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L16 · 2계 선형 ODE

Arfken 7판 7.3, 7.4, 7.6, 7.7절 (상수계수 ODE, 2계 선형 ODE와 론스키안, 두 번째 해, 비제차 선형 ODE)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 상수계수 동차 방정식을 특성방정식으로 풀기 (2계, 3계 이상)
  2. 오일러-코시 방정식을 $y=x^m$으로 풀기
  3. 론스키안을 계산해서 두 해가 일차독립인지 판정하기, 아벨 공식으로 해 없이 론스키안 구하기
  4. 해 하나를 알 때 두 번째 해 구하기 (축소법)
  5. 비제차 방정식의 특수해 구하기: 미정계수법, 매개변수 변환법
  6. 정적분 꼴 $y=\int_{x_0}^xG(x,t)f(t)\,dt$ 로 초기값 문제를 한 번에 풀기
  7. 초기조건·경계조건으로 상수 정하기
  8. 감쇠 진동, 강제 진동의 진폭과 위상, 공명 해 계산하기

0. 외워 둘 공식

이 레슨의 방정식은 모두 선형입니다. 그래서 일반해(general solution)는 항상 이 꼴입니다.

$$y=\underbrace{c_1y_1+c_2y_2}_{\text{동차해 } y_h}+\underbrace{y_p}_{\text{특수해}}$$

동차(homogeneous)는 우변이 0인 방정식, 비제차(inhomogeneous)는 우변 $f(x)\ne0$인 방정식입니다. 특수해(particular solution) $y_p$는 비제차 방정식을 만족하는 해 하나면 됩니다.

상황할 일결과
상수계수 $ay''+by'+cy=0$$y=e^{rx}$ 대입 → $ar^2+br+c=0$서로 다른 실근: $c_1e^{r_1x}+c_2e^{r_2x}$
중근 $r$: $(c_1+c_2x)e^{rx}$
복소근 $\alpha\pm i\beta$: $e^{\alpha x}(c_1\cos\beta x+c_2\sin\beta x)$
오일러-코시 $x^2y''+axy'+by=0$$y=x^m$ 대입 → $m(m-1)+am+b=0$서로 다른 실근: $c_1x^{m_1}+c_2x^{m_2}$
중근 $m$: $(c_1+c_2\ln x)x^m$
복소근 $\alpha\pm i\beta$: $x^\alpha[c_1\cos(\beta\ln x)+c_2\sin(\beta\ln x)]$
론스키안$W=y_1y_2'-y_1'y_2$$W\ne0$ → 일차독립. 아벨 공식 $W=C\,e^{-\int P\,dx}$
두 번째 해 (축소법)표준형에서 $P$를 읽음$y_2=y_1\displaystyle\int\frac{e^{-\int P\,dx}}{y_1^2}\,dx$
매개변수 변환법표준형에서 $f$를 읽음$y_p=-y_1\displaystyle\int\frac{y_2f}{W}dx+y_2\int\frac{y_1f}{W}dx$
정적분 꼴 ($y(x_0)=y'(x_0)=0$)$G(x,t)=\dfrac{y_1(t)y_2(x)-y_1(x)y_2(t)}{W(t)}$$y_p=\displaystyle\int_{x_0}^xG(x,t)\,f(t)\,dt$
왜 되나? (증명 스케치)

$L[y]=y''+Py'+Qy$ 는 선형입니다: $L[c_1u+c_2v]=c_1L[u]+c_2L[v]$. 그래서 해 $y$와 특수해 $y_p$의 차는 $L[y-y_p]=f-f=0$, 즉 동차해입니다. 모든 해가 $y_p+(\text{동차해})$ 꼴이라는 뜻입니다.

2계 동차 방정식의 해 공간은 2차원입니다. 초기값 $y(x_0)$, $y'(x_0)$ 두 개를 정하면 해가 하나로 정해지기 때문입니다(존재·유일성, L15 1절). 그래서 독립인 해 두 개 $y_1$, $y_2$ 의 결합이면 충분합니다.

이 레슨의 관례 (책마다 다른 곳)

1. 상수계수 동차 방정식

레시피
  1. $y=e^{rx}$를 넣습니다. 미분 한 번이 $r$ 하나로 바뀝니다: $y'\to r$, $y''\to r^2$, $y'''\to r^3$. 그러면 특성방정식(characteristic equation) $ar^2+br+c=0$이 나옵니다.
  2. 근을 구합니다. 2계면 근의 공식을 씁니다. 3계 이상이면 $r=\pm1,\pm2$ 같은 쉬운 값을 먼저 넣어 보고, 근을 찾으면 그 인수로 나눕니다.
  3. 근 하나마다 해 하나를 적습니다.
    • 실근 $r$ → $e^{rx}$
    • $k$중근 $r$ → $e^{rx},\ xe^{rx},\ \dots,\ x^{k-1}e^{rx}$
    • 복소근 쌍 $\alpha\pm i\beta$ → $e^{\alpha x}\cos\beta x,\ e^{\alpha x}\sin\beta x$ (켤레 두 근이 실수 해 두 개가 됩니다)
  4. 해의 개수가 방정식의 계수(order)와 같은지 셉니다. 2계면 2개, 3계면 3개입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$L[y]=ay''+by'+cy$ 에 $e^{rx}$ 를 넣으면 미분마다 $r$이 나오므로 $L[e^{rx}]=p(r)\,e^{rx}$, $p(r)=ar^2+br+c$ 입니다. $e^{rx}\ne0$ 이라 해가 되려면 $p(r)=0$.

중근: $p(r)=a(r-r_0)^2$ 이면 $p(r_0)=p'(r_0)=0$. 등식 $L[e^{rx}]=p(r)e^{rx}$ 를 $r$로 미분합니다. $\frac{\partial}{\partial r}e^{rx}=xe^{rx}$ 이고, $L$은 $x$ 미분이라 $r$ 미분과 순서를 바꿔도 됩니다.

$$L[xe^{rx}]=p'(r)\,e^{rx}+p(r)\,xe^{rx}$$

$r=r_0$ 에서 오른쪽이 0이므로 $xe^{r_0x}$ 도 해입니다. $k$중근이면 $k-1$번 미분해도 0이라 $x^{k-1}e^{r_0x}$ 까지 해입니다. (4절 축소법으로도 같은 답이 나옵니다.)

