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)29Ta​T = ?

3 °C의 탄산음료 캔을 냉장고에서 꺼내 24 °C인 방에 둡니다. 이것은 뉴턴의 냉각 법칙 dT/dt = −k·(T − Tₐ)를 따릅니다. k = 0.09 min⁻¹일 때 29분 후의 온도 T을(를) 구하세요.

T0 = 3 °CTa = 24 °Ck = 0.09 min⁻¹t = 29 min
T = °C
2.미분방정식어려움
t (min)m (kg)t = ?175 kg

탱크에 순수한 물 1000 L가 들어 있습니다. 리터당 소금 0.25 kg이 든 소금물이 2 L/min으로 들어오고, 잘 섞인 용액이 같은 속도로 흘러 나갑니다. 몇 분 t 후에 탱크에 소금이 175 kg 들어 있게 되나요?

V = 1000 Lm0 = 0 kgc = 0.25 kg/Lr = 2 L/min
t = min
3.행렬과 행렬식보통
A =1−22−1−4−3114

주어진 3×3 행렬 A의 행렬식 det A를 구하세요.

A = [1 −2 2; −1 −4 −3; 1 1 4]
det A =
4.행렬과 행렬식어려움
A =2−1−5−5b =8−8

연립방정식 2x − y = 8, −5x − 5y = −8을 푸세요. x를 구하세요.

2x − y = 8−5x − 5y = −8
x =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzdFAB

일정한 힘 F = (−15, 0, 25) N이 물체에 작용하는 동안, 물체가 점 A(−1, 0, −3)에서 점 B(−4, 4, 3)까지 직선으로 움직인다. 좌표의 단위는 미터이다. 이 힘이 한 일 W을(를) 구하시오.

F = (−15, 0, 25) NA(−1, 0, −3) mB(−4, 4, 3) m
W = J
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzrFOA

힘 F = (−40, 0, 50) N이 점 A(−1, −3, −1)에 작용한다. 좌표의 단위는 미터이다. 점 O(2, 2, −1)에 대한 힘의 모멘트의 x성분 Mx을(를) 구하시오.

F = (−40, 0, 50) NA(−1, −3, −1) mO(2, 2, −1) m
Mx = N·m
7.적분보통
xy2y = 3x

y = 3x 아래의 영역을 x = 0에서 x = 2까지 x축 둘레로 회전시킵니다. 이 입체(원뿔)의 부피 V을(를) 구하시오.

y = 3x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.적분어려움
xy−22

포물선 y = 4 − x²과 x축 사이 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = 4 − x²
A =
9.다변수 미적분보통
xy−4−20−202PQ

f(x, y) = −x²y + x² + 4y² + xy일 때 P(−1, −1)에서 Q(−4, 3) 방향으로의 방향 도함수 Duf을(를) 구하시오.

f(x, y) = −x²y + x² + 4y² + xyP = (−1, −1)Q = (−4, 3)
Duf =
10.다변수 미적분어려움
xy−101−101(0, 0)

f(x, y) = 2x² + 2xy + 2y² + 1은(는) (0, 0)에서 임계점을 가진다. 거기서 판별식 D = fxxfyy − fxy²를 계산하시오.

f(x, y) = 2x² + 2xy + 2y² + 1P = (0, 0)
D =
11.수열과 급수보통
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Σk=1∞ 2ᵏ·k!/kᵏ에 비율 판정법을 적용하시오. L = lim |ak+1/ak|를 구하시오.

ak = 2ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.수열과 급수어려움
xyfP₂0.5

f(x) = e2x의 2차 매클로린 다항식으로 f(0.5)을(를) 근사하시오. P₂(0.5)을(를) 구하시오.

f(x) = e2xn = 2x = 0.5
P₂(0.5) =
13.라플라스 변환보통
ReIm−5−10−15−20−25−30−35

완전제곱식으로 만들어 F(s) = (s + 34)/(s² + 6s + 13)의 f(t)를 구하고, f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = (s + 34)/(s² + 6s + 13)t = 0.2 s
f(0.2) =
14.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

어떤 시스템이 y″ + 9y′ + 20y = 50·u(t)을(를) 따른다. 정지 상태(y(0) = 0, y′(0) = 0)에서 시작하며, 입력은 t ≥ 0에서 계단 u(t) = 10이다. 라플라스 변환으로 출력 y(0.3)을(를) 구하시오.

y″ + 9y′ + 20y = 50·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.3 s
y(0.3) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t5h(t)t1

입력 x(t) = 5·e−6tu(t)가 h(t) = e−4tu(t)인 시스템에 가해집니다. t = 0.25 s에서의 출력 y(0.25)을(를) 구하시오.

x(t) = 5·e−6tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 0.25 s
y(0.25) =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
5cos(10t)h(t) = 5e−10t​u(t)y(t)

입력 x(t) = 5·cos(10t)가 h(t) = 5·e−10tu(t)인 시스템에 가해집니다. 정상상태 출력의 진폭 Ym을(를) 구하시오.

h(t) = 5e−10tu(t)x(t) = 5cos(10t)
Ym =

3용액

1.미분방정식

답: T = 22.46 °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) = 24 + (−21)·e−0.09t

t 대입

T(29) = 24 + (−21)·0.07353 = 22.46 °C

답

T = 22.46 °C
2.미분방정식

답: t = 602 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.

