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) = 2y(1.5) = ?

y(0) = 2, y′(0) = -2일 때 y″ + 4y′ + 4y = 0을(를) 푸시오. y(1.5)을(를) 구하시오.

y″ + 4y′ + 4y = 0y(0) = 2y′(0) = -2
y(1.5) =
2.미분방정식어려움
tyK = 10y(0.25) = ?

시스템이 t ≥ 0에서 y″ + y′ + 16.25y = 162.5을 따르며 정지 상태에서 출발합니다: y(0) = 0, y′(0) = 0. y(0.25)을(를) 구하시오. 각도는 라디안.

y″ + y′ + 16.25y = 162.5y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.25) =
3.행렬과 행렬식보통
A =−6−1−55B =−6−6−3−2

주어진 행렬에 대해 C = AB라 합시다. 성분 c12(1행 2열)를 구하세요.

A = [−6 −1; −5 5]B = [−6 −6; −3 −2]
c12 =
4.행렬과 행렬식어려움
A =131−2b =125

연립방정식 x + 3y = 12, x − 2y = 5을 푸세요. x를 구하세요.

x + 3y = 12x − 2y = 5
x =
5.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

벡터 a = (−1, 5, 6)와 b = (−5, 3, 0) 사이의 각도 θ을(를) 도(°) 단위로 구하시오.

a = (−1, 5, 6)b = (−5, 3, 0)
θ = °
6.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

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

a = (−2, 2, 4)b = (−5, 4, 2)n̂z > 0
n̂y =
7.적분보통
xy12.5y = x ln x

I = ∫₁2.5 x·ln x dx을(를) 계산하시오.

∫₁2.5 x ln x dx
I =
8.적분어려움
xyy = x2​y = x

y = x2과 y = x로 둘러싸인 영역의 넓이 A를 구하세요.

y = x2y = x
A =
9.다변수 미적분보통
xy33∇fP

f(x, y) = −4x³y + 4x² − y² − 3xy일 때 점 (3, 3)에서 f의 최대 변화율, 곧 |∇f|을(를) 구하시오.

f(x, y) = −4x³y + 4x² − y² − 3xyP = (3, 3)
|∇f| =
10.다변수 미적분어려움
xyx = 1.5y = x1.5

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

f = sin(x²)0 ≤ y ≤ x ≤ 1.5
I =
11.수열과 급수보통
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

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

ak = k!/kᵏ
L =
12.수열과 급수어려움
xyfP₄−0.5

f(x) = cos(3x)의 4차 매클로린 다항식으로 f(−0.5)을(를) 근사하시오. P₄(−0.5)을(를) 구하시오.

f(x) = cos(3x)n = 4x = −0.5
P₄(−0.5) =
13.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.75f(0.75) = ?

F(s) = (5s + 38)/(s² + 2s + 1)의 f(t)를 구하고 f(0.75)을(를) 계산하시오.

F(s) = (5s + 38)/(s² + 2s + 1)t = 0.75 s
f(0.75) =
14.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

어떤 시스템이 y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)을(를) 따른다. 정지 상태(y(0) = 0, y′(0) = 0)에서 시작하며, 입력은 t ≥ 0에서 계단 u(t) = 2이다. 라플라스 변환으로 출력 y(0.1)을(를) 구하시오.

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
15.합성곱과 LTI 시스템보통
x(t)t21h(t)t31

펄스 x(t) = 1(0 ≤ t < 2 s, 그 밖에서는 0)가 임펄스 응답 h(t) = 1(0 ≤ t < 3 s, 그 밖에서는 0)인 시스템에 가해집니다. t = 3 s에서의 출력 y(3)을(를) 구하시오.

x(t) = 1, 0 ≤ t < 2 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 3 st = 3 s
y(3) =
16.합성곱과 LTI 시스템어려움
2cos(7.5t)h(t) = 2e−10t​u(t)y(t)

입력 x(t) = 2·cos(7.5t)가 h(t) = 2·e−10tu(t)인 시스템에 가해집니다. 정상상태 출력의 진폭 Ym을(를) 구하시오.

h(t) = 2e−10tu(t)x(t) = 2cos(7.5t)
Ym =

3용액

1.미분방정식

답: y(1.5) = 0.2489

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) = 2
y′(0) = B − 2A → B = -2 + 4 = 2

계산하기

y(1.5) = (2 + 2·1.5)·e−3 = 0.2489

답

y(1.5) = 0.2489
2.미분방정식

답: y(0.25) = 4.304

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.