복소근: $e^{(\alpha\pm i\beta)x}=e^{\alpha x}(\cos\beta x\pm i\sin\beta x)$. 해의 합을 2로 나눈 것과 차를 $2i$로 나눈 것도 해(선형)이므로 $e^{\alpha x}\cos\beta x$, $e^{\alpha x}\sin\beta x$ 가 실수 해입니다.

예제 1-1 (세 경우)

(a) $y''-y'-6y=0$. 특성방정식은 $r^2-r-6=(r-3)(r+2)=0$, 근은 $r=3,\,-2$입니다.

$$y=c_1e^{3x}+c_2e^{-2x}$$

(b) $y''-6y'+9y=0$. $r^2-6r+9=(r-3)^2=0$이므로 $r=3$은 중근(repeated root)입니다.

$$y=(c_1+c_2x)e^{3x}$$

$xe^{3x}$가 정말 해인지 확인합니다. $y=xe^{3x}$, $y'=(1+3x)e^{3x}$, $y''=(6+9x)e^{3x}$ 이므로

$$\begin{aligned}&y''-6y'+9y\\&=\big[(6+9x)-6(1+3x)+9x\big]e^{3x}\\&=0\end{aligned}$$

(c) $y''+2y'+5y=0$. $r=\dfrac{-2\pm\sqrt{4-20}}{2}=-1\pm2i$. 따라서 $\alpha=-1$, $\beta=2$입니다.

$$y=e^{-x}(c_1\cos2x+c_2\sin2x)$$
예제 1-2 (3계) $y'''-y=0$

특성방정식은 $r^3-1=0$입니다. $r=1$을 넣으면 0이므로 $(r-1)$로 나눕니다: $r^3-1=(r-1)(r^2+r+1)$.

$r^2+r+1=0$에서 $r=\dfrac{-1\pm\sqrt{1-4}}{2}=-\dfrac12\pm\dfrac{\sqrt3}{2}i$.

$$\begin{aligned}y&=c_1e^{x}\\&\quad+e^{-x/2}\big(c_2\cos\beta x+c_3\sin\beta x\big)\end{aligned}$$

여기서 $\beta=\frac{\sqrt3}{2}$입니다.

같은 방법으로 $y''''-y=0$은 $r^4-1=(r-1)(r+1)(r^2+1)$이므로 $y=c_1e^x+c_2e^{-x}+c_3\cos x+c_4\sin x$입니다.

2. 오일러-코시 방정식

레시피 $x^2y''+axy'+by=0$ ($x>0$)
  1. 계수가 $x^2,\ x,\ 1$ 순서로 미분 차수와 짝을 이루는지 확인합니다. 이것이 오일러-코시 방정식(Euler–Cauchy equation)입니다.
  2. $y=x^m$을 넣습니다. $x^2y''=m(m-1)x^m$, $xy'=mx^m$이므로 모든 항이 $x^m$으로 묶입니다. $$m(m-1)+am+b=0$$
  3. 근에 따라 해를 적습니다. 서로 다른 실근이면 $x^{m_1},\ x^{m_2}$. 중근이면 $x^m,\ x^m\ln x$. 복소근 $\alpha\pm i\beta$이면 $x^\alpha\cos(\beta\ln x),\ x^\alpha\sin(\beta\ln x)$.
  4. 외우는 요령: $x=e^t$로 바꾸면 상수계수 방정식이 됩니다. 그래서 1절의 $e^{rt}$, $te^{rt}$, $\cos\beta t$가 각각 $x^r$, $x^r\ln x$, $\cos(\beta\ln x)$로 바뀝니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$x=e^t$ ($t=\ln x$)로 두고 $t$ 미분을 점으로 씁니다. 연쇄법칙으로 $\dfrac{dy}{dx}=\dfrac1x\dot y$ 이므로 $xy'=\dot y$. 한 번 더 미분하면

$$\begin{aligned}y''&=-\frac1{x^2}\dot y+\frac1{x^2}\ddot y\\ x^2y''&=\ddot y-\dot y\end{aligned}$$

방정식은 $\ddot y+(a-1)\dot y+by=0$, 상수계수입니다. 특성방정식 $r^2+(a-1)r+b=0$ 은 $m(m-1)+am+b=0$ 과 같은 식입니다. 그래서 $e^{rt}=x^r$, 중근의 $te^{rt}=x^r\ln x$, $\cos\beta t=\cos(\beta\ln x)$ 가 됩니다. $m(m-1)$ 의 $-m$ 이 바로 $-\dot y$ 에서 온 것입니다.

예제 2-1 (세 경우)

(a) $x^2y''-2y=0$ ($a=0$, $b=-2$). $m(m-1)-2=m^2-m-2=(m-2)(m+1)=0$.

$$y=c_1x^2+c_2x^{-1}$$

(b) $x^2y''-xy'+y=0$ ($a=-1$, $b=1$). $m(m-1)-m+1=m^2-2m+1=(m-1)^2=0$, 중근 $m=1$.

$$y=c_1x+c_2x\ln x$$

확인: $y=x\ln x$이면 $y'=\ln x+1$, $y''=\frac1x$입니다. $x^2\cdot\frac1x-x(\ln x+1)+x\ln x=x-x\ln x-x+x\ln x=0$.

(c) $x^2y''-xy'+5y=0$. $m(m-1)-m+5=m^2-2m+5=0$, $m=1\pm2i$.

$$y=x\big[c_1\cos(2\ln x)+c_2\sin(2\ln x)\big]$$

3. 론스키안과 일차독립

레시피
  1. 론스키안(Wronskian)을 계산합니다. $$\begin{aligned}W(y_1,y_2)&=\begin{vmatrix}y_1 & y_2\\ y_1' & y_2'\end{vmatrix}\\&=y_1y_2'-y_1'y_2\end{aligned}$$ 함수가 3개면 3×3 행렬식입니다. 행은 위에서부터 함수, 1계 도함수, 2계 도함수입니다.
  2. 구간에서 $W\ne0$이면 일차독립(linearly independent)입니다. 두 해가 같은 방정식의 해라면, $W$는 구간 전체에서 0이거나 어디서도 0이 아닙니다. 둘 중 하나입니다.
  3. 아벨(Abel) 공식: 표준형 $y''+Py'+Qy=0$의 두 해에 대해 $W=C\exp\!\left(-\int P\,dx\right)$입니다. 해를 몰라도 $W$의 모양을 압니다. 검산에 좋고, 4절 축소법의 재료입니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$y_1$, $y_2$ 가 $y''+Py'+Qy=0$ 의 해라고 합니다. $W=y_1y_2'-y_1'y_2$ 를 미분하면 $y_1'y_2'$ 끼리 지워집니다.

