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)15Ta​333 °C387 °C

440 °C의 단조 강철 부품을 28 °C인 작업장에서 식힙니다. 15분 후 온도는 333 °C입니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. 시작 후 얼마나 지나야(t) 387 °C에 도달하나요?

T0 = 440 °CTa = 28 °CT(15) = 333 °CT = 387 °C
t = min
2.미분방정식어려움
t (min)m (kg)50 minm = ?

탱크에 소금 5 kg이 녹아 있는 물 500 L가 들어 있습니다. 리터당 소금 0.2 kg이 든 소금물이 2 L/min으로 들어오고, 잘 섞인 용액이 같은 속도로 흘러 나갑니다. 50분 후 탱크 속 소금의 양 m은(는) 얼마인가요?

V = 500 Lm0 = 5 kgc = 0.2 kg/Lr = 2 L/min
m = kg
3.행렬과 행렬식보통
A =5−2−3−2−31−3−30

주어진 3×3 행렬 A의 행렬식 det A를 구하세요.

A = [5 −2 −3; −2 −3 1; −3 −3 0]
det A =
4.행렬과 행렬식어려움
A =12−25b =0−2

연립방정식 x + 2y = 0, −2x + 5y = −2을 푸세요. x를 구하세요.

x + 2y = 0−2x + 5y = −2
x =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

벡터 a = (−6, 1, 6)와 b = (1, k, 2)가 서로 수직이 되는 k의 값을 구하시오.

a = (−6, 1, 6)b = (1, k, 2)
k =
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

a = (−4, 3, 0)와 b = (−4, 3, 3)가 만드는 평행사변형의 넓이 A을(를) 구하시오.

a = (−4, 3, 0)b = (−4, 3, 3)
A =
7.적분보통
xyπ/3y = x·cos x

I = ∫₀π/3 x·cos x dx (x는 라디안)을 계산하시오.

∫₀π/3 x·cos x dx
I =
8.적분어려움
xyy = 2x2​y = 2x

y = 2x2과 y = 2x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = 2x2y = 2x
A =
9.다변수 미적분보통
xy−4−20024PQ

f(x, y) = 3xy³ + 5x³ + 4y² + 2xy일 때 P(−2, 2)에서 Q(−3, 1) 방향으로의 방향 도함수 Duf을(를) 구하시오.

f(x, y) = 3xy³ + 5x³ + 4y² + 2xyP = (−2, 2)Q = (−3, 1)
Duf =
10.다변수 미적분어려움
xy−505−4−202(3, −1)(−3, −1)

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y의 임계점을 구해 분류하고, 극소에서 f의 값 fmin을(를) 구하시오.

f(x, y) = x³ − 27x + y² + 2y
fmin =
11.수열과 급수보통
k|aₖ|¹ᐟᵏ123456789101112

Σk=1∞ ((2k + 3)/(4k + 5))ᵏ에 근 판정법을 적용하시오. L = lim |ak|1/k을 구하시오.

ak = ((2k + 3)/(4k + 5))ᵏ
L =
12.수열과 급수어려움

f(x) = ln(1 + x)을(를) x = 0.1에서 4차 매클로린 다항식으로 근사한다. M = 4! = 24으로 라그랑주 오차 한계 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!을 써서 가능한 최대 오차 |R₄|을(를) 구하시오.

f(x) = ln(1 + x)n = 4x = 0.1M = 24
|R₄| =
13.라플라스 변환보통
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = 28/(s² + 10s + 16)이다. 이것의 역변환은 f(t) = A·e−2t + B·e−8t 꼴이다. 부분분수 전개로 계수 A을(를) 구하시오.

F(s) = 28/(s² + 10s + 16)
A =
14.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

어떤 시스템이 y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 2, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 2가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.1)을(를) 구하시오.

y″ + 7y′ + 12y = 48·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 2t = 0.1 s
y(0.1) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t21h(t)t41

펄스 x(t) = 1(0 ≤ t < 2 s, 그 밖에서는 0)가 임펄스 응답 h(t) = 1(0 ≤ t < 4 s, 그 밖에서는 0)인 시스템에 가해집니다. t = 5 s에서의 출력 y(5)을(를) 구하시오.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 4 st = 5 s
y(5) =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
5cos(4t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

입력 x(t) = 5·cos(4t)가 h(t) = 10·e−2tu(t)인 시스템에 가해집니다. 입력에 대한 정상상태 출력의 위상 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 5cos(4t)
φ = °

3용액

1.미분방정식

답: t = 6.869 min

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 상수

k = ln(412/305)/15 = 0.02005 min⁻¹

목표 온도까지 걸리는 시간

t = ln(412/359)/0.02005 = 6.869 min

답

t = 6.869 min
2.미분방정식

답: m = 22.22 kg

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.

