공업수학 2: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 16개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

미분방정식

지수적 성장/감소
dy/dt = ky → y = y0ekt
반감기
k = ln 2 / t½
뉴턴의 냉각 법칙
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
적분 인자
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
혼합 탱크
dm/dt = r·c − (r/V)·m

행렬과 행렬식

2×2 행렬식
det = ad − bc
2×2 역행렬
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
제품
(AB)ij = Σk AikBkj
고윳값
det(A − λI) = 0
크라메르 공식
xi = det(Ai)/det(A)

벡터: 내적과 외적

크기
|a| = √(ax² + ay² + az²)
단위 벡터
û = a/|a|
각도에서 성분 구하기
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
내적
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a를 b 위에 투영한 스칼라 투영
a·b/|b|
일
W = F·d
외적
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
넓이
평행사변형 |a × b|, 삼각형 ½|a × b|
O에 대한 모멘트
MO = r × F, r = A − O
평행육면체의 부피
V = |a·(b × c)|

방법

  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘은 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 길이와 방향에는 크기 √(x² + y² + z²)와 단위 벡터 a/|a|를 쓰세요.
  3. 각도, 투영, 수직 여부, 일에는 내적을 쓰세요: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 수직 벡터, 넓이, 모멘트에는 외적을 쓰세요. 세 성분을 조심스럽게 쓰고 순서 a × b를 지키세요.

적분

거듭제곱 미분법
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
정적분
∫ab f dx = F(b) − F(a)
주요 적분
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
곡선 사이의 넓이
∫ab (f − g) dx

방법

  1. 가능하면 피적분 함수를 간단한 항들의 합으로 다시 쓰세요.
  2. 거듭제곱 법칙 ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)과 ex, 1/x, sin, cos의 기본 적분을 적용하세요.
  3. 함수와 그 도함수가 함께 보이면 치환을 쓰세요.
  4. 정적분은 F(b) − F(a)를 계산하세요.

다변수 미적분

편도함수
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
기울기
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
방향 도함수
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
접평면
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
연쇄 법칙
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
이계 도함수 판정법
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
이중적분
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
극좌표
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

방법

  1. 편도함수는 다른 변수를 상수로 다루고 일변수 규칙을 쓰세요.
  2. 그래디언트 문제는 그 점에서 ∇f = (fx, fy)를 계산하세요. 가장 가파른 기울기에는 |∇f|를, 방향 도함수에는 단위벡터 u와의 ∇f·u를 쓰세요.
  3. 극값은 fx = 0과 fy = 0을 연립해서 풀고, 모든 점을 D = fxx·fyy − fxy²로 분류하세요.
  4. 이중적분은 영역을 스케치하고, 안쪽 한계가 경계 곡선이 되도록 순서(원판은 극좌표)를 고르고, 안쪽부터 적분하세요.

수열과 급수

등차수열
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
등비수열
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
무한 등비급수
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-급수
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
비율 판정법
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
수렴 반지름
R = lim |ck/ck+1|
테일러 다항식
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
매클로린 급수
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
라그랑주 오차 한계
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

방법

  1. 종류를 파악하세요: 등차(일정한 차), 등비(일정한 비), 표준 급수, 멱급수, 테일러 다항식.
  2. 합에는 Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), 또는 |r| < 1일 때 S = a₁/(1 − r)을 쓰세요. a₁은 합의 첫째 항입니다.
  3. 수렴은 먼저 n번째 항 판정법을 쓰고, 그다음 Σ1/kᵖ이나 등비급수와 비교하며, 팩토리얼과 k제곱에는 비율 판정법이나 근 판정법을 쓰세요.
  4. 테일러 다항식은 f(a), f′(a), f″(a), …를 나열하고, k계 도함수를 k!로 나누며, 오차는 M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!로 한정하세요.