$$W'=y_1y_2''-y_1''y_2$$

$y''=-Py'-Qy$ 를 두 곳에 넣으면 $Q$ 항도 지워집니다.

$$\begin{aligned}W'&=y_1(-Py_2'-Qy_2)\\&\quad+(Py_1'+Qy_1)\,y_2\\&=-P\,(y_1y_2'-y_1'y_2)\\&=-P\,W\end{aligned}$$

$W$에 대한 1계 분리형입니다(L15). 따라서 $W=Ce^{-\int P\,dx}$. 지수함수는 0이 되지 않으므로 $C=0$ 이면 어디서나 $W=0$, $C\ne0$ 이면 어디서도 $W\ne0$ 입니다. 레시피 2번의 "둘 중 하나"가 이것입니다.

예제 3-1

(a) $W(e^{3x},e^{-2x})=e^{3x}\cdot(-2e^{-2x})-3e^{3x}\cdot e^{-2x}=-5e^{x}\ne0$ → 독립입니다.

(b) $y_1=e^{ax}\cos bx$, $y_2=e^{ax}\sin bx$. 먼저 도함수를 씁니다.

$$\begin{aligned}y_1'&=e^{ax}(a\cos bx-b\sin bx)\\ y_2'&=e^{ax}(a\sin bx+b\cos bx)\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}W&=e^{2ax}\big[\cos bx\,(a\sin bx+b\cos bx)\\&\qquad-(a\cos bx-b\sin bx)\sin bx\big]\\&=e^{2ax}\,b\,(\cos^2bx+\sin^2bx)\\&=b\,e^{2ax}\end{aligned}$$

$a\sin\cos$ 항끼리 지워집니다. $b\ne0$이면 독립입니다.

(c) 예제 2-1(b)의 두 해. $W(x,\,x\ln x)=x(\ln x+1)-1\cdot x\ln x=x$.

아벨 공식으로 확인합니다. 표준형은 $y''-\frac1xy'+\frac1{x^2}y=0$이므로 $P=-\frac1x$, $e^{-\int P\,dx}=e^{\ln x}=x$. 같은 모양입니다($C=1$).

4. 해 하나를 알 때 두 번째 해 (축소법)

레시피
  1. $y''$의 계수로 나눠 표준형 $y''+P(x)y'+Q(x)y=0$을 만들고 $P$를 읽습니다.
  2. $e^{-\int P\,dx}$를 계산합니다. 적분상수는 생략합니다.
  3. 두 번째 해를 씁니다. $$y_2=y_1\int\frac{e^{-\int P\,dx}}{y_1^2}\,dx$$
  4. 결과에 $y_1$의 상수배가 섞여 나오면 버려도 됩니다. 전체에 곱해진 상수도 버립니다.

공식의 출처 한 줄: $y_2=v\,y_1$로 놓으면 $v'$에 대한 1계 방정식이 되고(L15), 그 해가 위 피적분함수입니다. 이 방법을 축소법(reduction of order)이라고 부릅니다.

왜 되나? (증명 스케치)

몫의 미분을 보면

$$\Big(\frac{y_2}{y_1}\Big)'=\frac{y_1y_2'-y_1'y_2}{y_1^2}=\frac{W}{y_1^2}.$$

$W$는 3절 아벨 공식으로 $y_2$를 몰라도 $e^{-\int P\,dx}$ (상수배 무시) 입니다. 그러니 적분하고 $y_1$을 곱하면 끝입니다.

$$\begin{aligned}y_2&=y_1\int\frac{W}{y_1^2}\,dx\\&=y_1\int\frac{e^{-\int P\,dx}}{y_1^2}\,dx\end{aligned}$$

예: 중근인 $y''-2ry'+r^2y=0$ 에서 $y_1=e^{rx}$, $P=-2r$ 이면 피적분함수가 $\frac{e^{2rx}}{e^{2rx}}=1$ 이라 $y_2=xe^{rx}$. 1절의 중근 규칙과 같습니다.

예제 4-1 $(1-x^2)y''-2xy'+2y=0$, $y_1=x$ ($|x|<1$, 르장드르 방정식 $l=1$)

먼저 $y_1=x$가 해인지 봅니다: $y_1''=0$, $-2x\cdot1+2x=0$. 맞습니다.

표준형: $(1-x^2)$로 나눕니다.

$$\begin{aligned}&y''-\frac{2x}{1-x^2}y'+\frac{2}{1-x^2}y=0\\&\Rightarrow\ P=-\frac{2x}{1-x^2}\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}-\int P\,dx&=\int\frac{2x}{1-x^2}dx\\&=-\ln(1-x^2)\\ e^{-\int P\,dx}&=\frac{1}{1-x^2}\end{aligned}$$

공식에 넣습니다.

$$y_2=x\int\frac{dx}{x^2(1-x^2)}$$

부분분수: $\dfrac{1}{x^2(1-x^2)}=\dfrac1{x^2}+\dfrac1{1-x^2}$ (통분하면 분자가 $(1-x^2)+x^2=1$). 각각 적분하면

$$\int\frac{dx}{x^2(1-x^2)}=-\frac1x+\frac12\ln\frac{1+x}{1-x}.$$ $$\begin{aligned}y_2&=x\Big(-\frac1x+\frac12\ln\frac{1+x}{1-x}\Big)\\&=\frac x2\ln\frac{1+x}{1-x}-1\end{aligned}$$

이것이 르장드르 제2종 함수 $Q_1$입니다(L21). $x=\pm1$에서 로그 발산이 생긴다는 점을 기억해 두세요.

5. 비제차 방정식 1: 미정계수법

상수계수 방정식이고 우변이 다항식, 지수, sin·cos, 또는 이들의 곱일 때 씁니다. 이것을 미정계수법(method of undetermined coefficients)이라고 합니다.

