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
tyy(0) = 3y(1.5) = ?

y(0) = 3, y′(0) = 0일 때 y″ + 4y′ + 4y = 0을(를) 푸시오. y(1.5)을(를) 구하시오.

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1.5) =
2.미분방정식어려움
xy13(1, 1)y(3) = ?

x > 0에서 초기값 문제 y′ + y/x = 4x, y(1) = 1를 푸세요. y(3)을(를) 구하세요.

y′ + y/x = 4xy(1) = 1
y(3) =
3.행렬과 행렬식보통
A =−22−43−30−15−3

주어진 3×3 행렬 A의 행렬식 det A를 구하세요.

A = [−2 2 −4; 3 −3 0; −1 5 −3]
det A =
4.행렬과 행렬식어려움
A =−41−3−2b =−99

연립방정식 −4x + y = −9, −3x − 2y = 9을 푸세요. x를 구하세요.

−4x + y = −9−3x − 2y = 9
x =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzdFAB

일정한 힘 F = (0, −20, −30) N이 물체에 작용하는 동안, 물체가 점 A(−3, 0, −4)에서 점 B(−4, 0, −2)까지 직선으로 움직인다. 좌표의 단위는 미터이다. 이 힘이 한 일 W을(를) 구하시오.

F = (0, −20, −30) NA(−3, 0, −4) mB(−4, 0, −2) m
W = J
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzabc

한 꼭짓점에서 나오는 모서리가 a = (2, −2, 5), b = (−5, −1, −5), c = (2, 1, 2)인 평행육면체의 부피 V을(를) 구하시오.

a = (2, −2, 5)b = (−5, −1, −5)c = (2, 1, 2)
V =
7.적분보통
xy02

I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx를 계산하세요.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
8.적분어려움
xyy = 2x2​y = 3x

y = 2x2과 y = 3x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = 2x2y = 3x
A =
9.다변수 미적분보통
xy−500246PQ

f(x, y) = −x³y³ − x³ − 3y² − 3xy일 때 P(−1, 3)에서 Q(2, 3) 방향으로의 방향 도함수 Duf을(를) 구하시오.

f(x, y) = −x³y³ − x³ − 3y² − 3xyP = (−1, 3)Q = (2, 3)
Duf =
10.다변수 미적분어려움
xy−202−2−101AB

표시된 점들은 f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y의 임계점이다. 극소를 클릭하세요.

f(x, y) = x³ − 3x + y² + 2y
  1. 1A (−1, −1)
  2. 2B (1, −1)
11.수열과 급수보통
AΣ (3/5)ᵏk = 1 … ∞BΣ 1/√kk = 1 … ∞CΣ 1/(2ᵏ + k)k = 1 … ∞DΣ (−1)ᵏ/√kk = 1 … ∞

네 급수 중 정확히 하나가 발산한다. 그것을 클릭하세요.

A: Σ (3/5)ᵏB: Σ 1/√kC: Σ 1/(2ᵏ + k)D: Σ (−1)ᵏ/√k
  1. 1A: Σ (3/5)ᵏ
  2. 2B: Σ 1/√k
  3. 3C: Σ 1/(2ᵏ + k)
  4. 4D: Σ (−1)ᵏ/√k
12.수열과 급수어려움

급수를 알아보고 그 합 S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!을(를) 구하시오.

ak = (−1)ᵏ·22k+1/(2k + 1)!
S =
13.라플라스 변환보통
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (4s + 8)/(s² + 9s + 18)이다. 이것의 역변환은 f(t) = A·e−3t + B·e−6t 꼴이다. 부분분수 전개로 계수 A을(를) 구하시오.

F(s) = (4s + 8)/(s² + 9s + 18)
A =
14.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 1.2y(1.2) = ?

어떤 시스템이 y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)을(를) 따른다. 정지 상태(y(0) = 0, y′(0) = 0)에서 시작하며, 입력은 t ≥ 0에서 계단 u(t) = 1이다. 라플라스 변환으로 출력 y(1.2)을(를) 구하시오.

y″ + 4y′ + 3y = 9·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 1.2 s
y(1.2) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t45h(t)t13

펄스 x(t) = 5(0 ≤ t < 4 s)이 펄스 h(t) = 3(0 ≤ t < 1 s)와 합성곱됩니다. y(t) = x(t) ∗ h(t) 아래의 면적 Ay을(를) 구하시오.

x(t) = 5, 0 ≤ t < 4 sh(t) = 3, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
x(t)t (ms)1241−1

삼각파가 주기 T = 2 ms로 −1과 +1 사이를 선형으로 오르내립니다. 2500 Hz에서 푸리에 성분의 진폭 c5을(를) 구하시오.

±1T = 2 msf = 2500 Hz
c5 =

3용액

1.미분방정식

답: y(1.5) = 0.5974

2계 선형 방정식: y″ + b·y′ + c·y = 0에서 y = ert를 시도하면 특성방정식 r² + b·r + c = 0을 얻습니다. 서로 다른 두 실근 r₁ ≠ r₂이면 y = A·er₁t + B·er₂t(과감쇠), 중근 r이면 y = (A + Bt)·ert(임계감쇠), 복소근 −α ± jω이면 y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt)(부족감쇠, 진동)입니다. 초기값 y(0)과 y′(0)이 A와 B를 정합니다. y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0으로 쓰면 ωn은 고유 진동수, ζ는 감쇠비이며, ζ < 1이면 진동합니다. 입력이 일정한 y″ + by′ + cy = c·K의 해는 정상값 K에 자유 응답을 더한 것입니다.

