직인 변을 x x x 라 하면 평행한 변은 100 − 2 x 100 - 2x 100 − 2 x , 넓이 A ( x ) = x ( 100 − 2 x ) A(x) = x(100 - 2x) A ( x ) = x ( 100 − 2 x ) , 0 ≤ x ≤ 50 0 \le x \le 50 0 ≤ x ≤ 50 . A ′ ( x ) = 100 − 4 x = 0 A'(x) = 100 - 4x = 0 A ′ ( x ) = 100 − 4 x = 0 에서 x = 25 x = 25 x = 25 , A ( 25 ) = 1250 A(25) = 1250 A ( 25 ) = 1250 m²이고 끝점에서는 0이므로 최대입니다.
예제 6.4 (깡통). 부피 V V V 인 원기둥 깡통의 겉넓이를 최소로 하려면? π r 2 h = V \pi r^2 h = V π r 2 h = V 에서 h = V / ( π r 2 ) h = V/(\pi r^2) h = V / ( π r 2 ) 이고 S ( r ) = 2 π r 2 + 2 π r h = 2 π r 2 + 2 V r S(r) = 2\pi r^2 + 2\pi rh = 2\pi r^2 + \frac{2V}{r} S ( r ) = 2 π r 2 + 2 π r h = 2 π r 2 + r 2 V 입니다. S ′ ( r ) = 4 π r − 2 V r 2 = 0 S'(r) = 4\pi r - \frac{2V}{r^2} = 0 S ′ ( r ) = 4 π r − r 2 2 V = 0 에서 V = 2 π r 3 V = 2\pi r^3 V = 2 π r 3 , 곧 h = 2 r h = 2r h = 2 r 입니다. 높이가 지름과 같을 때 재료가 가장 적게 듭니다.
예제 6.5 (빛의 굴절). 공기에서 속력 v 1 v_1 v 1 , 물에서 v 2 v_2 v 2 인 빛이 가장 짧은 시간이 걸리는 길을 따른다고 하면(페르마 원리), 시간을 미분해 0으로 두는 계산에서 sin θ 1 v 1 = sin θ 2 v 2 \frac{\sin\theta_1}{v_1} = \frac{\sin\theta_2}{v_2} v 1 s i n θ 1 = v 2 s i n θ 2 (스넬의 법칙)가 나옵니다.
6.3 선형근사
정의 6.6 (선형근사). a a a 근처에서 f ( x ) ≈ L ( x ) = f ( a ) + f ′ ( a ) ( x − a ) f(x) \approx L(x) = f(a) + f'(a)(x - a) f ( x ) ≈ L ( x ) = f ( a ) + f ′ ( a ) ( x − a ) . L L L 은 a a a 에서의 접선입니다.
예제 6.7. 4.1 \sqrt{4.1} 4.1 을 어림합니다. f ( x ) = x f(x) = \sqrt x f ( x ) = x , a = 4 a = 4 a = 4 이면 f ′ ( 4 ) = 1 / 4 f'(4) = 1/4 f ′ ( 4 ) = 1/4 이므로 4.1 ≈ 2 + 1 4 ( 0.1 ) = 2.025 \sqrt{4.1} \approx 2 + \frac14(0.1) = 2.025 4.1 ≈ 2 + 4 1 ( 0.1 ) = 2.025 입니다. (실제 2.02485 … 2.02485\ldots 2.02485 … )
예제 6.8. x x x 가 0에 가까우면 sin x ≈ x \sin x \approx x sin x ≈ x , e x ≈ 1 + x e^x \approx 1 + x e x ≈ 1 + x , ln ( 1 + x ) ≈ x \ln(1 + x) \approx x ln ( 1 + x ) ≈ x , ( 1 + x ) r ≈ 1 + r x (1 + x)^r \approx 1 + rx ( 1 + x ) r ≈ 1 + r x . 물리에서 진자의 작은 진동을 sin θ ≈ θ \sin\theta \approx \theta sin θ ≈ θ 로 푸는 것이 이 근사입니다.
정의 6.9 (미분). d x dx d x 를 x x x 의 변화량으로 두고 d y = f ′ ( x ) d x dy = f'(x)\,dx d y = f ′ ( x ) d x 를 y y y 의 미분 (differential)이라 합니다. 실제 변화량 Δ y = f ( x + d x ) − f ( x ) \Delta y = f(x + dx) - f(x) Δ y = f ( x + d x ) − f ( x ) 를 d y dy d y 로 어림합니다.