우변 $f(x)$시도해 $y_p$겹침 검사에 쓰는 수
$n$차 다항식$A_nx^n+\cdots+A_1x+A_0$ (낮은 차수까지 전부)$0$
$e^{\alpha x}$$Ae^{\alpha x}$$\alpha$
$\cos\beta x$ 또는 $\sin\beta x$$A\cos\beta x+B\sin\beta x$ (둘 다)$\pm i\beta$
$e^{\alpha x}\cos\beta x$ 또는 $e^{\alpha x}\sin\beta x$$e^{\alpha x}(A\cos\beta x+B\sin\beta x)$$\alpha\pm i\beta$
($n$차 다항식)$\times e^{\alpha x}$($n$차 일반 다항식)$\times e^{\alpha x}$$\alpha$
공명: 위 수가 $k$중 특성근위 시도해 전체 $\times x^k$
레시피
  1. 동차해 $y_h$와 특성근 목록을 먼저 만듭니다.
  2. 우변 모양으로 표에서 시도해를 고릅니다.
  3. 공명(resonance) 검사: 표 오른쪽 열의 수가 특성근과 같으면 시도해 전체에 $x$를 곱합니다. 중근과 같으면 $x^2$를 곱합니다.
  4. 대입해서 $x$의 차수별로, 또는 $\cos$, $\sin$별로 계수를 비교합니다.
  5. 우변이 여러 항의 합이면 항마다 따로 구해서 더합니다(중첩).
  6. 초기조건은 $y=y_h+y_p$를 다 만든 다음에 맞춥니다.

지름길 ($f=e^{\alpha x}$, 특성다항식 $p(r)$): $p(\alpha)\ne0$이면 $y_p=\dfrac{e^{\alpha x}}{p(\alpha)}$. $\alpha$가 단근이면 $y_p=\dfrac{xe^{\alpha x}}{p'(\alpha)}$. 중근이면 $y_p=\dfrac{x^2e^{\alpha x}}{p''(\alpha)}$. 복소수 $\alpha$에도 그대로 쓰고 실수부나 허수부를 취합니다.

왜 되나? (증명 스케치)

1절의 등식 $L[e^{\alpha x}]=p(\alpha)\,e^{\alpha x}$ 에서 시작합니다. $p(\alpha)\ne0$ 이면 양변을 $p(\alpha)$ 로 나누어 $L\Big[\dfrac{e^{\alpha x}}{p(\alpha)}\Big]=e^{\alpha x}$. 지름길 첫 줄입니다.

$p(\alpha)=0$ (공명)이면 나눌 수 없습니다. 등식을 $\alpha$로 미분하면 $L[xe^{\alpha x}]=p'(\alpha)e^{\alpha x}+p(\alpha)\,xe^{\alpha x}=p'(\alpha)\,e^{\alpha x}$. 단근이면 $p'(\alpha)\ne0$ 이라 $\dfrac{xe^{\alpha x}}{p'(\alpha)}$ 가 특수해입니다. 중근이면 한 번 더 미분해서 $L[x^2e^{\alpha x}]=p''(\alpha)e^{\alpha x}$. "공명이면 $x$를 곱한다"는 규칙이 이 미분입니다.

표의 다른 줄도 같은 원리입니다. $L$은 (다항식)$\times e^{\alpha x}$ 를 같은 꼴로 보내므로 같은 꼴의 시도해에서 계수만 맞추면 됩니다. 다만 $\alpha$가 특성근이면 $L$이 차수를 하나 깎아 버려 맞출 수 없으므로, 차수를 하나 올리는 $x$를 곱합니다.

예제 5-1 $y''-3y'+2y=f(x)$, 특성근은 $r^2-3r+2=(r-1)(r-2)$에서 $1,\ 2$

(a) 겹치지 않는 경우와 중첩: $f=4x+e^{3x}$.

먼저 $4x$ 부분입니다. 겹침 검사 수는 0이고 특성근이 아닙니다. $y=Ax+B$, $y'=A$, $y''=0$을 넣습니다.

$$\begin{aligned}&0-3A+2(Ax+B)=4x\\ &x^1:\ 2A=4\ \Rightarrow\ A=2\\ &x^0:\ -3A+2B=0\ \Rightarrow\ B=3\end{aligned}$$

다음은 $e^{3x}$ 부분입니다. 3은 특성근이 아닙니다. $y=Ce^{3x}$를 넣으면 $(9-9+2)Ce^{3x}=2Ce^{3x}=e^{3x}$이므로 $C=\frac12$입니다. (지름길: $p(3)=2$.)

$$y=c_1e^{x}+c_2e^{2x}+2x+3+\tfrac12e^{3x}$$

(b) 공명: $f=e^{x}$. 1은 특성근입니다. $Ae^x$를 넣으면 $p(1)=0$이라 좌변이 0이 되어 맞출 수 없습니다. 그래서 $y_p=Axe^x$로 둡니다.

$$\begin{aligned}y'&=A(1+x)e^x\\ y''&=A(2+x)e^x\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}&y''-3y'+2y\\&=Ae^x\big[(2+x)-3(1+x)+2x\big]\\&=-Ae^x\end{aligned}$$

$-A=1$이므로 $A=-1$, $y_p=-xe^x$입니다. 지름길로 확인: $p'(r)=2r-3$, $p'(1)=-1$, $\dfrac{xe^x}{-1}=-xe^x$.

예제 5-2 (sin·cos 공명) $y''+\omega^2y=\cos\omega t$ ($'$는 $t$ 미분)

특성근은 $\pm i\omega$이고, 우변의 겹침 검사 수도 $\pm i\omega$입니다. 공명이므로 $y=t\,g$, $g=A\cos\omega t+B\sin\omega t$로 둡니다. $g''=-\omega^2g$를 씁니다.

$$y'=g+tg',\qquad y''=2g'+tg''$$ $$y''+\omega^2y=2g'+t\,(g''+\omega^2g)=2g'$$

따라서 $2g'=\cos\omega t$가 되어야 합니다. $2g'=-2A\omega\sin\omega t+2B\omega\cos\omega t$이므로 $A=0$, $B=\dfrac1{2\omega}$.

$$y_p=\frac{t\sin\omega t}{2\omega}$$

진폭이 $t$에 비례해서 계속 자랍니다. 이것이 감쇠 없는 공명입니다.

