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L19 · 푸리에 변환

Arfken 7판 20.1–20.6절 (적분 변환, 푸리에 변환, 변환의 성질, 합성곱 정리, 파세발 등식, 폭과 불확정성, 전달함수, PDE 풀이, 이산 푸리에 변환)

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 가우스 함수, 사각 펄스, $e^{-a|t|}$, 감쇠 진동의 푸리에 변환을 정의대로 구하기
  2. 성질 표(이동, 스케일, 미분, $t$ 곱하기)로 새 변환을 빠르게 만들기
  3. $\delta(t)$, 상수, $\cos\omega_0t$의 변환 구하기
  4. 합성곱 정리를 $\sqrt{2\pi}$ 계수까지 정확히 쓰기
  5. 파세발(플랑셰렐) 등식으로 $\int\frac{\sin^2x}{x^2}dx$ 같은 적분 계산하기
  6. 펄스의 폭 $\Delta t$, $\Delta\omega$를 계산하고 불확정성 관계 $\Delta t\,\Delta\omega\ge\frac12$ 확인하기
  7. 푸리에 변환으로 상수계수 ODE를 풀고 해를 합성곱으로 쓰기, 전달함수로 정상 상태 응답 구하기
  8. 무한 막대의 열방정식·파동방정식을 푸리에 변환으로 풀기 (열 핵, 달랑베르 해)
  9. $N=4$짜리 이산 푸리에 변환(DFT)을 손으로 계산하기
  10. 다른 책의 관례로 쓰인 공식을 이 레슨의 관례로 옮기기

0. 관례와 외워 둘 표

관례 — 이 레슨 전체에서 고정 $$\begin{aligned}g(\omega)&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(t)\,e^{i\omega t}\,dt\\f(t)&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}g(\omega)\,e^{-i\omega t}\,d\omega\end{aligned}$$

대칭 정규화입니다. 정변환과 역변환에 $\frac1{\sqrt{2\pi}}$를 하나씩 붙이고, 정변환의 지수는 $+i\omega t$입니다. 이것이 Arfken 7판의 관례로 기억하지만 책과 대조하지 않았습니다(기억 기반, 미검증). 이 레슨의 모든 표·예제·답은 위 관례로 계산했습니다.

표기: $g(\omega)=\mathcal F[f](\omega)$. 계단함수 $\theta(t)$는 $t>0$에서 1, $t<0$에서 0입니다(L20의 $u(t)$와 같음).

다른 관례와 바꾸는 법. 책마다 정규화($\sqrt{2\pi}$를 어디에 두는지)와 지수 부호가 다릅니다. 흔한 것은 아래 A–D 네 가지입니다. "바꾸기"의 식으로 이 레슨의 $g$와 서로 옮길 수 있습니다.

$f'(t)$의 변환$f*h$의 변환파세발
A$-i\omega\,g$$\sqrt{2\pi}\,g_fg_h$$\int|f|^2dt=\int|g|^2d\omega$
B$+i\omega F$$F_fF_h$$\int|f|^2dt=\frac1{2\pi}\int|F|^2d\omega$
C$+ik\,\phi$$\sqrt{2\pi}\,\phi_f\phi_h$$\int|f|^2dx=\int|\phi|^2dk$
D$2\pi i\xi\,\hat f$$\hat f\hat h$$\int|f|^2dx=\int|\hat f|^2d\xi$

실전 규칙: 다른 책의 결과를 옮길 때 ① 정규화 계수를 맞추고 ② 지수 부호가 반대면 $\omega$를 $-\omega$로 바꿉니다. $f$가 우함수이면 ②는 신경 쓰지 않아도 됩니다(결과가 $\omega$의 우함수).

변환표 (이 레슨의 관례, $a>0$)

$f(t)$$g(\omega)$
$e^{-at^2}$$\frac{1}{\sqrt{2a}}e^{-\omega^2/4a}$
$e^{-t^2/2}$$e^{-\omega^2/2}$ (자기 자신)
사각 펄스: $1$ ($|t|<T$), $0$ (그 밖)$\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{\sin\omega T}{\omega}$
$e^{-a|t|}$$\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{a}{a^2+\omega^2}$
$e^{-at}\theta(t)$$\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\,\frac{1}{a-i\omega}$
$\delta(t)$$\frac{1}{\sqrt{2\pi}}$
$1$$\sqrt{2\pi}\,\delta(\omega)$
$e^{-i\omega_0t}$$\sqrt{2\pi}\,\delta(\omega-\omega_0)$
$\cos\omega_0t$$\sqrt{\frac\pi2}\,\big[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)\big]$

성질표 (이 레슨의 관례)

이름$f(t)$$g(\omega)$
선형성$\alpha f+\beta h$$\alpha g_f+\beta g_h$
시간 이동$f(t-t_0)$$e^{i\omega t_0}g(\omega)$
주파수 이동$e^{-i\omega_0t}f(t)$$g(\omega-\omega_0)$
스케일링$f(ct)$, $c\ne0$$\frac1{|c|}\,g\big(\frac{\omega}{c}\big)$
미분$f'(t)$, $f^{(n)}(t)$$-i\omega\,g$, $(-i\omega)^ng$
$t$ 곱하기$t\,f(t)$$-i\,\frac{dg}{d\omega}$
합성곱$(f*h)(t)=\int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)h(t-\tau)d\tau$$\sqrt{2\pi}\,g_f(\omega)\,g_h(\omega)$
곱$f(t)h(t)$$\frac1{\sqrt{2\pi}}(g_f*g_h)(\omega)$
파세발$\int|f(t)|^2dt=\int|g(\omega)|^2d\omega$

