일계 선형 방정식의 꼴, 적분인자, 동차해와 특수해의 합, RC 회로와 혼합 문제, 시간 상수, 평형과 과도 응답
1장의 변수분리는 강력하지만, y′+2y=sint처럼 외부에서 힘이 들어오는 방정식은 변수를 나눌 수 없습니다. 이 장에서는 이런 일계 선형 방정식을 언제나 풀 수 있는 방법인 적분인자를 배웁니다. 그리고 해가 “스스로의 감쇠(과도 응답)”와 “외부 입력을 따라가는 부분(정상 상태)”의 합으로 나뉜다는, 선형 시스템 전체를 꿰뚫는 사실을 처음 만납니다.
2.1 일계 선형 방정식
정의 2.1.y′+p(t)y=q(t) 꼴을 일계 선형 방정식(first-order linear equation)이라 합니다. q=0이면 동차(homogeneous), 아니면 비동차(nonhomogeneous)라 합니다.
Ce−t: 초기 조건에 따라 다르지만 시간이 지나면 사라짐. 과도 응답(transient response).
21(cost+sint)=21cos(t−4π): 입력과 같은 진동수로 진동하지만 진폭은 21배, 위상은 4π 늦음. 정상 상태 응답(steady-state response).
p>0인 안정한 선형 시스템은 결국 처음 상태를 잊고 입력만 따라갑니다. 진동수에 따라 진폭과 위상이 어떻게 바뀌는지를 정리한 것이 주파수 응답(frequency response)이고, 푸리에 해석 10장(LTI 시스템)과 저역통과 필터(RC 회로가 그 예)가 이 이야기를 이어 갑니다.
2.6 혼합 문제
예제 2.8. 100 L 탱크에 소금 10 kg이 녹아 있습니다. 소금 0.2 kg/L인 물이 분당 5 L 들어오고, 잘 섞인 물이 분당 5 L 나갑니다. 소금 양 x(t)는
x′=(들어오는양)−(나가는양)=5⋅0.2−5⋅100x=1−20x.
평형은 x=20 kg(농도 0.2 kg/L). 해는 x=20−10e−t/20이고, 시간 상수는 20분입니다.
2.7 이 장의 요약
y′+py=q: 적분인자 μ=e∫p로 (μy)′=μq.
일반해 = 동차해 + 특수해(선형성).
RC 회로의 시간 상수 τ=RC, 5τ면 거의 평형.
안정한 시스템: 과도 응답은 사라지고 정상 상태가 남습니다.
쓰이는 곳. 전자회로(RC·RL 회로, 필터), 열 전달과 온도 제어, 약물 주입과 농도, 화학 반응 속도, 제어공학의 1차 시스템, 머신러닝의 지수 이동 평균(EMA는 이 방정식의 이산판, 최적화 과목 5장에서 모멘텀과 Adam이 쓰는 β)이 이 장의 방정식입니다.
문제
2.1 [계산] · 확인 문제
y′+3y=12, y(0)=1의 해에서 t→∞일 때의 극한은?
정답
4
풀이
y=4+Ce−3t이므로 4로 갑니다. (C=−3)
2.2 [계산] · 확인 문제
위 문제의 y(ln2)를 구합니다. (소수 넷째 자리까지)
정답
3.625
풀이
y=4−3e−3t, e−3ln2=81이므로 4−83=3.625입니다.
2.3 [계산] · 확인 문제
R=2kΩ, C=50μF인 RC 회로의 시간 상수는 몇 초인가요?
정답
0.1
풀이
τ=2000⋅50×10−6=0.1초입니다.
2.4 [계산] · 확인 문제
예제 2.8에서 30분 뒤 소금의 양은 몇 kg인가요? (소수 넷째 자리까지)
정답
17.7687
풀이
20−10e−1.5≈20−2.2313=17.7687 kg입니다.
2.5 [증명]
y′+ky=0(k>0)의 해가 모두 t→∞에서 0으로 감을 보이고, 이것이 왜 “과도 응답이 사라진다”는 말의 근거인지 설명합니다.
풀이
해는 Ce−kt이고 k>0이면 0으로 갑니다. 비동차 방정식의 두 해의 차는 동차해이므로, 초기 조건이 다른 두 해의 차이도 0으로 갑니다. 그래서 어떤 초기 조건에서 시작하든 결국 같은 정상 상태 해에 가까워집니다.