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)13Ta​T = ?

3 °C의 탄산음료 캔을 냉장고에서 꺼내 29 °C인 방에 둡니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. k = 0.05 min⁻¹일 때 13분 후의 온도 T을(를) 구하세요.

T0 = 3 °CTa = 29 °Ck = 0.05 min⁻¹t = 13 min
T = °C
2.미분방정식어려움
xy13(1, 4)y(3) = ?

x > 0에서 초기값 문제 y′ + 2y/x = 6x2, y(1) = 4를 푸세요. y(3)을(를) 구하세요.

y′ + 2y/x = 6x2y(1) = 4
y(3) =
3.행렬과 행렬식보통
A =6−3−65B =6512

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

A = [6 −3; −6 5]B = [6 5; 1 2]
c22 =
4.행렬과 행렬식어려움
A =5−42−1

주어진 행렬 A의 더 큰 고윳값 λ를 구하세요.

A = [5 −4; 2 −1]
λ =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

a = (0, 7, −1)를 b = (−1, 0, 5) 위에 투영한 스칼라 투영 compb a, 즉 a의 b 방향 성분을 구하시오.

a = (0, 7, −1)b = (−1, 0, 5)
compb a =
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzrFOA

힘 F = (−50, −60, −60) N이 점 A(3, 4, 3)에 작용한다. 좌표의 단위는 미터이다. 점 O(1, 1, 0)에 대한 힘의 모멘트의 y성분 My을(를) 구하시오.

F = (−50, −60, −60) NA(3, 4, 3) mO(1, 1, 0) m
My = N·m
7.적분보통
xy01

I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx를 계산하세요.

f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.적분어려움
xyy = 0.5x2​y = 4x

y = 0.5x2과 y = 4x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = 0.5x2y = 4x
A =
9.다변수 미적분보통
xy−2024024PQ

f(x, y) = ln(x² + 3y²)일 때 P(1, 2)에서 Q(−1, −1) 방향으로의 방향 도함수 Duf을(를) 구하시오.

f(x, y) = ln(x² + 3y²)P = (1, 2)Q = (−1, −1)
Duf =
10.다변수 미적분어려움
xy2

R이 제1사분면에 있는 원판 x² + y² ≤ 4의 4분의 1일 때 극좌표를 써서 I = ∬R √(x² + y²) dA를 계산하시오.

f = √(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ π/2
I =
11.수열과 급수보통
AΣ 1/(k² + 3)k = 1 … ∞BΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ (2k + 1)/(k + 2)k = 1 … ∞DΣ 3/k²k = 1 … ∞

네 급수 중 정확히 하나가 발산한다. 그것을 클릭하세요.

A: Σ 1/(k² + 3)B: Σ 10ᵏ/k!C: Σ (2k + 1)/(k + 2)D: Σ 3/k²
  1. 1A: Σ 1/(k² + 3)
  2. 2B: Σ 10ᵏ/k!
  3. 3C: Σ (2k + 1)/(k + 2)
  4. 4D: Σ 3/k²
12.수열과 급수어려움

f(x) = sin x을(를) x = 2에서 n차 매클로린 다항식으로 근사한다. 라그랑주 한계 M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)!과 M = 1를 써서 오차가 1 × 10⁻⁵ 미만임을 보장하는 최소 차수 n을(를) 구하시오.

f(x) = sin xx = 2M = 1ε = 1 × 10⁻⁵
n =
13.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (5s + 37)/(s² + 6s + 9)의 f(t)를 구하고 f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = (5s + 37)/(s² + 6s + 9)t = 0.2 s
f(0.2) =
14.라플라스 변환어려움
ReIm−1−2−3−4−5−61

어떤 시스템이 미분방정식 y″ + 2y′ + 2y = 3u′ + 16u으로 기술되며, 입력은 u(t), 출력은 y(t)이다. 전달함수 G(s) = Y(s)/U(s)를 구하고(초기 조건은 0), t = 0.5 s에서 임펄스 응답 g(t)를 계산하시오. g(0.5)을(를) 구하시오.

y″ + 2y′ + 2y = 3u′ + 16ut = 0.5 s
g(0.5) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t22h(t)t11

펄스 x(t) = 2(0 ≤ t < 2 s)이 h(t)와 합성곱됩니다. h(t)는 t = 0에서 1이고 t = 1 s에서 0이 되도록 선형으로 감소하는 삼각형입니다. y(t) = x(t) ∗ h(t) 아래의 면적 Ay을(를) 구하시오.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(0) = 1, h(1) = 0
Ay =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
x(t)t (ms)0.5122−2

삼각파가 주기 T = 1 ms로 −2과 +2 사이를 선형으로 오르내립니다. 1000 Hz에서 푸리에 성분의 진폭 c1을(를) 구하시오.

±2T = 1 msf = 1000 Hz
c1 =

3용액

1.미분방정식

답: T = 15.43 °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 + (−26)·e−0.05t

t 대입

T(13) = 29 + (−26)·0.522 = 15.43 °C

답

T = 15.43 °C
2.미분방정식

답: y(3) = 32.71

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∫2/x dx = x2

적분하기

(x2y)′ = 6x4 → x2y = 6x5/5 + C

초기 조건

4 = 6/5 + C → C = 2.8

계산하기

y(3) = (6·35/5 + 2.8)/32 = 32.71

답

y(3) = 32.71
3.행렬과 행렬식

답: c22 = −20

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 = (−6)·5 + 5·2 = −20

답

c22 = −20
4.행렬과 행렬식

답: λ = 3

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.