1. 정의대로 계산하기

레시피
  1. 정의식에 $f$를 넣고, $f=0$인 구간은 잘라 냅니다.
  2. $|t|$가 있으면 $t<0$과 $t>0$으로 나눕니다.
  3. 지수끼리 합칩니다: $e^{-at}e^{i\omega t}=e^{-(a-i\omega)t}$. 그리고 $\int_0^\infty e^{-ct}dt=\frac1c$ ($\mathrm{Re}\,c>0$).
  4. 가우스형 $e^{-at^2+bt}$는 완전제곱합니다: $-at^2+bt=-a\big(t-\frac{b}{2a}\big)^2+\frac{b^2}{4a}$. 그다음 $\int e^{-a(t-c)^2}dt=\sqrt{\pi/a}$ (복소수 $c$여도 성립).
  5. 마지막에 $e^{i\theta}-e^{-i\theta}=2i\sin\theta$, $e^{i\theta}+e^{-i\theta}=2\cos\theta$로 정리합니다.
  6. 검산: $g(0)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int f\,dt$ (넓이 ÷ $\sqrt{2\pi}$).
왜 되나? (증명 스케치)

레시피 4의 "복소수 $c$여도 $\int e^{-a(t-c)^2}dt=\sqrt{\pi/a}$"만 보이면 됩니다. 실수 이동은 그냥 치환이므로 $c=i\beta$ (순허수)라고 둡니다.

그래서 완전제곱에서 생긴 허수 이동 $\frac{i\omega}{2a}$는 무시하고 실수 가우스 적분처럼 계산해도 됩니다.

예제 1-1 (가우스 함수) $f(t)=e^{-at^2}$, $a>0$

$b=i\omega$로 두고 완전제곱합니다.

$$\begin{aligned}-at^2+i\omega t&=-a\Big(t-\frac{i\omega}{2a}\Big)^2+\frac{(i\omega)^2}{4a}\\&=-a\Big(t-\frac{i\omega}{2a}\Big)^2-\frac{\omega^2}{4a}\end{aligned}$$ $$\begin{aligned}g(\omega)&=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\,e^{-\omega^2/4a}\\&\quad\times\int_{-\infty}^{\infty}e^{-a(t-i\omega/2a)^2}dt\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac\pi a}\,e^{-\omega^2/4a}\\&=\frac1{\sqrt{2a}}\,e^{-\omega^2/4a}\end{aligned}$$

특히 $a=\frac12$이면 $e^{-t^2/2}\to e^{-\omega^2/2}$로 모양이 그대로입니다. $t$ 쪽 폭은 $\frac1{\sqrt a}$ 정도, $\omega$ 쪽 폭은 $\sqrt a$ 정도라서 곱이 일정합니다(좁은 펄스 ↔ 넓은 스펙트럼).

검산: $g(0)=\frac{1}{\sqrt{2a}}$, 그리고 $\frac1{\sqrt{2\pi}}\int e^{-at^2}dt=\frac1{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac\pi a}=\frac1{\sqrt{2a}}$. 맞습니다.

예제 1-2 (사각 펄스 → sinc) $f(t)=1$ ($|t|<T$), $0$ (그 밖) $$\begin{aligned}g(\omega)&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_{-T}^{T}e^{i\omega t}dt\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{e^{i\omega T}-e^{-i\omega T}}{i\omega}\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{2i\sin\omega T}{i\omega}\\&=\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{\sin\omega T}{\omega}\end{aligned}$$

$\omega=0$에서는 극한으로 $g(0)=\sqrt{\frac2\pi}\,T$입니다. 넓이 $2T$를 $\sqrt{2\pi}$로 나눈 값과 같습니다. 0이 되는 점은 $\omega=\frac{n\pi}{T}$ ($n\ne0$)입니다.

예제 1-3 ($e^{-a|t|}$ → 로런츠형) $f(t)=e^{-a|t|}$, $a>0$ $$\begin{aligned}g(\omega)&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\Big[\int_{-\infty}^{0}e^{(a+i\omega)t}dt\\&\qquad+\int_0^\infty e^{-(a-i\omega)t}dt\Big]\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\Big[\frac1{a+i\omega}+\frac1{a-i\omega}\Big]\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{2a}{a^2+\omega^2}\\&=\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{a}{a^2+\omega^2}\end{aligned}$$

$t<0$에서는 $|t|=-t$라서 $e^{-a|t|}=e^{at}$입니다. 이 부호를 틀리는 일이 많습니다. 결과 $\frac{a}{a^2+\omega^2}$ 꼴을 로런츠형(Lorentzian)이라고 합니다.