방정식 세우기

dm/dt = 2·0.2 − (2/500)·m = 0.4 − 0.004·m

풀기

적분 인자는 ert/V이며, 해는 평형량 c·V에 가까워집니다.

m(t) = 100 + (−95)·e−t/250

t 대입

m(50) = 100 + (−95)·0.8187 = 22.22 kg

답

m = 22.22 kg
3.행렬과 행렬식

답: det A = 30

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 = 3, M₁₂ = 3, M₁₃ = −3

여인수 전개

det A = 5·3 − (−2)·3 + (−3)·(−3) = 30

답

det A = 30
4.행렬과 행렬식

답: x = 0.4444

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 = 1·5 − 2·(−2) = 9

x 열 바꾸기

det Aₓ = 0·5 − 2·(−2) = 4
x = 4/9 = 0.4444

답

x = 0.4444
y = −0.2222
5.벡터: 내적과 외적

답: k = −6

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 = (−6)·1 + 1·k + 6·2 = 0
6 + 1·k = 0

k 구하기

k = −6/1 = −6

답

k = −6
6.벡터: 내적과 외적

답: A = 15

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 = 3·3 − 0·3 = 9
(a × b)y = azbx − axbz = 0·(−4) − (−4)·3 = 12
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·3 − 3·(−4) = 0

면적

A = |a × b| = √(9² + 12² + 0²) = 15

답

A = 15
7.적분

답: I = 0.4069

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

원시함수

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

극한

(π/3·sin π/3 + cos π/3) − (0 + 1) = 0.4069

답

I = 0.4069
8.적분

답: A = 0.3333

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 = 2x → x = 0, x = 1

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [x2 − 0.6667x3]01 = 0.3333

답

A = 0.3333
9.다변수 미적분

답: Duf = −19.8

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 = 3y³ + 15x² + 2y → fx(−2, 2) = 88
fy = 9xy² + 8y + 2x → fy(−2, 2) = −60

단위 벡터

|v| = √((−1)² + (−1)²) = 1.414
u = (−0.7071, −0.7071)

내적

Duf = 88·(−0.7071) + (−60)·(−0.7071) = −19.8

답

Duf = −19.8
10.다변수 미적분

답: fmin = −55

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 − 27) = 0
fy = (2y + 2) = 0
(3, −1), (−3, −1)

이계 도함수 판정법

(3, −1): fxx = 18, fyy = 2, fxy = 0, D = 36 → 극소
(−3, −1): fxx = −18, fyy = 2, fxy = 0, D = −36 → 안장점

극값에서의 값

f(3, −1) = −55

답

fmin = −55
11.수열과 급수

답: L = 0.5

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)/(4k + 5) → 2/4

결론

L = 0.5 < 1

답

L = 0.5

L < 1이므로 급수는 수렴합니다.

12.수열과 급수

답: |R₄| = 2 × 10⁻⁶

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.

도함수의 한계

M = 4! = 24

라그랑주 한계

|R₄| ≤ 24·0.1⁵/5! = 2 × 10⁻⁶

답

|R₄| = 2 × 10⁻⁶

실제 오차는 더 작습니다: |f(0.1) − P₄(0.1)| = 1.846 × 10⁻⁶.

13.라플라스 변환

답: A = 4.667

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 + 10s + 16 = (s + 2)(s + 8)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 8)

가리기 규칙

(s + 2)를 곱하고 s = −2을 대입하세요. B항은 사라집니다.

A = 28/(s + 8) |s = −2 = 28/6 = 4.667

답

A = 4.667
(B = −4.667이므로 f(t) = 4.667·e−2t − 4.667·e−8t)
14.라플라스 변환

답: y(0.1) = 2.286

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 + 7s + 12)·Y(s) = 2s + 14 + 96/s
Y(s) = (2s² + 14s + 96)/(s(s + 3)(s + 4))

부분분수 전개

A = 96/(3·4) = 8
B = 72/((−3)·1) = −24
C = 72/((−4)·(−1)) = 18

결과

y(t) = 8 − 24·e−3t + 18·e−4t
y(0.1) = 2.286

답

y(0.1) = 2.286

확인: y(0) = A + B + C = 2.

15.합성곱과 LTI 시스템

답: y(5) = 1

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.

뒤집힌 펄스의 겹침

h(t − τ)는 h의 펄스를 뒤집어 τ = t에서 끝나도록 이동한 것입니다.

τ ∈ [1, 2] → 길이 1 s

적분

y(5) = 1·1·1 = 1

답

y(5) = 1

y(t)는 사다리꼴입니다. 0에서 올라가 2을(를) 유지하다가 t = 6 s에서 다시 0으로 내려갑니다.

16.합성곱과 LTI 시스템

답: φ = −63.43 °

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) = 10/(2 + jω)

입력 주파수에서의 위상

φ = −atan(4/2) = −63.43°

답

φ = −63.43°

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