결과

m(t) = 250 + (−250)·e−t/500

t 구하기

e−t/500 = (250 − 175)/(250 − 0) = 0.3
t = 500·ln(3.333) = 602 min

답

t = 602 min
3.행렬과 행렬식

답: det A = −9

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 = −13, M₁₂ = −1, M₁₃ = 3

여인수 전개

det A = 1·(−13) − (−2)·(−1) + 2·3 = −9

답

det A = −9
4.행렬과 행렬식

답: x = 3.2

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 = 2·(−5) − (−1)·(−5) = −15

x 열 바꾸기

det Aₓ = 8·(−5) − (−1)·(−8) = −48
x = −48/(−15) = 3.2

답

x = 3.2
y = −1.6
5.벡터: 내적과 외적

답: W = 195 J

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.

변위

d = B − A = (−4, 4, 3) − (−1, 0, −3) = (−3, 4, 6) m

일

W = F·d = (−15)·(−3) + 0·4 + 25·6 = 195 J

답

W = 195 J
6.벡터: 내적과 외적

답: Mx = −250 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 = (−1, −3, −1) − (2, 2, −1) = (−3, −5, 0) m

모멘트 M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−5)·50 − 0·0 = −250 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 0·(−40) − (−3)·50 = 150 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·0 − (−5)·(−40) = −200 N·m

요청된 성분

Mx = −250 N·m

답

Mx = −250 N·m
7.적분

답: V = 75.4

회전체의 부피: y = f(x)의 아래, x = a에서 x = b까지의 영역을 x축 둘레로 회전시키면 x에서의 단면이 반지름 f(x)인 원판인 입체가 만들어집니다. 원판들을 더하면 V = π∫ₐᵇ f(x)² dx입니다. 영역이 바깥 곡선 R(x)와 안쪽 곡선 r(x) 사이에 있으면 각 조각은 와셔(고리)이며, V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx입니다. 반지름을 빼기 전에 먼저 제곱하세요.

원판법

V = π∫₀2 9x² dx

적분하기

V = π·9·2³/3 = 75.4

답

V = 75.4

확인: 반지름 6, 높이 2인 원뿔은 (1/3)πr²h = 75.4입니다.

8.적분

답: A = 10.67

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.

영점

4 − x² = 0 → x = ±2

적분하기

A = [4x − x³/3]−22 = 5.333 − (−5.333) = 10.67

답

A = 10.67
9.다변수 미적분

답: Duf = −5

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 = −2xy + 2x + y → fx(−1, −1) = −5
fy = −x² + 8y + x → fy(−1, −1) = −10

단위 벡터

|v| = √((−3)² + 4²) = 5
u = (−0.6, 0.8)

내적

Duf = (−5)·(−0.6) + (−10)·0.8 = −5

답

Duf = −5
10.다변수 미적분

답: D = 12

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).

이계 도함수

fxx = 4, fyy = 4, fxy = 2

판별식

D = 4·4 − 2² = 12
→ 극소

답

D = 12
11.수열과 급수

답: L = 0.7358

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.

연속한 항의 비

|ak+1/ak| = 2·(k/(k + 1))ᵏ = 2/(1 + 1/k)ᵏ → 2/e

결론

L = 0.7358 < 1

답

L = 0.7358

L < 1이므로 급수는 수렴합니다.

12.수열과 급수

답: P₂(0.5) = 2.5

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 + 2x + 2x²

대입하기

P₂(0.5) = 1 + 1 + 0.5 = 2.5

답

P₂(0.5) = 2.5

정확한 값은 f(0.5) = 2.718282입니다. 항을 더 많이 쓰거나 0에 더 가까운 점을 택하면 오차 0.218282이(가) 줄어듭니다.

13.라플라스 변환

답: f(0.2) = 3.818

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 + 6s + 13 = (s + 3)² + 4 = (s + 3)² + 2²

분자 맞추기

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 2²) + (31/2)·2/((s + 3)² + 2²)

역변환

f(t) = e−3t·(cos 2t + 15.5·sin 2t)
f(0.2) = e−3·0.2·(cos(2·0.2) + 15.5·sin(2·0.2)) = 3.818

답

f(0.2) = 3.818
14.라플라스 변환

답: y(0.3) = 9.664

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) = 500/(s(s + 4)(s + 5))

부분분수 전개

A = 500/(4·5) = 25
B = 500/((−4)·1) = −125
C = 500/((−5)·(−1)) = 100

배설량

y(t) = 25 − 125·e−4t + 100·e−5t
y(0.3) = 9.664

답

y(0.3) = 9.664
15.합성곱과 LTI 시스템

답: y(0.25) = 0.3619

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.

합성곱 적분

y(t) = 5e−4t∫₀ᵗ e−(6 − 4)τ dτ = 5(e−4t − e−6t)/(2)

계산하기

y(0.25) = 5·(0.3679 − 0.2231)/(2) = 0.3619

답

y(0.25) = 0.3619
16.합성곱과 LTI 시스템

답: Ym = 1.768

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 이득

|H(j10)| = 5/√(10² + 10²) = 0.3536
Ym = 5·0.3536 = 1.768

답

Ym = 1.768

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