2. 성질 표로 새 변환 만들기

레시피
  1. 주어진 $f$를 표에 있는 기본 함수에 이동·스케일·$t$ 곱하기·미분을 건 것으로 봅니다.
  2. 이 관례에서 부호를 기억하는 법: 정변환 지수가 $e^{+i\omega t}$이므로 시간 이동 $f(t-t_0)$에는 $e^{+i\omega t_0}$가 붙고, 미분은 $-i\omega$, $e^{-i\omega_0t}$를 곱하면 $\omega$가 $\omega-\omega_0$로 바뀝니다.
  3. 헷갈리면 정의식에 넣어 한 줄로 확인합니다(아래 상자).
왜 되나? (증명 스케치)

모두 정의식에 넣고 치환이나 부분적분을 한 번 하면 나옵니다.

예제 2-1 (감쇠 진동) $f(t)=e^{-at}\theta(t)\,e^{-i\omega_0t}$, $a>0$

먼저 $h(t)=e^{-at}\theta(t)$의 변환:

$$\begin{aligned}g_h(\omega)&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_0^\infty e^{-(a-i\omega)t}dt\\&=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{1}{a-i\omega}\end{aligned}$$

$e^{-i\omega_0t}$를 곱하면 주파수 이동으로 $\omega\to\omega-\omega_0$:

$$g(\omega)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{1}{a-i(\omega-\omega_0)}$$

정의로 직접 확인: $\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_0^\infty e^{-at-i\omega_0t+i\omega t}dt=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac1{a-i(\omega-\omega_0)}$. 같습니다.

세기 스펙트럼은 $|g|^2=\frac{1}{2\pi}\cdot\frac{1}{a^2+(\omega-\omega_0)^2}$입니다. $\omega_0$에 중심을 둔 로런츠형이고, 높이의 절반이 되는 폭(반폭)은 $a$입니다. 감쇠가 빠를수록($a$가 클수록) 선이 넓어집니다.

예제 2-2 ($t$ 곱하기와 시간 이동)

(a) $t\,e^{-t^2/2}$. 표에서 $e^{-t^2/2}\to e^{-\omega^2/2}$이고, $t$ 곱하기 규칙으로

$$\begin{aligned}&\mathcal F[t\,e^{-t^2/2}]=-i\frac{d}{d\omega}e^{-\omega^2/2}\\&=-i\cdot(-\omega)e^{-\omega^2/2}=i\omega\,e^{-\omega^2/2}\end{aligned}$$

다른 길로 확인합니다. $\frac{d}{dt}e^{-t^2/2}=-t\,e^{-t^2/2}$이므로 미분 규칙으로 $\mathcal F[-te^{-t^2/2}]=-i\omega e^{-\omega^2/2}$. 부호를 바꾸면 같은 답입니다. 두 규칙의 부호가 서로 맞는다는 확인이기도 합니다.

(b) $f(t)=1$ ($0<t<2T$), 0 (그 밖). 이것은 예제 1-2의 펄스를 $T$만큼 민 것입니다: $f(t)=p(t-T)$. 시간 이동 규칙으로

$$g(\omega)=e^{i\omega T}\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{\sin\omega T}{\omega}$$

직접 확인: $\frac1{\sqrt{2\pi}}\int_0^{2T}e^{i\omega t}dt=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{e^{2i\omega T}-1}{i\omega}=\frac{e^{i\omega T}}{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac{e^{i\omega T}-e^{-i\omega T}}{i\omega}$. 같습니다. 이동은 크기 $|g|$를 바꾸지 않고 위상만 바꿉니다.

3. 델타 함수, 상수, 코사인

레시피
  1. 핵심 적분 하나: $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}e^{ikt}dt=2\pi\,\delta(k)$.
  2. 델타가 들어 있으면 적분이 바로 끝납니다: $\int\delta(t-t_0)\,e^{i\omega t}dt=e^{i\omega t_0}$.
  3. 상수·$e^{-i\omega_0t}$·$\cos$·$\sin$은 지수로 쓰고 1번 적분을 씁니다.
  4. 검산은 역변환으로 합니다. 델타가 있으면 역변환 적분이 한 줄로 끝납니다.
왜 되나? (증명 스케치)

$\int e^{ikt}dt=2\pi\delta(k)$. 구간을 $(-L,L)$로 잘라 계산합니다.

$$\int_{-L}^{L}e^{ikt}dt=\frac{2\sin kL}{k}$$

이것은 $k=0$에서 높이 $2L$, 폭 $\frac\pi L$ 정도인 봉우리입니다. $k$로 적분한 넓이는 $L$과 상관없이 $2\int_{-\infty}^\infty\frac{\sin u}{u}du=2\pi$입니다. $L\to\infty$이면 넓이 $2\pi$인 무한히 좁은 봉우리, 즉 $2\pi\delta(k)$입니다.

역변환 공식(0절). 역변환식에 $g$의 정의를 넣고 적분 순서를 바꿉니다.

$$\begin{aligned}&\frac1{\sqrt{2\pi}}\int g(\omega)e^{-i\omega t}d\omega\\&=\frac1{2\pi}\int f(t')\Big[\int e^{i\omega(t'-t)}d\omega\Big]dt'\\&=\int f(t')\,\delta(t'-t)\,dt'=f(t)\end{aligned}$$

$\frac1{\sqrt{2\pi}}$ 두 개가 곱해진 $\frac1{2\pi}$가 $2\pi\delta$의 $2\pi$를 정확히 지웁니다. 그래서 정변환과 역변환에 $\frac1{\sqrt{2\pi}}$를 하나씩 나눠 줄 수 있습니다. (적분 순서를 바꿔도 되는지는 엄밀하게는 조건이 필요하지만 생략합니다.)