6. 비제차 방정식 2: 매개변수 변환법

레시피
  1. 표준형으로 나눕니다: $y''+P(x)y'+Q(x)y=f(x)$. 공식의 $f$는 나눈 뒤의 우변입니다. 이 단계를 빼먹는 실수가 가장 많습니다.
  2. 동차해 $y_1$, $y_2$와 $W=y_1y_2'-y_1'y_2$를 구합니다.
  3. 두 적분을 계산합니다. $$\begin{aligned}u_1&=-\int\frac{y_2f}{W}dx\\ u_2&=\int\frac{y_1f}{W}dx\\ y_p&=u_1y_1+u_2y_2\end{aligned}$$
  4. 적분상수는 생략합니다. 결과에 $y_1$, $y_2$의 상수배 항이 나오면 버려도 됩니다(동차해에 흡수).

이것을 매개변수 변환법(variation of parameters)이라고 합니다. 유도는 아래 상자에 있습니다.

언제 쓰나: 우변이 $\sec x$, $\tan x$, $\frac1x$, $\ln x$처럼 5절 표에 없는 모양일 때, 그리고 계수가 상수가 아닐 때(오일러-코시 등)입니다.

왜 되나? (증명 스케치)

$y=u_1y_1+u_2y_2$ 로 둡니다. 미지함수는 둘인데 방정식은 하나라서 조건을 하나 더 정할 수 있습니다. 계산이 쉬워지도록 $u_1'y_1+u_2'y_2=0$ 으로 정합니다. 그러면 $y'=u_1y_1'+u_2y_2'$ 에 $u'$ 항이 없고, 한 번 더 미분하면

$$y''=u_1y_1''+u_2y_2''+u_1'y_1'+u_2'y_2'.$$

방정식에 넣으면 $u_1(y_1''+Py_1'+Qy_1)$ 과 $u_2(\cdots)$ 는 동차해라서 0입니다. 남는 것은 $u_1'y_1'+u_2'y_2'=f$ 하나입니다.

$$\begin{aligned}u_1'y_1+u_2'y_2&=0\\ u_1'y_1'+u_2'y_2'&=f\end{aligned}$$

계수 행렬식이 $W$이므로 크라메르 공식으로 $u_1'=-\dfrac{y_2f}{W}$, $u_2'=\dfrac{y_1f}{W}$ 입니다. 이 유도에 $y''$ 계수가 1이라는 것을 썼으므로 표준형의 $f$를 써야 합니다.

적분을 $x_0$부터 $x$까지의 정적분으로 하면 $u_1(x_0)=u_2(x_0)=0$ 이라 $y_p(x_0)=0$, 그리고 $y_p'=u_1y_1'+u_2y_2'$ 이므로 $y_p'(x_0)=0$ 입니다. 두 정적분을 하나로 합친 것이 아래의 정적분 꼴입니다.

예제 6-1

(a) $y''+y=\sec x$ ($-\frac\pi2<x<\frac\pi2$). 이미 표준형이고 $f=\sec x$입니다.

$y_1=\cos x$, $y_2=\sin x$, $W=\cos x\cdot\cos x-(-\sin x)\cdot\sin x=1$.

$$\begin{aligned}u_1&=-\int\sin x\sec x\,dx\\&=-\int\tan x\,dx=\ln|\cos x|\\ u_2&=\int\cos x\sec x\,dx\\&=\int1\,dx=x\end{aligned}$$ $$y_p=\cos x\,\ln|\cos x|+x\sin x$$

(b) $y''-2y'+y=\dfrac{e^x}{x}$ ($x>0$). 특성근은 $r=1$ 중근이므로 $y_1=e^x$, $y_2=xe^x$입니다.

$$W=e^x\cdot(1+x)e^x-e^x\cdot xe^x=e^{2x}$$ $$\begin{aligned}u_1&=-\int\frac{xe^x\cdot e^x/x}{e^{2x}}dx\\&=-\int1\,dx=-x\\ u_2&=\int\frac{e^x\cdot e^x/x}{e^{2x}}dx\\&=\int\frac{dx}{x}=\ln x\end{aligned}$$

$y_p=-xe^x+xe^x\ln x$입니다. $-xe^x$는 $y_2$의 상수배라 버립니다.

$$y=(c_1+c_2x)e^x+xe^x\ln x$$
예제 6-2 (표준형 함정) $x^2y''-2xy'+2y=x^3$ ($x>0$)

동차 부분은 오일러-코시입니다. $m(m-1)-2m+2=m^2-3m+2=(m-1)(m-2)$이므로 $y_1=x$, $y_2=x^2$.

$W=x\cdot2x-1\cdot x^2=x^2$.

표준형: $x^2$로 나누면 $y''-\dfrac2xy'+\dfrac2{x^2}y=x$. 따라서 $f=x$입니다($x^3$이 아닙니다).

$$\begin{aligned}u_1&=-\int\frac{x^2\cdot x}{x^2}dx=-\int x\,dx\\&=-\frac{x^2}{2}\\ u_2&=\int\frac{x\cdot x}{x^2}dx=\int1\,dx=x\end{aligned}$$ $$y_p=-\frac{x^2}{2}\cdot x+x\cdot x^2=\frac{x^3}{2}$$

검산: $y=\frac{x^3}{2}$, $y'=\frac{3x^2}{2}$, $y''=3x$. $x^2(3x)-2x\cdot\frac{3x^2}{2}+2\cdot\frac{x^3}{2}=3x^3-3x^3+x^3=x^3$. 맞습니다.

나누지 않고 $f=x^3$을 쓰면 $y_p=\frac{x^5}{12}$가 나옵니다. 대입하면 좌변이 $x^5$가 되어 $x^2$배만큼 틀립니다.

레시피 — 정적분 꼴 (초기조건 $y(x_0)=y'(x_0)=0$ 을 저절로 만족)
  1. 표준형의 $f$와 $y_1$, $y_2$, $W$를 준비합니다.
  2. 핵(kernel)을 만듭니다. $t$가 적분변수, $x$는 고정입니다. $$\begin{aligned}G(x,t)&=\frac{y_1(t)\,y_2(x)}{W(t)}\\&\quad-\frac{y_1(x)\,y_2(t)}{W(t)}\end{aligned}$$
  3. $y_p(x)=\displaystyle\int_{x_0}^xG(x,t)\,f(t)\,dt$. 이 $y_p$는 $y_p(x_0)=y_p'(x_0)=0$ 을 만족합니다. 초기값이 0이 아니면 동차해를 더해 맞춥니다.
  4. 상수계수이면 $G$는 $x-t$ 만의 함수입니다. $y''+\omega^2y=f$ 이면 $G=\dfrac{\sin\omega(x-t)}{\omega}$, $y''-k^2y=f$ 이면 $G=\dfrac{\sinh k(x-t)}{k}$.
  5. $f$가 구간마다 다른 식(켜졌다 꺼지는 힘)이어도 그대로 씁니다. 이 $G$는 L27 그린 함수의 가장 간단한 예입니다.
예제 6-3 (정적분 꼴) $y''+y=f(x)$, $y(0)=y'(0)=0$

$y_1=\cos x$, $y_2=\sin x$, $W=1$ 이므로 $G=\cos t\sin x-\cos x\sin t=\sin(x-t)$.