예제 6.10 (오차 전파). 반지름을 r = 10 r = 10 r = 10 cm로 재었는데 오차가 ± 0.1 \pm 0.1 ± 0.1 cm이면 구의 부피 V = 4 3 π r 3 V = \frac43\pi r^3 V = 3 4 π r 3 의 오차는 d V = 4 π r 2 d r = 4 π ⋅ 100 ⋅ 0.1 = 40 π ≈ 126 dV = 4\pi r^2 dr = 4\pi\cdot100\cdot0.1 = 40\pi \approx 126 d V = 4 π r 2 d r = 4 π ⋅ 100 ⋅ 0.1 = 40 π ≈ 126 cm³입니다. 상대오차는 d V V = 3 d r r = 3 % \frac{dV}{V} = 3\frac{dr}{r} = 3\% V d V = 3 r d r = 3% 로, 반지름의 상대오차 1%의 세 배입니다.
선형근사의 오차는 x − a x - a x − a 의 제곱에 비례합니다. 더 정확한 근사(이차, 삼차, …)는 12장의 테일러 다항식입니다.
6.4 뉴턴 방법
f ( x ) = 0 f(x) = 0 f ( x ) = 0 의 근을 찾을 때, 현재 어림값 x n x_n x n 에서의 접선이 x x x 축과 만나는 점을 다음 어림값으로 삼습니다.
정의 6.11 (뉴턴 방법). x n + 1 = x n − f ( x n ) f ′ ( x n ) x_{n+1} = x_n - \dfrac{f(x_n)}{f'(x_n)} x n + 1 = x n − f ′ ( x n ) f ( x n ) .
예제 6.12. 2 \sqrt2 2 , 곧 x 2 − 2 = 0 x^2 - 2 = 0 x 2 − 2 = 0 의 근. x n + 1 = x n − x n 2 − 2 2 x n = 1 2 ( x n + 2 x n ) x_{n+1} = x_n - \frac{x_n^2 - 2}{2x_n} = \frac12\left(x_n + \frac2{x_n}\right) x n + 1 = x n − 2 x n x n 2 − 2 = 2 1 ( x n + x n 2 ) 입니다.
n n n
x n x_n x n
맞는 자릿수
0
1
1
1
1.5
1
2
1.416666…
3
3
1.414215686…
6
4
1.414213562373…
12
근 근처에서는 맞는 자릿수가 매번 약 두 배가 됩니다(2차 수렴). 2장의 이분법(한 번에 한 비트)보다 훨씬 빠르지만, 시작점이 나쁘거나 f ′ ( x n ) f'(x_n) f ′ ( x n ) 이 0에 가까우면 엉뚱한 곳으로 갈 수 있습니다.
쓰이는 곳. 머신러닝의 학습은 손실 함수를 최소로 하는 최적화 문제이고, 뉴턴 방법은 이계도함수를 쓰는 최적화 알고리즘의 원형입니다. 선형근사는 물리의 작은 진동 근사와 오차 전파 계산에 쓰입니다.
6.5 이 장의 요약
닫힌구간: 임계점과 끝점의 값을 비교합니다.
최적화: 변수 하나의 함수와 구간으로 바꾸는 것이 절반입니다.
선형근사 f ( a ) + f ′ ( a ) ( x − a ) f(a) + f'(a)(x - a) f ( a ) + f ′ ( a ) ( x − a ) , 뉴턴 방법 x − f / f ′ x - f/f' x − f / f ′ .
문제
6.1 [계산] · 확인 문제
f ( x ) = 2 x 3 − 9 x 2 + 12 x f(x) = 2x^3 - 9x^2 + 12x f ( x ) = 2 x 3 − 9 x 2 + 12 x 의 [ 0 , 3 ] [0, 3] [ 0 , 3 ] 에서의 최댓값과 최솟값을 씁니다.
정답 풀이 f ′ ( x ) = 6 x 2 − 18 x + 12 = 6 ( x − 1 ) ( x − 2 ) f'(x) = 6x^2 - 18x + 12 = 6(x-1)(x-2) f ′ ( x ) = 6 x 2 − 18 x + 12 = 6 ( x − 1 ) ( x − 2 ) . f ( 0 ) = 0 f(0) = 0 f ( 0 ) = 0 , f ( 1 ) = 5 f(1) = 5 f ( 1 ) = 5 , f ( 2 ) = 4 f(2) = 4 f ( 2 ) = 4 , f ( 3 ) = 54 − 81 + 36 = 9 f(3) = 54 - 81 + 36 = 9 f ( 3 ) = 54 − 81 + 36 = 9 . 최댓값 9, 최솟값 0입니다.