예제 3-1 $\delta(t)$, $1$, $\cos\omega_0t$의 변환

$\delta(t)$: $\ g=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int\delta(t)e^{i\omega t}dt=\frac1{\sqrt{2\pi}}e^{0}=\frac1{\sqrt{2\pi}}$.

$1$: $\ g=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int e^{i\omega t}dt=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot2\pi\delta(\omega)=\sqrt{2\pi}\,\delta(\omega)$.

$\cos\omega_0t$: $\cos\omega_0t=\frac12\big(e^{i\omega_0t}+e^{-i\omega_0t}\big)$이므로

$$\begin{aligned}g&=\frac12\cdot\frac1{\sqrt{2\pi}}\Big[2\pi\delta(\omega+\omega_0)\\&\qquad+2\pi\delta(\omega-\omega_0)\Big]\\&=\sqrt{\frac\pi2}\,\big[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)\big]\end{aligned}$$

역변환 검산: $\frac1{\sqrt{2\pi}}\int\sqrt{\frac\pi2}\big[\delta(\omega-\omega_0)+\delta(\omega+\omega_0)\big]e^{-i\omega t}d\omega=\frac12\big(e^{-i\omega_0t}+e^{i\omega_0t}\big)=\cos\omega_0t$.

그림으로 기억: 뾰족한 $\delta$ ↔ 평평한 상수, 끝없이 이어지는 $\cos$ ↔ 뾰족한 델타 두 개.

4. 합성곱 정리

레시피
  1. 합성곱(convolution): $(f*h)(t)=\int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)\,h(t-\tau)\,d\tau$.
  2. 이 관례에서 $\mathcal F[f*h]=\sqrt{2\pi}\,g_f(\omega)\,g_h(\omega)$입니다. 계수 $\sqrt{2\pi}$를 빠뜨리기 쉽습니다. 거꾸로 읽으면 "변환이 $g_fg_h$인 함수는 $\frac1{\sqrt{2\pi}}(f*h)$"입니다.
  3. 어떤 책은 합성곱 정의에 $\frac1{\sqrt{2\pi}}$를 넣어 이 계수를 없앱니다. 다른 책과 비교할 때 정의부터 확인합니다.
  4. 쓰는 곳: 합성곱 적분을 직접 하기 어려울 때, 또는 변환의 곱을 역변환해야 할 때(7절 ODE, 8절 열방정식).
왜 되나? (증명 스케치) $$\mathcal F[f*h]=\frac1{\sqrt{2\pi}}\iint f(\tau)h(t-\tau)e^{i\omega t}\,d\tau\,dt$$

$\tau$를 고정하고 $t$ 적분에서 $u=t-\tau$로 바꿉니다. $e^{i\omega t}=e^{i\omega\tau}e^{i\omega u}$로 갈라지므로 이중적분이 두 적분의 곱이 됩니다.

$$\begin{aligned}&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int f(\tau)e^{i\omega\tau}d\tau\int h(u)e^{i\omega u}du\\&=\frac1{\sqrt{2\pi}}\cdot\sqrt{2\pi}\,g_f\cdot\sqrt{2\pi}\,g_h=\sqrt{2\pi}\,g_fg_h\end{aligned}$$

각 적분이 $\sqrt{2\pi}\,g$이므로 $\sqrt{2\pi}$가 하나 남습니다. 곱의 변환 $\frac1{\sqrt{2\pi}}(g_f*g_h)$는 같은 계산을 역변환 쪽에서 한 것입니다.

예제 4-1 $e^{-t^2/2}*e^{-t^2/2}$를 두 방법으로

정리로: $\mathcal F[f*f]=\sqrt{2\pi}\,e^{-\omega^2/2}e^{-\omega^2/2}=\sqrt{2\pi}\,e^{-\omega^2}$. 이제 변환이 $e^{-\omega^2}$인 함수를 찾습니다. 예제 1-1에서 $\frac{1}{4a}=1$, 즉 $a=\frac14$로 두면 $e^{-t^2/4}\to\sqrt2\,e^{-\omega^2}$이므로 $e^{-\omega^2}$은 $\frac1{\sqrt2}e^{-t^2/4}$의 변환입니다.

$$f*f=\sqrt{2\pi}\cdot\frac1{\sqrt2}e^{-t^2/4}=\sqrt\pi\,e^{-t^2/4}$$

직접: 지수를 정리하면 $-\frac{\tau^2}{2}-\frac{(t-\tau)^2}{2}=-\tau^2+t\tau-\frac{t^2}{2}=-\big(\tau-\frac t2\big)^2-\frac{t^2}{4}$.

$$\int_{-\infty}^{\infty}e^{-(\tau-t/2)^2}d\tau\cdot e^{-t^2/4}=\sqrt\pi\,e^{-t^2/4}$$

두 답이 같습니다. $\sqrt{2\pi}$를 빠뜨렸다면 $\frac{1}{\sqrt2}e^{-t^2/4}$라는 틀린 답이 나옵니다.