중근

(r + 2)² = 0 → r = −2

상수

A = y(0) = 3
y′(0) = B − 2A → B = 0 + 6 = 6

계산하기

y(1.5) = (3 + 6·1.5)·e−3 = 0.5974

답

y(1.5) = 0.5974
2.미분방정식

답: y(3) = 11.89

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∫1/x dx = x1

적분하기

(x1y)′ = 4x2 → x1y = 4x3/3 + C

초기 조건

1 = 4/3 + C → C = −0.3333

계산하기

y(3) = (4·33/3 + (−0.3333))/31 = 11.89

답

y(3) = 11.89
3.행렬과 행렬식

답: det A = −48

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.

첫째 행의 2×2 소행렬식

M₁₁ = 9, M₁₂ = −9, M₁₃ = 12

여인수 전개

det A = (−2)·9 − 2·(−9) + (−4)·12 = −48

답

det A = −48
4.행렬과 행렬식

답: x = 0.8182

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 = (−4)·(−2) − 1·(−3) = 11

x 열 바꾸기

det Aₓ = (−9)·(−2) − 1·9 = 9
x = 9/11 = 0.8182

답

x = 0.8182
y = −5.727
5.벡터: 내적과 외적

답: W = −60 J

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.

변위

d = B − A = (−4, 0, −2) − (−3, 0, −4) = (−1, 0, 2) m

일

W = F·d = 0·(−1) + (−20)·0 + (−30)·2 = −60 J

답

W = −60 J

음의 일: 힘이 대부분 운동에 반대로 작용합니다.

6.벡터: 내적과 외적

답: V = 9

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−1)·2 − (−5)·1 = 3
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·2 − (−5)·2 = 0
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·1 − (−1)·2 = −3

a와의 내적

a·(b × c) = 2·3 + (−2)·0 + 5·(−3) = −9
V = |−9| = 9

답

V = 9
7.적분

답: I = 156

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.

치환적분

u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du

적분하고 대입하기

I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156

답

I = 156
8.적분

답: A = 1.125

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

2x2 = 3x → x = 0, x = 1.5

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [1.5x2 − 0.6667x3]01.5 = 1.125

답

A = 1.125
9.다변수 미적분

답: Duf = −93

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.

그 점에서의 그래디언트

fx = −3x²y³ − 3x² − 3y → fx(−1, 3) = −93
fy = −3x³y² − 6y − 3x → fy(−1, 3) = 12

단위 벡터

|v| = √(3² + 0²) = 3
u = (1, 0)

내적

Duf = (−93)·1 + 12·0 = −93

답

Duf = −93
10.다변수 미적분

답: B (1, −1)

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).

임계점

fx = 0과 fy = 0을 연립해서 푸세요.

fx = (3x² − 3) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(1, −1), (−1, −1)

이계 도함수 판정법

(1, −1): fxx = 6, fyy = 2, fxy = 0, D = 12 → 극소
(−1, −1): fxx = −6, fyy = 2, fxy = 0, D = −12 → 안장점

그 점

B (1, −1): 극소

답

B (1, −1)
11.수열과 급수

답: B: Σ 1/√k

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.

각 급수 판정하기

A: Σ (3/5)ᵏ → r = 3/5, |r| < 1인 등비급수: 수렴합니다.
B: Σ 1/√k → p = 1/2 ≤ 1인 p-급수: 발산합니다.
C: Σ 1/(2ᵏ + k) → 수렴하는 등비급수 (1/2)ᵏ보다 작습니다: 비교에 의해 수렴합니다.
D: Σ (−1)ᵏ/√k → 교대급수이고 1/√k이 0으로 감소합니다: (조건부) 수렴합니다.

답

B: Σ 1/√k

답

B: Σ 1/√k
12.수열과 급수

답: S = 0.9093

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.

표준 급수

Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x

대입하기

x = 2
S = sin 2 = 0.9093

답

S = 0.9093
13.라플라스 변환

답: A = −1.333

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).

분모 인수분해

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 6)

가리기 규칙

(s + 3)를 곱하고 s = −3을 대입하세요. B항은 사라집니다.

A = (4s + 8)/(s + 6) |s = −3 = −4/3 = −1.333

답

A = −1.333
(B = 5.333이므로 f(t) = −1.333·e−3t + 5.333·e−6t)
14.라플라스 변환

답: y(1.2) = 1.686

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

Y(s) = 9/(s(s + 1)(s + 3))

부분분수 전개

A = 9/(1·3) = 3
B = 9/((−1)·2) = −4.5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1.5

배설량

y(t) = 3 − 4.5·e−t + 1.5·e−3t
y(1.2) = 1.686

답

y(1.2) = 1.686
15.합성곱과 LTI 시스템

답: Ay = 60

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.

입력의 면적

∫x dt = 5·4 = 20
∫h dt = 3·1 = 3

출력의 면적

Ay = 20·3 = 60

답

Ay = 60
16.합성곱과 LTI 시스템

답: c5 = 0.03242

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.

고조파 차수

f₀ = 1/T = 500 Hz → k = 5

진폭

c5 = 8·1/(π²·5²) = 0.03242

답

c5 = 0.03242

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