용수철–질량 계, 상수계수 동차 방정식, 특성방정식의 세 경우, 단순조화운동, 감쇠 진동(부족·임계·과감쇠), 해의 중첩
용수철에 매단 추, 진자, 기타 줄, 전기 회로의 전류, 건물의 흔들림은 모두 “제자리로 돌아오려는 힘”과 “마찰”이 있는 진동입니다. 뉴턴의 제2법칙 F=ma에서 가속도가 위치의 2계 도함수이므로, 이런 운동은 이계 미분방정식으로 쓰입니다. 이 장에서는 상수계수 이계 선형 방정식을 특성방정식 하나로 완전히 푸는 방법을 배우고, 감쇠의 세 가지 경우를 구별합니다.
3.1 용수철–질량 계
질량 m인 물체가 용수철(탄성 계수 k)에 매달려 있고, 속도에 비례하는 마찰(감쇠 계수 c)을 받습니다. 평형 위치에서 벗어난 거리를 x(t)라 하면
mx′′=복원력(훅의법칙)−kx마찰−cx′,곧mx′′+cx′+kx=0.
해를 정하려면 처음 위치 x(0)와 처음 속도 x′(0), 두 가지 조건이 필요합니다. 이계 방정식의 일반해에는 상수가 두 개 있습니다.
3.2 특성방정식
ay′′+by′+cy=0에 y=ert를 넣으면 ert(ar2+br+c)=0이므로
정의 3.1.ar2+br+c=0을 특성방정식(characteristic equation)이라 합니다.
그 근 r마다 ert가 해이고, 선형이므로 해의 일차결합도 해입니다(중첩 원리, superposition). 판별식 D=b2−4ac에 따라 세 경우가 있습니다.
정리 3.2.
D>0, 서로 다른 실근 r1,r2: y=C1er1t+C2er2t.
D=0, 중근 r: y=(C1+C2t)ert.
D<0, 복소근 α±iβ: y=eαt(C1cosβt+C2sinβt).
경우 3은 오일러 공식 e(α+iβ)t=eαt(cosβt+isinβt)(푸리에 해석 2장)에서 실수부와 허수부가 각각 해라는 사실에서 나옵니다. 경우 2에서 tert가 해라는 것은 직접 넣어 확인할 수 있습니다(문제 3.5).
쓰이는 곳. 기계 진동과 내진 설계, RLC 회로(인덕터가 질량, 축전기가 용수철, 저항이 마찰 역할), 분자 진동과 양자역학의 조화 진동자, 제어 시스템의 2차 응답(오버슈트, 정착 시간), 확률적 최적화의 모멘텀 방법(감쇠 진동자의 이산판으로 볼 수 있고, 최적의 β는 임계감쇠에 해당)이 이 장의 방정식입니다.
문제
3.1 [계산] · 확인 문제
y′′−y′−6y=0의 특성근을 작은 것부터 씁니다.
근
값
작은 근
[?]
큰 근
[?]
정답
-2
3
풀이
r2−r−6=(r−3)(r+2)=0입니다.
3.2 [계산] · 확인 문제
y′′+9y=0, y(0)=2, y′(0)=3의 해에서 y(π/6)은?
정답
1
풀이
y=2cos3t+sin3t이므로 y(π/6)=2cos2π+sin2π=1입니다.
3.3 [계산] · 확인 문제
m=1, k=16인 용수철–질량 계가 임계감쇠가 되는 감쇠 계수 c는?
정답
8
풀이
c2=4mk=64이므로 c=8입니다.
3.4 [계산] · 확인 문제
x′′+2x′+10x=0인 부족감쇠 진동의 주기(진동의 한 주기 시간)는? (소수 넷째 자리까지)
정답
2.0944
풀이
근 −1±3i이므로 진동의 각진동수 3, 주기 2π/3≈2.0944입니다.
3.5 [증명]
특성방정식 ar2+br+c=0이 중근 r0를 가지면 ter0t도 해임을 보입니다.
풀이
중근이면 r0=−b/(2a), 곧 2ar0+b=0이고 ar02+br0+c=0입니다. y=ter0t에서 y′=(1+r0t)er0t, y′′=(2r0+r02t)er0t이므로 ay′′+by′+cy=er0t[t(ar02+br0+c)+(2ar0+b)]=0입니다.