5. 파세발(플랑셰렐) 등식으로 적분 계산

레시피
  1. 이 관례에서 $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}|f(t)|^2dt=\int_{-\infty}^{\infty}|g(\omega)|^2d\omega$. 플랑셰렐 정리(Plancherel theorem)라고 하고, 파세발 등식이라고도 부릅니다. 대칭 정규화라서 계수가 없습니다.
  2. 일반형: $\int f(t)\overline{h(t)}\,dt=\int g_f(\omega)\overline{g_h(\omega)}\,d\omega$.
  3. 쓰는 법: 구하려는 적분의 피적분함수를 $|g|^2$로 봅니다. 그에 대응하는 $f$의 $\int|f|^2dt$는 보통 아주 쉽습니다.
  4. 짝 맞추기: $\frac{\sin\omega}{\omega}$ ↔ 사각 펄스, $\frac{1}{a^2+\omega^2}$ ↔ $e^{-a|t|}$, $\frac{\sin^2(\omega/2)}{\omega^2}$ ↔ 삼각 펄스.
왜 되나? (증명 스케치)

$f$와 $\bar h$를 역변환식으로 쓰고 $t$ 적분을 먼저 합니다. 켤레를 취하면 지수 부호가 바뀌어 $\bar h=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int\overline{g_h(\omega')}e^{+i\omega't}d\omega'$입니다.

$$\begin{aligned}\int f\bar h\,dt&=\frac1{2\pi}\iint g_f(\omega)\overline{g_h(\omega')}\\&\qquad\times\Big[\int e^{-i(\omega-\omega')t}dt\Big]d\omega\,d\omega'\\&=\iint g_f(\omega)\overline{g_h(\omega')}\,\delta(\omega-\omega')\,d\omega\,d\omega'\\&=\int g_f\,\overline{g_h}\,d\omega\end{aligned}$$

$h=f$로 두면 플랑셰렐 등식입니다. 대칭 정규화에서는 $\frac1{2\pi}$와 $2\pi\delta$가 정확히 지워져 계수가 남지 않습니다.

예제 5-1 $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^2x}{x^2}dx=\pi$

예제 1-2에서 $T=1$: $f=1$ ($|t|<1$), $g=\sqrt{\frac2\pi}\frac{\sin\omega}{\omega}$.

좌변: $\int|f|^2dt=\int_{-1}^{1}1\,dt=2$. 우변: $\int|g|^2d\omega=\frac2\pi\int\frac{\sin^2\omega}{\omega^2}d\omega$.

$$\begin{aligned}&2=\frac2\pi\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^2\omega}{\omega^2}d\omega\\&\Rightarrow\ \int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^2x}{x^2}dx=\pi\end{aligned}$$

6. 폭과 불확정성 관계

레시피
  1. $|f|^2$와 $|g|^2$를 확률분포처럼 보고 폭(rms width)을 정의합니다. 여기서는 중심이 0인 경우만 봅니다($f$가 우함수나 기함수이면 그렇습니다). $$\begin{aligned}(\Delta t)^2&=\frac{\int t^2|f|^2dt}{\int|f|^2dt}\\(\Delta\omega)^2&=\frac{\int\omega^2|g|^2d\omega}{\int|g|^2d\omega}\end{aligned}$$
  2. $\Delta\omega$는 $g$를 구하지 않고 계산할 수 있습니다. 미분 규칙 $f'\to-i\omega g$와 파세발 등식으로 $\int\omega^2|g|^2d\omega=\int|f'|^2dt$이고, 분모는 $\int|g|^2d\omega=\int|f|^2dt$입니다. $$(\Delta\omega)^2=\frac{\int|f'|^2dt}{\int|f|^2dt}$$ 사각 펄스처럼 점프가 있으면 $f'$에 델타가 생겨 $\Delta\omega=\infty$입니다.
  3. 불확정성 관계(uncertainty relation): 언제나 $\Delta t\,\Delta\omega\ge\frac12$이고, 등호는 가우스 함수일 때만입니다.
  4. 쓰는 적분: $\int_0^\infty t^ne^{-ct}dt=\frac{n!}{c^{n+1}}$, $\ \int_{-\infty}^\infty e^{-ct^2}dt=\sqrt{\frac\pi c}$, $\ \int_{-\infty}^\infty t^2e^{-ct^2}dt=\frac{\sqrt\pi}{2c^{3/2}}$.
  5. 양자역학에서는 $t\to x$, $\omega\to k=\frac p\hbar$로 읽습니다. 운동량 표현(momentum representation)의 파동함수가 관례 C의 $\phi(k)$이고, 같은 계산으로 $\Delta x\,\Delta p\ge\frac\hbar2$가 나옵니다. Arfken 20장에 운동량 표현 예가 있는 것으로 기억합니다(기억 기반, 미검증).
예제 6-1 가우스 $f(t)=e^{-at^2}$의 $\Delta t\,\Delta\omega$

분모: $\int|f|^2dt=\int e^{-2at^2}dt=\sqrt{\frac{\pi}{2a}}$.