정상값과 근

yss = 10, r = −0.5 ± 4j

초기값으로부터 구한 상수

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0.5A + 4B = 0 → B = −1.25

계산하기

y(0.25) = 10·(1 − e−0.125(cos 1 + 0.125·sin 1)) = 4.304

답

y(0.25) = 4.304
3.행렬과 행렬식

답: c12 = 38

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

c12 = (−6)·(−6) + (−1)·(−2) = 38

답

c12 = 38
4.행렬과 행렬식

답: x = 7.8

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·(−2) − 3·1 = −5

x 열 바꾸기

det Aₓ = 12·(−2) − 3·5 = −39
x = −39/(−5) = 7.8

답

x = 7.8
y = 1.4
5.벡터: 내적과 외적

답: θ = 64.18 °

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.

내적

a·b = (−1)·(−5) + 5·3 + 6·0 = 20

크기들

|a| = √((−1)² + 5² + 6²) = 7.874
|b| = √((−5)² + 3² + 0²) = 5.831

위상각

cos θ = 20/(7.874·5.831) = 0.4356
θ = arccos(0.4356) = 64.18°

답

θ = 64.18°
6.벡터: 내적과 외적

답: n̂y = −0.796

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 = 2·2 − 4·4 = −12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−5) − (−2)·2 = −16
(a × b)z = axby − aybx = (−2)·4 − 2·(−5) = 2

정규화

a × b의 z성분은 이미 양수입니다.

|a × b| = √((−12)² + (−16)² + 2²) = 20.1
n̂ = (−12, −16, 2)/20.1 = (−0.597, −0.796, 0.0995)
n̂y = −0.796

답

n̂y = −0.796
7.적분

답: I = 1.551

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

(3.125·ln 2.5 − 1.5625) − (0 − 0.25) = 1.551

답

I = 1.551
8.적분

답: A = 0.1667

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 = x → x = 0, x = 1

위에서 아래를 빼서 적분하기

A = [0.5x2 − 0.3333x3]01 = 0.1667

답

A = 0.1667
9.다변수 미적분

답: |∇f| = 332.6

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.

편도함수

fx = −12x²y + 8x − 3y → fx(3, 3) = −309
fy = −4x³ − 2y − 3x → fy(3, 3) = −123

그래디언트의 길이

|∇f| = √((−309)² + (−123)²) = 332.6

답

|∇f| = 332.6
10.다변수 미적분

답: I = 0.8141

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 sin(x²) dy dx = ∫01.5 x·sin(x²) dx

치환 u = x²

I = [−cos(x²)/2]01.5 = 0.8141

답

I = 0.8141
11.수열과 급수

답: L = 0.3679

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| = (k/(k + 1))ᵏ = (1 + 1/k)ᵏ → 1/e

결론

L = 0.3679 < 1

답

L = 0.3679

L < 1이므로 급수는 수렴합니다.

12.수열과 급수

답: P₄(−0.5) = 0.08594

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

P₄(x) = 1 − 4.5x² + 3.375x⁴

대입하기

P₄(−0.5) = 1 − 1.125 + 0.210938 = 0.08594

답

P₄(−0.5) = 0.08594

정확한 값은 f(−0.5) = 0.0707372입니다. 항을 더 많이 쓰거나 0에 더 가까운 점을 택하면 오차 −0.0152003이(가) 줄어듭니다.

13.라플라스 변환

답: f(0.75) = 14.05

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 + 2s + 1 = (s + 1)²

부분분수 전개

5s + 38 = 5(s + 1) + 33
F(s) = 5/(s + 1) + 33/(s + 1)²

역변환

f(t) = 5·e−t + 33·t·e−t
f(0.75) = (5 + 33·0.75)·e−0.75 = 14.05

답

f(0.75) = 14.05
14.라플라스 변환

답: y(0.1) = 0.1155

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) = 30/(s(s + 3)(s + 5))

부분분수 전개

A = 30/(3·5) = 2
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3

배설량

y(t) = 2 − 5·e−3t + 3·e−5t
y(0.1) = 0.1155

답

y(0.1) = 0.1155
15.합성곱과 LTI 시스템

답: y(3) = 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.

뒤집힌 펄스의 겹침

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

τ ∈ [0, 2] → 길이 2 s

적분

y(3) = 1·1·2 = 2

답

y(3) = 2

y(t)는 사다리꼴입니다. 0에서 올라가 2을(를) 유지하다가 t = 5 s에서 다시 0으로 내려갑니다.

16.합성곱과 LTI 시스템

답: Ym = 0.32

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) = 2/(10 + jω)

입력 주파수에서의 이득

|H(j7.5)| = 2/√(10² + 7.5²) = 0.16
Ym = 2·0.16 = 0.32

답

Ym = 0.32

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