특성방정식

λ² − (4)λ + (3) = 0

풀기

λ = (4 ± √(4))/2 → λ = 1, 3
λ = 3

답

λ = 3
5.벡터: 내적과 외적

답: compb a = −0.9806

내적: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ는 스칼라입니다. 두 벡터 사이의 각도를 cos θ = a·b/(|a|·|b|)로 구할 수 있고, 두 벡터가 수직이면 0입니다. a를 b 위에 투영한 스칼라 투영은 a·b/|b|이며, 일정한 힘 F가 변위 d만큼 움직이는 동안 한 일은 W = F·d입니다.

내적

a·b = 0·(−1) + 7·0 + (−1)·5 = −5

b의 길이

|b| = √((−1)² + 0² + 5²) = 5.099

스칼라 투영

compb a = a·b/|b| = −5/5.099 = −0.9806

답

compb a = −0.9806

음수: a는 b와 반대 방향의 성분을 가집니다.

6.벡터: 내적과 외적

답: My = −30 N·m

외적: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)는 두 벡터에 모두 수직이고, |a × b| = |a|·|b|·sin θ는 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이입니다(삼각형은 그 절반). 순서가 중요합니다: b × a = −(a × b). 점 A에 작용하는 힘 F의 점 O에 대한 모멘트는 MO = r × F이며, r = A − O입니다.

O에서 A로 가는 위치 벡터

r = A − O = (3, 4, 3) − (1, 1, 0) = (2, 3, 3) m

모멘트 M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·(−60) − 3·(−60) = 0 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 3·(−50) − 2·(−60) = −30 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 2·(−60) − 3·(−50) = 30 N·m

요청된 성분

My = −30 N·m

답

My = −30 N·m
7.적분

답: I = 3.75

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 = ∫12 u3 du

적분하고 대입하기

I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3.75

답

I = 3.75
8.적분

답: A = 42.67

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

0.5x2 = 4x → x = 0, x = 8

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [2x2 − 0.1667x3]08 = 42.67

답

A = 42.67
9.다변수 미적분

답: Duf = −0.8534

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 = 2x/(x² + 3y²) → fx(1, 2) = 0.1538
fy = 6y/(x² + 3y²) → fy(1, 2) = 0.9231

단위 벡터

|v| = √((−2)² + (−3)²) = 3.606
u = (−0.5547, −0.8321)

내적

Duf = 0.1538·(−0.5547) + 0.9231·(−0.8321) = −0.8534

답

Duf = −0.8534
10.다변수 미적분

답: I = 4.189

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).

극형식

I = ∫0π/2 ∫02 r·r dr dθ

적분하기

∫ r·r dr = [r³/3]
I = 4.189

답

I = 4.189
11.수열과 급수

답: C: Σ (2k + 1)/(k + 2)

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 1/(k² + 3) → 수렴하는 p-급수 1/k²보다 작습니다: 비교에 의해 수렴합니다.
B: Σ 10ᵏ/k! → 비율 판정법: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1이므로 수렴합니다.
C: Σ (2k + 1)/(k + 2) → 항이 0이 아니라 2(으)로 갑니다: n번째 항 판정법에 의해 발산합니다.
D: Σ 3/k² → p = 2 > 1인 p-급수: 수렴합니다.

답

C: Σ (2k + 1)/(k + 2)

답

C: Σ (2k + 1)/(k + 2)
12.수열과 급수

답: n = 11

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.

n(n + 1)!한계012122261.3333240.666741200.266757200.08889650400.02547403200.00634983628800.001411936288000.000282210399168005.131 × 10⁻⁵114790016008.551 × 10⁻⁶

n이 커질 때의 한계

n = 10: 5.131 × 10⁻⁵ ≥ 1 × 10⁻⁵
n = 11: 8.551 × 10⁻⁶ < 1 × 10⁻⁵

최소 차수

n = 11

답

n = 11
13.라플라스 변환

답: f(0.2) = 5.159

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 + 6s + 9 = (s + 3)²

부분분수 전개

5s + 37 = 5(s + 3) + 22
F(s) = 5/(s + 3) + 22/(s + 3)²

역변환

f(t) = 5·e−3t + 22·t·e−3t
f(0.2) = (5 + 22·0.2)·e−3·0.2 = 5.159

답

f(0.2) = 5.159
14.라플라스 변환

답: g(0.5) = 5.377

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).

전달함수

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 16)/(s² + 2s + 2)

부분분수 전개

s² + 2s + 2 = (s + 1)² + 1²
G(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 1²) + (13/1)·1/((s + 1)² + 1²)

임펄스 응답

g(t) = e−t·(3·cos 1t + 13·sin 1t)
g(0.5) = 5.377

답

g(0.5) = 5.377
15.합성곱과 LTI 시스템

답: Ay = 2

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 = 2·2 = 4
∫h dt = ½·1·1 = 0.5

출력의 면적

Ay = 4·0.5 = 2

답

Ay = 2
16.합성곱과 LTI 시스템

답: c1 = 1.621

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 = 1000 Hz → k = 1

진폭

c1 = 8·2/(π²·1²) = 1.621

답

c1 = 1.621

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