$\Delta t$: $c=2a$로 두고 $\int t^2e^{-2at^2}dt=\frac{\sqrt\pi}{2(2a)^{3/2}}$.

$$(\Delta t)^2=\frac{\sqrt\pi}{2(2a)^{3/2}}\cdot\sqrt{\frac{2a}{\pi}}=\frac{1}{2\cdot2a}=\frac1{4a}$$

$\Delta\omega$: $f'=-2at\,e^{-at^2}$이므로 $\int|f'|^2dt=4a^2\int t^2e^{-2at^2}dt$. 분모로 나누면

$$(\Delta\omega)^2=4a^2\cdot(\Delta t)^2=4a^2\cdot\frac1{4a}=a$$

곱: $\Delta t\,\Delta\omega=\frac{1}{2\sqrt a}\cdot\sqrt a=\frac12$. 등호입니다.

검산: 예제 1-1에서 $|g|^2=\frac1{2a}e^{-\omega^2/2a}$입니다. 이것은 분산이 $a$인 정규분포 모양이므로 $(\Delta\omega)^2=a$. 같습니다. $a$를 바꾸면 $\Delta t$와 $\Delta\omega$가 반대로 움직이고 곱은 그대로입니다.

왜 되나? (증명 스케치)

실수 $f$로 보입니다(복소수도 비슷합니다). $t\to\pm\infty$에서 $tf^2\to0$이라 두고 $\int f^2dt$를 부분적분합니다($1=\frac{d}{dt}t$).

$$\begin{aligned}\int f^2dt&=\big[tf^2\big]_{-\infty}^{\infty}\\&\quad-\int t\cdot2ff'\,dt\\&=-2\int(tf)\,f'\,dt\end{aligned}$$

코시-슈바르츠 부등식 $\big|\int uv\big|\le\sqrt{\int u^2}\sqrt{\int v^2}$에 $u=tf$, $v=f'$을 넣습니다.

$$\int f^2\le2\sqrt{\int t^2f^2}\,\sqrt{\int f'^2}$$

양변을 $\int f^2$로 나누면 레시피 2의 식으로 $1\le2\,\Delta t\,\Delta\omega$입니다. 등호는 $f'$이 $tf$에 비례할 때, 즉 $f'=-2atf$일 때입니다. 그 해가 $f=Ce^{-at^2}$, 가우스입니다.

7. 푸리에 변환으로 ODE 풀기

레시피
  1. 양변을 변환합니다. $y\to Y(\omega)$, $y'\to-i\omega Y$, $y''\to(-i\omega)^2Y=-\omega^2Y$, 입력 $f\to F(\omega)$.
  2. 대수 방정식을 $Y$에 대해 풉니다: $Y=F(\omega)\times(\text{유리함수})$.
  3. 역변환은 둘 중 하나로 합니다. (a) 유리함수를 부분분수로 쪼개고 표($e^{-a|t|}$ 등)로 되돌립니다. (b) 합성곱 정리로 $y=f*G$ 꼴로 씁니다. (b)에서는 $\sqrt{2\pi}$ 계수에 주의합니다.
  4. $f=\delta(t)$일 때의 해 $G(t)$를 그린 함수(Green's function)라고 합니다. 그러면 일반 입력의 해는 $y=f*G$입니다.
  5. 이 방법은 $t\to\pm\infty$에서 0으로 가는(또는 유계인) 해만 줍니다(경계조건이 들어 있음). 초기값 문제는 L20 라플라스 변환이 맞습니다.
  6. 전달함수(transfer function) $H(\omega)=\frac{Y(\omega)}{F(\omega)}$: 입력 $e^{-i\omega_0t}$에 대한 정상 상태 출력은 $H(\omega_0)e^{-i\omega_0t}$입니다(ODE에 넣으면 바로 확인됨). 입력이 $\cos\omega_0t$이면 출력은 $\mathrm{Re}\big[H(\omega_0)e^{-i\omega_0t}\big]=|H|\cos(\omega_0t-\arg H)$입니다. $|H|$가 증폭률, $\arg H$가 위상 지연입니다. 신호 처리에서 필터를 이렇게 다룹니다(Arfken 20.5절, 기억 기반, 미검증).
예제 7-1 $-y''+k^2y=f(t)$, $k>0$

변환: $-(-\omega^2Y)+k^2Y=F$이므로 $Y=\dfrac{F(\omega)}{\omega^2+k^2}$.

합성곱으로 쓰기: $Y=\sqrt{2\pi}\,F\cdot H$로 두면 $H=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\cdot\frac1{\omega^2+k^2}$입니다. 표의 $e^{-k|t|}\to\sqrt{\frac2\pi}\frac{k}{k^2+\omega^2}$와 비교하면

$$\begin{aligned}H&=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\cdot\sqrt{\frac\pi2}\,\frac1k\cdot\sqrt{\frac2\pi}\frac{k}{k^2+\omega^2}\\&=\frac{1}{2k}\,\mathcal F\big[e^{-k|t|}\big]\end{aligned}$$

($\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\sqrt{\frac\pi2}=\frac12$.) 따라서 $h(t)=\frac{e^{-k|t|}}{2k}$이고

$$\begin{aligned}y(t)&=(f*h)(t)\\&=\frac{1}{2k}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-k|t-\tau|}f(\tau)\,d\tau\\G(t)&=\frac{e^{-k|t|}}{2k}\end{aligned}$$

