공학이야기

Convolution 을 다루었던 지난 글을 끝으로, 라플라스변환에 대한 주제를 마무리하고, ODE에 대한 모든 풀이들을 알아보았습니다. 그러나, 지금까지 글을 써오면서, 몇몇 방정식들이 빠진것같아, 추가적으로 알아야하는 미분방정식풀이들을 몇가지 적어보려 합니다. 그리고 Series(급수)를 이용한 풀이들은 따로 한번에 다룰 예정입니다. 오늘은 1차 linear ODE 에서 다루지 못한 Bernoulli 미분방정식에 대해서 알아보겠습니다. #0. Bernoulli Differential Equation(베르누이 미분방정식) 우리는 지금까지 linear 한 형태에 대해서 ODE를 풀이해왔습니다. 그렇다면 non-linear 한 형태의 식을 마주했을때, 여러가지 풀이 방법들이 있겠지만, 형태를 바꾸어서 푸는..

#0. Unit Step Function(단위계단함수) 말로 설명하는 것보다는 그래프를 직접 보면서 어떤 특성을 가지는 지 알아보도록 하겠습니다. 이렇게 어느 지점 이후부터는 1, 이전에는 0 인 함수를 Unit Step Function이라고 합니다. 여기선 0 이 기준점이 되었지만 평행이동도 가능합니다 만약 a를 기점으로 했다면 u(t-a) 이런식으로 나타내서 a이전과 이후에 0 과 1이 되는 것을 볼 수 있습니다. 공학에서 이 함수는 on, off 에 이용됩니다. t가 시간으로 둔다면 0 초(혹은 a초) 이후부터는 켜짐, 0초이전에는 꺼짐 상태로 둘 수 있다는 것이지요. 이러한 특성을 이용해서 만약에 어떤 함수에 이 Unit Step Function을 곱해준다면, 원하는 시점에서만 그래프가 나타나도록..

#0. 라플라스변환을 이용한 미분방정식의 풀이 이번 글은 지금까지 배운 라플라스 변환을 이용해서 간단한 미분방정식들을 풀이해보도록 하겠습니다. 새로운 내용보다는 지금까지 배운 미분방정식의 풀이를 떠올리면서 한번 정리하고 간다고 생각하면 되겠습니다. 그리고 앞서 배운 ODE 풀이법과는 어떻게 다른지 확인해보길 바랍니다. #1. 예제 초기값(initial value)이 주어진 문제입니다. 미분방정식 풀이를 해보도록 하겠습니다. 일단 미분방정식을 라플라스 변환 시켜줍니다. y의 라플라스 변환 한것을 대문자 Y로 두도록 하겠습니다., 식을 Y로 묶어서 정리해주면 Y만 남기고 나눗셈을 해주면(부분분수를 이용해서 분수를 쪼개줍니다.) 자 이제 역변환이 가능한 형태가 나왔습니다. 이렇게 라플라스 변환시에는 최대한 분..

지난 글을 끝으로 2계미분방정식까지의 풀이법에 대해 알아보았고, 이번 글은 약간 부록편에 해당하는 고계미분방정식입니다. 일반적으로 고계(고차)라하면 3차 이상의 미분방정식을 의미하고, 풀이법은 2계미분방정식에서 배웠던 여러가지 스킬들을 확장하는 방법으로 이루어집니다. 물론, 공대수학을 하며서 2계 이상의 미분방정식을 풀게될 일은 거의 없을테지만, 그래도 모든 미분방정식에 기본적인 접근 방법을 습득한다고 생각하고, 오늘 글을 읽어주시면 감사하겠습니다. 이번글에서 주로 쓰이는 방법들은 Wronskian (https://lifelectronics.tistory.com/36) 상계수미분방정식(특성방정식) (https://lifelectronics.tistory.com/33) 오일러-코시 방정식 (https://..

2계선형미분방정식을 들어가기에 앞서 중첩의 원리와 선형성에 대해서 언급한 적이 있었습니다. 그 중 선형성을 보다 더 쉽게 판단하는 방법이 있는데, 바로 Wronskian 해법입니다. #0. Linearly independent, dependent(선형독립, 선형종속) 이전의 2계미분방정식에서 homogeneous 한 방정식에 대해서 중첩의 원리를 적용하였고, 그것이 가능한 이유는 선형성(Linearly)으로 부터 출발하였습니다. linearly independent에 대한 정의를 다시 보자면, 이계미분방정식의 해인 y1, y2가 아래의 식을 만족할때 이 식을 만족시키는 K의 값이 오직 일때만 성립하는것이 linearly independent라고 했습니다. 즉 y1에 상수배를 해서 y2를 만들수 없다는 것..