합성곱과 LTI 시스템

이산 합성곱
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
연속 합성곱
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
길이와 합
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
시작, 끝, 면적
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t)에 대한 계단 입력
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
1차 시스템
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
1차 점화식
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t)를 통과하는 정현파
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
푸리에 급수 진폭
구형파 ±A: 4A/(kπ), 홀수 k; 삼각파 ±A: 8A/(π²k²), 홀수 k; 펄스열: A·D와 (2A/(kπ))|sin kπD|

방법

  1. 두 신호를 모두 스케치하고 각각 0이 아닌 구간을 표시하세요.
  2. h를 뒤집어 밀어 보세요. 각 출력 시각마다 두 신호가 겹치는 구간을 찾습니다.
  3. 그 겹치는 구간에서만 곱해 더하세요(이산) 또는 곱해 적분하세요(연속).
  4. 결과를 확인하세요. 출력은 시작 시각의 합에서 시작해 끝 시각의 합에서 끝나며, 면적이나 합은 입력의 면적이나 합의 곱입니다.

2연습 문제

1.미분방정식보통
t (min)T (°C)20Ta​T = ?

360 °C의 단조 강철 부품을 29 °C인 작업장에서 식힙니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. k = 0.04 min⁻¹일 때 20분 후의 온도 T을(를) 구하세요.

T0 = 360 °CTa = 29 °Ck = 0.04 min⁻¹t = 20 min
T = °C
2.미분방정식어려움
xy13(1, 1)y(3) = ?

x > 0에서 초기값 문제 y′ + 3y/x = 3, y(1) = 1를 푸세요. y(3)을(를) 구하세요.

y′ + 3y/x = 3y(1) = 1
y(3) =
3.행렬과 행렬식보통
A =−161−5B =−41−3−3

주어진 행렬에 대해 C = AB라 합시다. 성분 c22(2행 2열)를 구하세요.

A = [−1 6; 1 −5]B = [−4 1; −3 −3]
c22 =
4.행렬과 행렬식어려움
A =−1−15−1b =−12−4

연립방정식 −x − y = −12, 5x − y = −4을 푸세요. x를 구하세요.

−x − y = −125x − y = −4
x =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

벡터 a = (−3, −5, −3)와 b = (2, −2, k)가 서로 수직이 되는 k의 값을 구하시오.

a = (−3, −5, −3)b = (2, −2, k)
k =
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

단위 벡터 n̂은(는) a = (−4, −1, 4)와 b = (5, −2, 3)에 모두 수직이고 z성분이 양수이다. 그 y성분 n̂y을(를) 구하시오.

a = (−4, −1, 4)b = (5, −2, 3)n̂z > 0
n̂y =
7.적분보통
xy15y = x ln x

I = ∫₁5 x·ln x dx을(를) 계산하시오.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.적분어려움
xyy = x2​y = 3x

y = x2과 y = 3x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = x2y = 3x
A =
9.다변수 미적분보통

z = 4xy² + x³ − 4y² − xy이고 x = −3t − 1, y = t² − 2이다. 연쇄 법칙을 이용해 t = 0에서 dz/dt을(를) 구하시오.

z = 4xy² + x³ − 4y² − xyx = −3t − 1y = t² − 2t = 0
dz/dt =
10.다변수 미적분어려움
xyx = 1.5y = x1.5

적분 I = ∫01.5 ∫y1.5 cos(x²) dx dy은(는) 이 순서로는 계산할 수 없다. 적분 순서를 바꾸어 계산하시오.

f = cos(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1.5
I =
11.수열과 급수보통
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Σk=1∞ ((2k + 3)/(5k + 1))ᵏ에 근 판정법을 적용하시오. L = lim |ak|1/k을 구하시오.

ak = ((2k + 3)/(5k + 1))ᵏ
L =
12.수열과 급수어려움
xyfP₂0.5

f(x) = 1/(1 + x)의 2차 매클로린 다항식으로 f(0.5)을(를) 근사하시오. P₂(0.5)을(를) 구하시오.

f(x) = 1/(1 + x)n = 2x = 0.5
P₂(0.5) =
13.라플라스 변환보통
ReIm−5−10−15−20

완전제곱식으로 만들어 F(s) = (2s + 39)/(s² + 8s + 25)의 f(t)를 구하고, f(0.4)을(를) 계산하시오.