구체적인 입력: $k=2$, $f(t)=e^{-|t|}$. 이번에는 부분분수로 역변환합니다. $F=\sqrt{\frac2\pi}\frac{1}{1+\omega^2}$이므로

$$\begin{aligned}Y&=\sqrt{\frac2\pi}\,\frac{1}{(1+\omega^2)(4+\omega^2)}\\&=\frac13\sqrt{\frac2\pi}\Big[\frac{1}{1+\omega^2}-\frac{1}{4+\omega^2}\Big]\end{aligned}$$

표에서 $\sqrt{\frac2\pi}\frac{1}{1+\omega^2}\leftarrow e^{-|t|}$, $\ \sqrt{\frac2\pi}\frac{1}{4+\omega^2}=\frac12\sqrt{\frac2\pi}\frac{2}{4+\omega^2}\leftarrow\frac12e^{-2|t|}$.

$$y(t)=\frac13e^{-|t|}-\frac16e^{-2|t|}$$

검산($t>0$): $y''=\frac13e^{-t}-\frac46e^{-2t}$, $\ -y''+4y=-\frac13e^{-t}+\frac23e^{-2t}+\frac43e^{-t}-\frac23e^{-2t}=e^{-t}$. 또 $y'(0^+)=-\frac13+\frac13=0$이라 $t=0$에서 꺾이지 않습니다(입력에 델타가 없으므로 맞음).

예제 7-2 (전달함수, RC 저역 통과 필터) $y'+y=f(t)$ (시간 단위를 $RC=1$로 잡은 RC 회로)

전달함수: 변환하면 $(-i\omega+1)Y=F$이므로 $H(\omega)=\dfrac{1}{1-i\omega}$, $\ |H|=\dfrac{1}{\sqrt{1+\omega^2}}$. 낮은 진동수는 거의 그대로($|H|\approx1$) 지나가고 높은 진동수는 $\frac1\omega$배로 줄어듭니다. 그래서 저역 통과 필터(low-pass filter)입니다.

입력 $\cos t$ ($\omega_0=1$): $H(1)=\frac{1}{1-i}=\frac{1+i}{2}$, $\ |H|=\frac1{\sqrt2}$, $\ \arg H=\frac\pi4$.

$$\begin{aligned}y&=\mathrm{Re}\Big[\frac{1+i}{2}(\cos t-i\sin t)\Big]\\&=\frac{\cos t+\sin t}{2}=\frac1{\sqrt2}\cos\Big(t-\frac\pi4\Big)\end{aligned}$$

검산: $y'+y=\frac{-\sin t+\cos t}{2}+\frac{\cos t+\sin t}{2}=\cos t$. 입력이 $\cos10t$이면 $|H(10)|=\frac1{\sqrt{101}}\approx0.0995$로 약 10분의 1이 됩니다. (일반해에는 $Ce^{-t}$가 더 붙지만 시간이 지나면 사라집니다. 푸리에 방법은 남는 정상 상태만 줍니다.)

8. 편미분방정식 — 무한 막대의 열방정식

레시피 ($-\infty<x<\infty$에서 $u_t=Du_{xx}$, $u(x,0)=u_0(x)$)
  1. $x$에 대해서만 변환합니다: $U(\omega,t)=\frac1{\sqrt{2\pi}}\int u(x,t)e^{i\omega x}dx$. 미분 규칙으로 $u_{xx}\to-\omega^2U$이고, $t$ 미분은 그대로 $U_t$입니다.
  2. PDE가 $\omega$마다 따로인 1계 ODE가 됩니다: $U_t=-D\omega^2U$이므로 $U(\omega,t)=U_0(\omega)\,e^{-D\omega^2t}$.
  3. 역변환은 두 길이 있습니다. (a) $U_0e^{-D\omega^2t}$가 표에 있는 꼴이면 바로 되돌립니다(가우스끼리는 지수를 더하면 됨). (b) 합성곱 정리로 $u=u_0*K$. 여기서 $K$는 열 핵(heat kernel)입니다. $$K(x,t)=\frac{1}{\sqrt{4\pi Dt}}\,e^{-x^2/4Dt}$$
  4. 점검: 전체 열 $\int u\,dx=\sqrt{2\pi}\,U(0,t)$는 시간이 지나도 그대로입니다($\omega=0$에서 $e^{0}=1$).
  5. 파동방정식 $u_{tt}=c^2u_{xx}$도 같은 방법입니다: $U_{tt}=-c^2\omega^2U$이므로 $U=A(\omega)\cos c\omega t+B(\omega)\sin c\omega t$.
  6. Arfken 20장에 이런 PDE 예가 있는 것으로 기억합니다(기억 기반, 미검증). 유한 구간 문제는 L26 변수분리에서 다룹니다.
예제 8-1 $u_t=u_{xx}$ ($D=1$), $u(x,0)=e^{-x^2}$

① 초기값의 변환: 표($a=1$)에서 $U_0=\frac1{\sqrt2}e^{-\omega^2/4}$.

② 시간 발전: $U=\frac1{\sqrt2}e^{-\omega^2/4}e^{-\omega^2t}=\frac1{\sqrt2}e^{-\omega^2(1+4t)/4}$.