(a) $f=x$. 부분적분($u=t$, $dv=\sin(x-t)\,dt$, $v=\cos(x-t)$)을 합니다.

$$\begin{aligned}y&=\int_0^x t\sin(x-t)\,dt\\&=\Big[t\cos(x-t)\Big]_0^x\\&\quad-\int_0^x\cos(x-t)\,dt\\&=x-\sin x\end{aligned}$$

검산: $y''+y=\sin x+x-\sin x=x$. $y(0)=0$, $y'(0)=1-\cos0=0$.

(b) $f=\cos x$ (공명). 곱을 합으로 바꿉니다: $\sin(x-t)\cos t=\tfrac12\big[\sin x+\sin(x-2t)\big]$.

$$\begin{aligned}y&=\frac12\int_0^x\big[\sin x\\&\qquad\quad+\sin(x-2t)\big]dt\\&=\frac12\Big(x\sin x\\&\qquad+\Big[\tfrac12\cos(x-2t)\Big]_0^x\Big)\\&=\frac{x\sin x}{2}\end{aligned}$$

둘째 항은 $\tfrac12[\cos(-x)-\cos x]=0$ 입니다. 예제 5-2의 $\frac{t\sin\omega t}{2\omega}$ ($\omega=1$)과 같고, 초기조건까지 이미 맞춰져 있습니다.

7. 초기조건과 경계조건

레시피
  1. 일반해 $y=y_h+y_p$를 상수 $c_1$, $c_2$를 포함해 먼저 완성합니다.
  2. 초기값 문제(initial value problem): $y(x_0)$, $y'(x_0)$ 두 식으로 $c_1$, $c_2$를 구합니다. $y'$을 구할 때 $y_p$ 부분도 미분합니다.
  3. 경계값 문제(boundary value problem): $y(a)$, $y(b)$ 두 식으로 구합니다. 해가 하나일 수도, 없을 수도, 무한히 많을 수도 있습니다. $c_1$, $c_2$의 계수 행렬식이 0이면 "없음" 또는 "무한히 많음"입니다.
예제 7-1

(a) 초기값 문제: $y''-3y'+2y=e^x$, $y(0)=0$, $y'(0)=0$.

예제 5-1(b)에서 일반해는 $y=c_1e^x+c_2e^{2x}-xe^x$입니다. 미분하면 $y'=c_1e^x+2c_2e^{2x}-(1+x)e^x$.

$$\begin{aligned}y(0)&=c_1+c_2=0\\ y'(0)&=c_1+2c_2-1=0\\ &\Rightarrow\ c_2=1,\ c_1=-1\end{aligned}$$ $$y=-e^x+e^{2x}-xe^x$$

(b) 경계값 문제: $y''+y=0$, $y(0)=0$, $y(\frac\pi2)=3$. $y=c_1\cos x+c_2\sin x$에서 $y(0)=c_1=0$, $y(\frac\pi2)=c_2=3$. 답은 $y=3\sin x$입니다.

같은 방정식에 $y(0)=0$, $y(\pi)=1$을 주면 $c_1=0$이고 $y(\pi)=c_2\sin\pi=0\ne1$이라 해가 없습니다. $y(\pi)=0$을 주면 $c_2$가 아무 값이나 되어 무한히 많습니다. 이것이 고유값 문제의 출발점입니다(L26).

8. 물리 예: 감쇠 진동과 강제 진동

레시피 1 — 감쇠 진동 $\ddot x+2\gamma\dot x+\omega_0^2x=0$ ($\gamma>0$)

특성근은 $r=-\gamma\pm\sqrt{\gamma^2-\omega_0^2}$입니다. 근호 안의 부호로 세 경우가 갈립니다.

조건이름해
$\gamma>\omega_0$과감쇠(overdamped)$c_1e^{r_1t}+c_2e^{r_2t}$ (두 근 모두 음의 실수)
$\gamma=\omega_0$임계감쇠(critical damping)$(c_1+c_2t)e^{-\gamma t}$
$\gamma<\omega_0$미급감쇠(underdamped)$e^{-\gamma t}(c_1\cos\omega_dt+c_2\sin\omega_dt)$, $\omega_d=\sqrt{\omega_0^2-\gamma^2}$
레시피 2 — 강제 진동, 복소 지수법 $\ddot x+2\gamma\dot x+\omega_0^2x=F\cos\omega t$
  1. $F\cos\omega t=\mathrm{Re}\,(Fe^{i\omega t})$로 보고, 복소 방정식 $\ddot z+2\gamma\dot z+\omega_0^2z=Fe^{i\omega t}$를 풉니다.
  2. $z=Ze^{i\omega t}$를 넣으면 미분이 $i\omega$ 곱하기가 됩니다: $(-\omega^2+2i\gamma\omega+\omega_0^2)Z=F$. $$Z=\frac{F}{\omega_0^2-\omega^2+2i\gamma\omega}$$
  3. 진폭과 위상 지연(phase lag) $\delta$를 읽습니다. $$\begin{aligned}|Z|&=\frac{F}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2+4\gamma^2\omega^2}}\\ \tan\delta&=\frac{2\gamma\omega}{\omega_0^2-\omega^2}\quad(0<\delta<\pi)\end{aligned}$$
  4. 정상상태(steady state) 해는 $x_p=\mathrm{Re}\,(Ze^{i\omega t})=|Z|\cos(\omega t-\delta)$입니다. 동차해는 $e^{-\gamma t}$로 사라지는 과도해(transient)입니다.
  5. $\gamma=0$이고 $\omega=\omega_0$이면 분모가 0입니다. 이때는 예제 5-2의 공명 해 $\frac{F\,t\sin\omega t}{2\omega}$를 씁니다.
예제 8-1 (세 가지 감쇠) 모두 $x(0)=1$, $\dot x(0)=0$