F(s) = (2s + 39)/(s² + 8s + 25)t = 0.4 s
f(0.4) =
14.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

어떤 시스템이 y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 6, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 5가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.1)을(를) 구하시오.

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.1 s
y(0.1) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t5h(t)t21

시스템의 임펄스 응답이 h(t) = e−0.5tu(t)입니다. 입력은 계단 입력 x(t) = 5·u(t)입니다. t = 8 s에서의 출력 y(8)을(를) 구하시오.

h(t) = e−0.5tu(t)x(t) = 5·u(t)t = 8 s
y(8) =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
5cos(7.5t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

입력 x(t) = 5·cos(7.5t)가 h(t) = 5·e−10tu(t)인 시스템에 가해집니다. 입력에 대한 정상상태 출력의 위상 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(7.5t)
φ = °

3용액

1.미분방정식

답: T = 177.7 °C

1계 미분방정식: dy/dt = k·y의 해는 y = y₀·ekt입니다(k > 0이면 성장, k < 0이면 감소). 반감기가 T이면 k = ln 2/T입니다. 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)의 해는 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt입니다. 선형 방정식 y′ + p(x)·y = q(x)는 적분 인자 μ = e∫p dx로 풉니다: (μy)′ = μq이므로 μy = ∫μq dx + C.

냉각 법칙의 해

T(t) = 29 + 331·e−0.04t

t 대입

T(20) = 29 + 331·0.4493 = 177.7 °C

답

T = 177.7 °C
2.미분방정식

답: y(3) = 2.259

1계 미분방정식: dy/dt = k·y의 해는 y = y₀·ekt입니다(k > 0이면 성장, k < 0이면 감소). 반감기가 T이면 k = ln 2/T입니다. 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)의 해는 T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt입니다. 선형 방정식 y′ + p(x)·y = q(x)는 적분 인자 μ = e∫p dx로 풉니다: (μy)′ = μq이므로 μy = ∫μq dx + C.

적분 인자

μ = e∫3/x dx = x3

적분하기

(x3y)′ = 3x3 → x3y = 3x4/4 + C

초기 조건

1 = 3/4 + C → C = 0.25

계산하기

y(3) = (3·34/4 + 0.25)/33 = 2.259

답

y(3) = 2.259
3.행렬과 행렬식

답: c22 = 16

행렬: 2×2 행렬의 행렬식은 ad − bc입니다. 3×3은 한 행을 따라 전개합니다: 각 성분에 그 행과 열을 지우고 남은 2×2 행렬의 행렬식을 곱하고, 부호는 + − +로 번갈아 붙입니다. 고윳값 λ는 det(A − λI) = 0을 만족하며, 2×2에서는 λ² − (대각합)·λ + det = 0입니다.

행 × 열

c22 = 1·1 + (−5)·(−3) = 16

답

c22 = 16
4.행렬과 행렬식

답: x = 1.333

행렬: 2×2 행렬의 행렬식은 ad − bc입니다. 3×3은 한 행을 따라 전개합니다: 각 성분에 그 행과 열을 지우고 남은 2×2 행렬의 행렬식을 곱하고, 부호는 + − +로 번갈아 붙입니다. 고윳값 λ는 det(A − λI) = 0을 만족하며, 2×2에서는 λ² − (대각합)·λ + det = 0입니다.

계수 행렬의 행렬식

det A = (−1)·(−1) − (−1)·5 = 6

x 열 바꾸기

det Aₓ = (−12)·(−1) − (−1)·(−4) = 8
x = 8/6 = 1.333

답

x = 1.333
y = 10.67
5.벡터: 내적과 외적

답: k = 1.333

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

내적이 0

a·b = (−3)·2 + (−5)·(−2) + (−3)·k = 0
4 + (−3)·k = 0

k 구하기

k = −4/(−3) = 1.333

답

k = 1.333
6.벡터: 내적과 외적

답: n̂y = 0.9169

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

외적

(a × b)x = aybz − azby = (−1)·3 − 4·(−2) = 5
(a × b)y = azbx − axbz = 4·5 − (−4)·3 = 32
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−2) − (−1)·5 = 13