#0. Euler-Cauchy Equation(오일러-코시 방정식) 2계 미분방정식의 또다른 형태인 오일러 코시 방정식에 대해서 풀이해봅시다. 지난 글에서는 2계 미분방정식 중에서 계수가 상수인것에 대해서 풀이해보았습니다. 이번엔 계수가 x에 관한 식일때, 오일러와 코시가 미리 연구해둔 방정식을 통해 풀이해보도록 하겠습니다. 이것이 오일러-코시 방정식의 형태입니다. 우리는 이 방정식의 해를 구하기는 어렵고, 오일러와 코시가 미리 구해둔 근을 가지고 풀이해보겠습니다. 바로 그 근은 입니다. 이것을 대입하여 식을 정리하면, x가 0이 아니라고 가정하고, 식을 정리하면 위와같이 m에 관한 2차식이 나오게 됩니다. 이전의 상미분 방정식과 마찬가지로 이차식의 근의 종류에 따라서 해가 결정됩니다. #1. 서로 다른..

이제 본격적으로 2계 미분방정식을 풀어보는 방법에 대해 알아보겠습니다. 이번 글은 그중에서 쉬운 버전인 상수계수를 가지는 2계 미분방정식에 대한 이야기입니다. #0. 2계상미분방정식(Second-Order ODE with Constant Coefficient) a, b는 상수인 계수를 가지는 2계미분방정식의 형태입니다. 이 미분방정식을 풀기위해서는 이전의 1계미분방정식에서 해의 형태를 자세히 생각해보면 이 미분방정식의 해의 형태는 의 형태를 가졌습니다. 이 아이디어로부터 2계미분방정식의 해를 비슷한 형태로 미리 선택한 후 방정식을 풀이하게 됩니다. 즉 해의 형태를 를 두고 풀이해보겠습니다. 위 식을 미분방정식에 대입하면 e에 대한 함수는 항상 양수이기 때문에 식을 0을 만들기 위해서는 괄호안의 이차방정식..

지난 글에서 2계 미분방정식을 풀때에 적용하는 기본 법칙인 중첩의 원리와 선형성에 대해서 알아봐습니다. 이제 본격적으로 2계 미분방정식을 풀이하는 방법들을 다뤄볼텐데, 이번 글에서는 그중 계수내림(Reduction of Order)에 대해서 알아보겠습니다. 1. 계수내림 ( Reduction of Order) 지난 글에서 우리는 y1 ,y2 를 구하고 각각을 basis 라고 했습니다. 그렇다면 우리는 y1, y2 를 구하는데에 집중해야겠지만, 그 보다 더 쉬운 상황을 먼저 알아보겠습니다. 그 상황이라 함은 y1을 먼저 알고 있는 상황입니다. y1을 알고 있는 상황에서 y2를 구하는 것인데, 이 방법을 계수내림(Reduction of Order)이라고 합니다. 일단 기본 식, 그중에서 homogeneous..

지난 글을 끝으로 1계미분방정식의 풀이 과정에 대해서 논했습니다. 이제 2계, 3계 4계...이런식으로 더 일반적인 상황에서의 미분방정식을 다루게 됩니다. 하지만 2계미분방정식을 풀 수 있다면 3,4,5,..n계 미분방정식은 모두 풀이가 동일하기 떄문에 2계까지만 알고 있어도 그 이후의 차수를 풀 수 있습니다(물론 일반적인상황에서는 2계가 최대일 가능성이 높습니다.) 오늘은 그 2계미분방정식을 풀기 전에 기본적으로 적용되는 법칙들을 알아 보도록 하겠습니다. 0. 중첩의 원리(Superposition, Linearity principle) 1계 미분방정식과 마찬가지로 2계 미분방정식은 2번미분한 값으로 부터 시작한 함수들이 존재하는 방정식이다. 이중 앞에서 배웠다시피, f(x)=0인경우를 homogeneo..

지난글에서 적분인자를 마지막으로 변수분리를 통해 미분방정식을 푸는 방법들에 대해서 알아보았습니다. 지금부터는 조금 더 정형화된 미분방정식들의 풀이를 알아보고, 실제로 많이 쓰게되는 미분방정식들을 알아보도록 하겠습니다. 이번글에서는 가장 기본적인 형태인 1차 선형미분방정식에 대해서 논해보겠습니다. 0. 1차 선형미분방정식(First order linear ODE) 이 미분방정식은 이런 형태를 가집니다. P와 R은 x에 대해 연속인 함수이며, y의 차수가 1차이기 떄문에 선형(linear)미분방정식이라고 부릅니다. 이 미분방정식을 풀기 위해선 약간의 센스가 필요한데, 식의 형태를 잘 보면 y를 미분한것과 그냥 y 가 있습니다. 뭔가 형태가 어디서 본것처럼 느껴질수도 있는데, 미분법중에서 곱의 미분을 쓰게 되..