6.2 [계산] · 확인 문제
정답 풀이 P ( x ) = x ( 20 − x ) P(x) = x(20 - x) P ( x ) = x ( 20 − x ) , P ′ ( x ) = 20 − 2 x = 0 P'(x) = 20 - 2x = 0 P ′ ( x ) = 20 − 2 x = 0 에서 x = 10 x = 10 x = 10 이고 P ( 10 ) = 100 P(10) = 100 P ( 10 ) = 100 입니다.
6.3 [계산] · 확인 문제
가로 12 cm, 세로 12 cm인 정사각형 판지의 네 귀퉁이에서 한 변이 x x x 인 정사각형을 잘라내고 접어 뚜껑 없는 상자를 만듭니다. 부피가 최대가 되는 x x x 는? (cm)
정답 풀이 V ( x ) = x ( 12 − 2 x ) 2 V(x) = x(12 - 2x)^2 V ( x ) = x ( 12 − 2 x ) 2 , 0 ≤ x ≤ 6 0 \le x \le 6 0 ≤ x ≤ 6 . V ′ ( x ) = ( 12 − 2 x ) 2 − 4 x ( 12 − 2 x ) = ( 12 − 2 x ) ( 12 − 6 x ) = 0 V'(x) = (12 - 2x)^2 - 4x(12 - 2x) = (12 - 2x)(12 - 6x) = 0 V ′ ( x ) = ( 12 − 2 x ) 2 − 4 x ( 12 − 2 x ) = ( 12 − 2 x ) ( 12 − 6 x ) = 0 에서 x = 2 x = 2 x = 2 또는 x = 6 x = 6 x = 6 입니다. V ( 2 ) = 2 ⋅ 64 = 128 V(2) = 2 \cdot 64 = 128 V ( 2 ) = 2 ⋅ 64 = 128 , 끝점에서는 0이므로 x = 2 x = 2 x = 2 입니다.
6.4 [계산]
선형근사로 8.06 3 \sqrt[3]{8.06} 3 8.06 을 어림한 값은?
정답 풀이 f ( x ) = x 1 / 3 f(x) = x^{1/3} f ( x ) = x 1/3 , a = 8 a = 8 a = 8 이면 f ′ ( 8 ) = 1 3 ⋅ 8 − 2 / 3 = 1 12 f'(8) = \frac13\cdot8^{-2/3} = \frac1{12} f ′ ( 8 ) = 3 1 ⋅ 8 − 2/3 = 12 1 . 8.06 3 ≈ 2 + 0.06 12 = 2.005 \sqrt[3]{8.06} \approx 2 + \frac{0.06}{12} = 2.005 3 8.06 ≈ 2 + 12 0.06 = 2.005 입니다.
6.5 [계산]
x 3 − 2 x − 5 = 0 x^3 - 2x - 5 = 0 x 3 − 2 x − 5 = 0 에 x 0 = 2 x_0 = 2 x 0 = 2 에서 뉴턴 방법을 한 번 쓴 x 1 x_1 x 1 은?
정답 풀이 f ( 2 ) = 8 − 4 − 5 = − 1 f(2) = 8 - 4 - 5 = -1 f ( 2 ) = 8 − 4 − 5 = − 1 , f ′ ( x ) = 3 x 2 − 2 f'(x) = 3x^2 - 2 f ′ ( x ) = 3 x 2 − 2 이므로 f ′ ( 2 ) = 10 f'(2) = 10 f ′ ( 2 ) = 10 . x 1 = 2 − ( − 1 ) / 10 = 2.1 x_1 = 2 - (-1)/10 = 2.1 x 1 = 2 − ( − 1 ) /10 = 2.1 입니다.
6.6 [증명]
둘레가 P P P 로 정해진 직사각형 가운데 넓이가 가장 큰 것은 정사각형임을 보입니다.
풀이 가로를 x x x 라 하면 세로는 P / 2 − x P/2 - x P /2 − x 이고 넓이는 A ( x ) = x ( P / 2 − x ) A(x) = x(P/2 - x) A ( x ) = x ( P /2 − x ) , 0 ≤ x ≤ P / 2 0 \le x \le P/2 0 ≤ x ≤ P /2 입니다. A ′ ( x ) = P / 2 − 2 x = 0 A'(x) = P/2 - 2x = 0 A ′ ( x ) = P /2 − 2 x = 0 에서 x = P / 4 x = P/4 x = P /4 이고 이때 세로도 P / 4 P/4 P /4 입니다. 끝점에서 넓이는 0이고 A ( P / 4 ) = P 2 / 16 > 0 A(P/4) = P^2/16 > 0 A ( P /4 ) = P 2 /16 > 0 이므로 최대입니다.