정규화

a × b의 z성분은 이미 양수입니다.

|a × b| = √(5² + 32² + 13²) = 34.9
n̂ = (5, 32, 13)/34.9 = (0.1433, 0.9169, 0.3725)
n̂y = 0.9169

답

n̂y = 0.9169
7.적분

답: I = 14.12

부분적분: ∫u·dv = u·v − ∫v·du이며, 곱의 미분법에서 나옵니다. u는 미분하면 더 간단해지는 인수(x의 거듭제곱 또는 ln x)로, dv는 적분할 수 있는 인수(eˣ, sin x, cos x, 또는 u = ln x일 때의 x)로 고르세요. 정적분에서는 u·v를 양 끝에서 계산합니다: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. x² 인수는 두 번 적용해야 합니다.

u와 dv 고르기

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

원시함수

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

극한

(12.5·ln 5 − 6.25) − (0 − 0.25) = 14.12

답

I = 14.12
8.적분

답: A = 4.5

정적분: ∫ₐᵇ f(x) dx는 a부터 b까지 그래프와 x축 사이의 부호 있는 넓이입니다. 원시함수 F(F′ = f)를 구하고 F(b) − F(a)를 계산합니다. 거듭제곱 법칙: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). 두 곡선 사이의 넓이는 ∫(위 − 아래) dx입니다.

교점

x2 = 3x → x = 0, x = 3

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [1.5x2 − 0.3333x3]03 = 4.5

답

A = 4.5
9.다변수 미적분

답: dz/dt = −63

그래디언트: ∇f = (fx, fy)는 가장 가파르게 증가하는 방향을 가리키며, |∇f|는 가장 큰 변화율입니다. 방향 v를 따른 방향 도함수는 단위벡터 u = v/|v|에 대해 Duf = ∇f·u입니다. (a, b)에서의 접평면은 z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b)이며, 그 점 근처에서 f의 선형 근사를 줍니다. 연쇄 법칙: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.

점과 변화율

x(0) = −1, y(0) = −2
dx/dt = −3, dy/dt = 2t = 0

편도함수

fx = 4y² + 3x² − y = 21
fy = 8xy − 8y − x = 33

연쇄 법칙

dz/dt = 21·(−3) + 33·0 = −63

답

dz/dt = −63
10.다변수 미적분

답: I = 0.389

임계점과 이중적분: 임계점에서는 fx = fy = 0입니다. D = fxxfyy − fxy²를 쓰는 이계 도함수 판정법: D > 0이고 fxx > 0이면 극소, D > 0이고 fxx < 0이면 극대, D < 0이면 안장점, D = 0이면 아무것도 결정하지 못합니다. 일반적인 영역 위의 이중적분에서는 안쪽 적분 한계를 영역을 둘러싸는 곡선으로 두고, 원판과 부채꼴에는 극좌표 x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ를 쓰세요(인수 r을 잊지 마세요).

영역

0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 1.5

바꾼 순서

I = ∫01.5 ∫0x cos(x²) dy dx = ∫01.5 x·cos(x²) dx

치환 u = x²

I = [sin(x²)/2]01.5 = 0.389

답

I = 0.389
11.수열과 급수

답: L = 0.4

수렴: 항이 0으로 가지 않으면 급수는 발산합니다(n번째 항 판정법). Σ1/kᵖ은 p > 1일 때만, Σrᵏ은 |r| < 1일 때만 수렴합니다. k가 클 때 항이 이들과 비슷하게 행동하면 비교하세요. 비율 판정법: L = lim |ak+1/ak|, 근 판정법: L = lim |ak|1/k. L < 1이면 수렴, L > 1이면 발산, L = 1이면 아무것도 결정하지 못합니다. 멱급수 Σck(x − x₀)ᵏ은 R = lim |ck/ck+1|일 때 |x − x₀| < R에서 수렴합니다. 항이 0으로 감소하는 교대급수는 수렴합니다.