(a) 과감쇠 $\ddot x+5\dot x+4x=0$. $r^2+5r+4=(r+1)(r+4)$이므로 $x=c_1e^{-t}+c_2e^{-4t}$.

$$\begin{aligned}&c_1+c_2=1,\quad -c_1-4c_2=0\\&\Rightarrow\ c_1=\tfrac43,\ c_2=-\tfrac13\\&x=\tfrac43e^{-t}-\tfrac13e^{-4t}\end{aligned}$$

(b) 임계감쇠 $\ddot x+4\dot x+4x=0$. $r=-2$ 중근이므로 $x=(c_1+c_2t)e^{-2t}$. $x(0)=c_1=1$.

$$\begin{aligned}\dot x&=(c_2-2c_1-2c_2t)e^{-2t}\\ \dot x(0)&=c_2-2c_1=0\ \Rightarrow\ c_2=2\\ x&=(1+2t)e^{-2t}\end{aligned}$$

(c) 미급감쇠 $\ddot x+2\dot x+5x=0$. $r=-1\pm2i$이므로 $x=e^{-t}(c_1\cos2t+c_2\sin2t)$. $x(0)=c_1=1$.

$$\begin{aligned}\dot x&=e^{-t}\big[(-c_1+2c_2)\cos2t\\&\qquad+(-c_2-2c_1)\sin2t\big]\\ \dot x(0)&=-c_1+2c_2=0\ \Rightarrow\ c_2=\tfrac12\end{aligned}$$ $$x=e^{-t}\Big(\cos2t+\tfrac12\sin2t\Big)$$
예제 8-2 (정상상태, 두 방법) $\ddot x+2\dot x+5x=10\cos t$

방법 1 (미정계수법): $x=A\cos t+B\sin t$. $\dot x=-A\sin t+B\cos t$, $\ddot x=-A\cos t-B\sin t$를 넣고 정리합니다.

$$\begin{aligned}\cos t:&\ \ -A+2B+5A=10\\ &\Rightarrow\ 4A+2B=10\\ \sin t:&\ \ -B-2A+5B=0\\ &\Rightarrow\ -2A+4B=0\end{aligned}$$

두 번째 식에서 $A=2B$. 첫 식에 넣으면 $10B=10$, $B=1$, $A=2$. 따라서 $x_p=2\cos t+\sin t$.

방법 2 (복소 지수법): $\gamma=1$, $\omega_0^2=5$, $\omega=1$, $F=10$.

$$\begin{aligned}Z&=\frac{10}{5-1+2i}=\frac{10}{4+2i}\\&=\frac{10(4-2i)}{16+4}=2-i\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}&\mathrm{Re}\big[(2-i)(\cos t+i\sin t)\big]\\&=2\cos t+\sin t\end{aligned}$$

같은 답입니다. 진폭은 $|Z|=\sqrt5$, 위상 지연은 $\tan\delta=\frac{2\cdot1\cdot1}{5-1}=\frac12$에서 $\delta=\arctan\frac12\approx0.4636$ rad. 즉 $x_p=\sqrt5\cos(t-\delta)$입니다. ($\cos\delta=\frac2{\sqrt5}$, $\sin\delta=\frac1{\sqrt5}$를 넣어 펼치면 $2\cos t+\sin t$로 돌아옵니다.)

9. 자주 하는 실수

10. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 SymPy로 검산했습니다.

A. 상수계수 동차

A1. $y''+5y'+6y=0$

답$y=c_1e^{-2x}+c_2e^{-3x}$ — $r^2+5r+6=(r+2)(r+3)$.

A2. $y''+4y'+4y=0$

답$y=(c_1+c_2x)e^{-2x}$ — $(r+2)^2=0$, 중근.

A3. $y''-4y'+13y=0$

답$y=e^{2x}(c_1\cos3x+c_2\sin3x)$ — $r=\frac{4\pm\sqrt{16-52}}{2}=2\pm3i$.

A4. $y'''-3y''+3y'-y=0$

답$y=(c_1+c_2x+c_3x^2)e^{x}$ — 특성방정식이 $(r-1)^3=0$, 삼중근입니다.

A5. $y''''-16y=0$

답$y=c_1e^{2x}+c_2e^{-2x}+c_3\cos2x+c_4\sin2x$ — $r^4-16=(r^2-4)(r^2+4)$.

B. 오일러-코시

B1. $x^2y''+2xy'-6y=0$

답$y=c_1x^2+c_2x^{-3}$ — $m(m-1)+2m-6=m^2+m-6=(m-2)(m+3)$.

B2. $x^2y''+3xy'+y=0$

답$y=\dfrac{c_1+c_2\ln x}{x}$ — $m^2+2m+1=(m+1)^2$, 중근 $m=-1$.

B3. $x^2y''-3xy'+4y=0$, $y(1)=1$, $y'(1)=0$

답$y=x^2(1-2\ln x)$ — $(m-2)^2=0$이라 $y=x^2(c_1+c_2\ln x)$. $y(1)=c_1=1$, $y'=2x(c_1+c_2\ln x)+c_2x$에서 $y'(1)=2c_1+c_2=0$.

C. 론스키안과 축소법

C1. $W(x,\ x^2,\ x^3)$

답$2x^3$ — 행이 $(x,x^2,x^3)$, $(1,2x,3x^2)$, $(0,2,6x)$인 행렬식. 첫 열로 전개: $x(12x^2-6x^2)-(6x^3-2x^3)=2x^3$.

C2. $xy''+2y'+xy=0$. (a) 아벨 공식으로 $W$의 모양을 구하세요. (b) 두 해 $y_1=\frac{\sin x}{x}$, $y_2=\frac{\cos x}{x}$로 $W$를 직접 계산해 비교하세요.

답(a) $P=\frac2x$이므로 $W=Ce^{-2\ln x}=\dfrac{C}{x^2}$. (b) $W=-\dfrac{1}{x^2}$, 즉 $C=-1$. 분자를 정리하면 $-x(\sin^2x+\cos^2x)$가 남습니다.

C3. $x^2y''+xy'-y=0$의 한 해 $y_1=x$에서 축소법으로 $y_2$

답$y_2=\dfrac1x$ — $P=\frac1x$, $e^{-\int P}=\frac1x$, $y_2=x\int\frac{1/x}{x^2}dx=x\cdot\big(-\frac{1}{2x^2}\big)=-\frac1{2x}$. 상수배 $-\frac12$를 버립니다.