항의 k제곱근

|ak|1/k = (2k + 3)/(5k + 1) → 2/5

결론

L = 0.4 < 1

답

L = 0.4

L < 1이므로 급수는 수렴합니다.

12.수열과 급수

답: P₂(0.5) = 0.75

테일러 다항식: x = a 근처에서 매끄러운 함수는 Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!으로 근사되며, a = 0이면 매클로린 다항식입니다. 표준 급수: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. 라그랑주 오차 한계: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!이며, M은 a와 x 사이에서 |f⁽ⁿ⁺¹⁾|의 최댓값입니다.

매클로린 다항식

P₂(x) = 1 − x + x²

대입하기

P₂(0.5) = 1 − 0.5 + 0.25 = 0.75

답

P₂(0.5) = 0.75

정확한 값은 f(0.5) = 0.666667입니다. 항을 더 많이 쓰거나 0에 더 가까운 점을 택하면 오차 −0.0833333이(가) 줄어듭니다.

13.라플라스 변환

답: f(0.4) = 2.091

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

완전제곱식 만들기

s² + 8s + 25 = (s + 4)² + 9 = (s + 4)² + 3²

분자 맞추기

F(s) = 2·(s + 4)/((s + 4)² + 3²) + (31/3)·3/((s + 4)² + 3²)

역변환

f(t) = e−4t·(2·cos 3t + 10.33·sin 3t)
f(0.4) = e−4·0.4·(2·cos(3·0.4) + 10.33·sin(3·0.4)) = 2.091

답

f(0.4) = 2.091
14.라플라스 변환

답: y(0.1) = 5.942

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

방정식 변환하기

(s² + 8s + 15)·Y(s) = 6s + 48 + 75/s
Y(s) = (6s² + 48s + 75)/(s(s + 3)(s + 5))

부분분수 전개

A = 75/(3·5) = 5
B = −15/((−3)·2) = 2.5
C = −15/((−5)·(−2)) = −1.5

결과

y(t) = 5 + 2.5·e−3t − 1.5·e−5t
y(0.1) = 5.942

답

y(0.1) = 5.942

확인: y(0) = A + B + C = 6.

15.합성곱과 LTI 시스템

답: y(8) = 9.817

연속 합성곱: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. h를 뒤집어 위치 t까지 밀고 겹치는 부분의 곱을 적분합니다. 인과 신호에서는 적분 구간이 0에서 t까지입니다. 유용한 결과: y의 면적은 x의 면적과 h의 면적의 곱입니다. x가 t₁부터 t₂까지, h가 t₃부터 t₄까지 지속되면 y는 t₁ + t₃부터 t₂ + t₄까지 지속됩니다. h(t) = e−atu(t)이고 높이 A의 계단 입력이면 y(t) = (A/a)(1 − e−at)입니다.

계단 입력과의 합성곱

y(t) = 5·∫₀ᵗ e−0.5τ dτ = (5/0.5)·(1 − e−0.5t)

계산하기

y(8) = 10·(1 − e−4) = 9.817

답

y(8) = 9.817
16.합성곱과 LTI 시스템

답: φ = −36.87 °

임펄스 응답과 푸리에 급수: 임펄스 응답 h(t)는 LTI 시스템을 완전히 기술합니다. y′ + a·y = b·x에서는 h(t) = b·e−atu(t)이고, y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n]에서는 h[n] = b·aⁿu[n]입니다. 정현파 cos ωt는 이득 |H(jω)|와 위상 ∠H(jω)를 받으며 통과합니다. 여기서 H는 h의 푸리에 변환입니다. 주기 신호는 k/T의 고조파들의 합입니다. ±A의 구형파는 홀수 고조파만 가지며 진폭이 4A/(kπ)이고, 최댓값 A의 삼각파는 8A/(π²k²), 높이 A이고 듀티비 D인 펄스열은 평균이 A·D이며 고조파가 (2A/(kπ))·|sin(kπD)|입니다.

주파수 응답

H(jω) = 5/(10 + jω)

입력 주파수에서의 위상

φ = −atan(7.5/10) = −36.87°

답

φ = −36.87°

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