C4. $xy''-(x+1)y'+y=0$의 한 해 $y_1=e^x$에서 $y_2$

답$y_2=x+1$ — 표준형 $P=-1-\frac1x$, $e^{-\int P}=xe^x$. $y_2=e^x\int\frac{xe^x}{e^{2x}}dx=e^x\int xe^{-x}dx=-(x+1)$. 부호를 버립니다.

D. 미정계수법

D1. $y''+y'-2y=4x^2$의 특수해

답$y_p=-2x^2-2x-3$ — $Ax^2+Bx+C$를 넣고 비교: $x^2$: $-2A=4$, $x$: $2A-2B=0$, 상수: $2A+B-2C=0$.

D2. $y''+4y=\cos2x$의 특수해

답$y_p=\dfrac{x\sin2x}{4}$ — $\pm2i$가 특성근이라 공명. 예제 5-2의 $\frac{t\sin\omega t}{2\omega}$에 $\omega=2$.

D3. $y''-2y'+y=e^x$의 특수해

답$y_p=\dfrac{x^2e^x}{2}$ — 1이 중근이라 $Ax^2e^x$. 지름길: $p''(1)=2$.

D4. $y''-y=xe^{2x}$의 특수해

답$y_p=\Big(\dfrac x3-\dfrac49\Big)e^{2x}$ — $(Ax+B)e^{2x}$를 넣으면 좌변이 $(3Ax+4A+3B)e^{2x}$. $3A=1$, $4A+3B=0$.

D5. $y''+2y'+2y=e^{-x}\cos x$의 특수해 (어려움)

답$y_p=\dfrac{x}{2}e^{-x}\sin x$ — 특성근이 $-1\pm i$라 공명. 우변을 $\mathrm{Re}\,e^{(-1+i)x}$로 보고 지름길 $\frac{xe^{(-1+i)x}}{p'(-1+i)}$, $p'(r)=2r+2$이므로 $p'(-1+i)=2i$. $\mathrm{Re}\frac{xe^{-x}(\cos x+i\sin x)}{2i}=\frac{xe^{-x}\sin x}{2}$.

E. 매개변수 변환법

E1. $y''+y=\tan x$ ($-\frac\pi2<x<\frac\pi2$)

답$y_p=-\cos x\,\ln(\sec x+\tan x)$ — $u_1=-\int\frac{\sin^2x}{\cos x}dx=-\int(\sec x-\cos x)dx=-\ln(\sec x+\tan x)+\sin x$, $u_2=\int\sin x\,dx=-\cos x$. 모으면 $\sin x\cos x$ 항이 지워집니다.

E2. $y''-2y'+y=\dfrac{e^x}{x^2}$ ($x>0$)

답$y_p=-e^x\ln x$ — $W=e^{2x}$, $u_1=-\int\frac1x dx=-\ln x$, $u_2=\int\frac{dx}{x^2}=-\frac1x$. $u_2y_2=-e^x$는 동차해라 버립니다.

E3. $x^2y''-3xy'+3y=2x^4$ ($x>0$)

답$y_p=\dfrac{2x^4}{3}$ — $y_1=x$, $y_2=x^3$, $W=2x^3$. 표준형 우변은 $f=2x^2$. $u_1=-\int x^2dx$, $u_2=\int1\,dx$.

E4. 정적분 꼴로 $y''-y=1$, $y(0)=y'(0)=0$

답$y=\cosh x-1$ — $G=\sinh(x-t)$, $\int_0^x\sinh(x-t)\,dt=\big[-\cosh(x-t)\big]_0^x=\cosh x-1$. 검산: $y''-y=\cosh x-\cosh x+1=1$.

E5. 정적분 꼴로 $y''+4y=x$, $y(0)=y'(0)=0$

답$y=\dfrac x4-\dfrac{\sin2x}{8}$ — $G=\frac{\sin2(x-t)}{2}$. 부분적분으로 $\frac12\int_0^xt\sin2(x-t)\,dt=\frac12\big(\frac x2-\frac{\sin2x}{4}\big)$. $y'(0)=\frac14-\frac28=0$.

E6. $y''+y=f$, $y(0)=y'(0)=0$, $f=1$ ($0<x<\pi$), $f=0$ ($x>\pi$). $x<\pi$ 와 $x>\pi$ 에서의 해

답$x<\pi$: $1-\cos x$. $x>\pi$: $-2\cos x$ — $x>\pi$ 이면 적분이 $\pi$에서 끊겨 $\int_0^\pi\sin(x-t)\,dt=\big[\cos(x-t)\big]_0^\pi=\cos(x-\pi)-\cos x$. $x=\pi$ 에서 값 2, 기울기 0으로 이어집니다. 힘이 꺼진 뒤 진폭 2로 진동합니다.

F. 초기조건과 물리

F1. $y''+9y=0$, $y(0)=2$, $y'(0)=-3$

답$y=2\cos3x-\sin3x$ — $c_1=2$, $y'(0)=3c_2=-3$.

F2. $y''+4y=0$. (a) $y(0)=0$, $y(\frac\pi4)=5$ (b) $y(0)=0$, $y(\frac\pi2)=1$

답(a) $y=5\sin2x$. (b) 해 없음 — $c_1=0$이고 $y(\frac\pi2)=c_2\sin\pi=0\ne1$.

F3. $\ddot x+2\dot x+10x=0$, $x(0)=1$, $\dot x(0)=0$. 감쇠 종류도 쓰세요.

답미급감쇠($\gamma=1<\omega_0=\sqrt{10}$). $x=e^{-t}\big(\cos3t+\frac13\sin3t\big)$ — $r=-1\pm3i$, $\dot x(0)=-c_1+3c_2=0$.

F4. $\ddot x+2\dot x+4x=\cos2t$의 정상상태 해, 진폭, 위상 지연

답$x_p=\frac14\sin2t$, 진폭 $\frac14$, $\delta=\frac\pi2$ — $Z=\frac{1}{4-4+4i}=\frac1{4i}=-\frac i4$. $\omega=\omega_0$이면 위상 지연은 항상 $\frac\pi2$입니다.

F5. $\ddot x+9x=6\cos3t$, $x(0)=0$, $\dot x(0)=0$

답$x=t\sin3t$ — 특수해는 $6\cdot\frac{t\sin3t}{2\cdot3}$. 이 특수해가 이미 $x(0)=\dot x(0)=0$을 만족하므로 동차해 부분은 0입니다.

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