③ 역변환: 표의 $e^{-bx^2}\to\frac1{\sqrt{2b}}e^{-\omega^2/4b}$와 맞추려면 $\frac1{4b}=\frac{1+4t}{4}$, 즉 $b=\frac{1}{1+4t}$입니다. 그러면 $e^{-\omega^2(1+4t)/4}=\sqrt{2b}\,\mathcal F[e^{-bx^2}]$이므로

$$\begin{aligned}U&=\frac1{\sqrt2}\sqrt{2b}\,\mathcal F[e^{-bx^2}]=\sqrt b\,\mathcal F[e^{-bx^2}]\\u(x,t)&=\frac{1}{\sqrt{1+4t}}\,e^{-x^2/(1+4t)}\end{aligned}$$

검산: $t=0$이면 $e^{-x^2}$. 전체 열 $\int u\,dx=\sqrt b\cdot\sqrt{\pi/b}=\sqrt\pi$로 일정합니다. $s=1+4t$로 두면 $u=s^{-1/2}e^{-x^2/s}$이고

$$\begin{aligned}u_t&=4\,\partial_su=\big(-2s^{-3/2}+4x^2s^{-5/2}\big)e^{-x^2/s}\\u_{xx}&=\big(-2s^{-3/2}+4x^2s^{-5/2}\big)e^{-x^2/s}\end{aligned}$$

같습니다. 봉우리 높이는 $\frac1{\sqrt{1+4t}}$로 낮아지고 폭은 $\sqrt{1+4t}$로 넓어집니다.

왜 되나? (증명 스케치)

$e^{-D\omega^2t}$는 $\omega$의 가우스입니다. 예제 1-1에서 $a=\frac1{4Dt}$로 두면 $\mathcal F\big[e^{-x^2/4Dt}\big]=\sqrt{2Dt}\,e^{-D\omega^2t}$입니다. 그래서

$$\begin{aligned}U_0\,e^{-D\omega^2t}&=\sqrt{2\pi}\,U_0\cdot\frac{e^{-D\omega^2t}}{\sqrt{2\pi}}\\&=\sqrt{2\pi}\,U_0\cdot\mathcal F\Big[\frac{e^{-x^2/4Dt}}{\sqrt{2\pi}\sqrt{2Dt}}\Big]\end{aligned}$$

합성곱 정리(4절)를 거꾸로 읽으면 $u=u_0*K$이고 $K=\frac{e^{-x^2/4Dt}}{\sqrt{4\pi Dt}}$입니다. $t\to0^+$이면 $K$는 넓이 1을 유지한 채 좁아져 $\delta(x)$가 되므로 초기조건도 맞습니다. 폭 $\sqrt{2Dt}$가 $\sqrt t$로 커지는 것이 확산의 특징입니다.

9. 이산 푸리에 변환 (DFT)

레시피
  1. 정의(이 레슨의 DFT 관례): 데이터 $x_0,\dots,x_{N-1}$에 대해 $$\begin{aligned}X_p&=\sum_{k=0}^{N-1}x_k\,W^{pk}\\W&=e^{-2\pi i/N}\\x_k&=\frac1N\sum_{p=0}^{N-1}X_p\,W^{-pk}\end{aligned}$$ 이것은 numpy 같은 소프트웨어가 쓰는 관례입니다. 위의 연속 변환과 지수 부호와 정규화가 다릅니다. Arfken 20.6절의 DFT 정의는 대조하지 않았습니다(미검증).
  2. $N=4$이면 $W=e^{-i\pi/2}=-i$. 거듭제곱은 $W^0=1$, $W^1=-i$, $W^2=-1$, $W^3=i$이고 $W^m=W^{m\bmod 4}$.
  3. 행렬로 쓰면 $X=Mx$, $M_{pk}=W^{pk}$. 지수 $pk$를 4로 나눈 나머지만 보면 됩니다.
  4. 검산: $X_0=\sum x_k$ (합), 실수 데이터면 $X_{N-p}=\overline{X_p}$, 그리고 $\sum|x_k|^2=\frac1N\sum|X_p|^2$ (DFT의 파세발).
왜 되나? (증명 스케치)

역변환이 맞는 이유는 1의 거듭제곱근의 합입니다. $W^N=1$이므로 등비급수로

$$\sum_{p=0}^{N-1}W^{mp}=\begin{cases}N&m\equiv0\pmod N\\[2pt]\dfrac{1-W^{mN}}{1-W^m}=0&\text{그 밖}\end{cases}$$

역변환식에 $X_p=\sum_jx_jW^{pj}$를 넣으면 $\frac1N\sum_jx_j\sum_pW^{p(j-k)}=\frac1N\cdot Nx_k=x_k$입니다. 연속 변환의 $\int e^{ikt}dt=2\pi\delta(k)$ 자리에 여기서는 $\sum_pW^{mp}=N\delta_{m0}$이 들어갑니다. 그래서 역변환에 $\frac1N$이 붙습니다.

예제 9-1 $N=4$, $x=(1,\,2,\,0,\,-1)$ $$M=\begin{pmatrix}1&1&1&1\\1&-i&-1&i\\1&-1&1&-1\\1&i&-1&-i\end{pmatrix}$$

각 행과 $x$를 곱합니다.

검산: $X_3=\overline{X_1}$ (실수 데이터). 파세발: $\sum|x_k|^2=1+4+0+1=6$, $\ \frac14\sum|X_p|^2=\frac14(4+10+0+10)=6$.

역변환으로 $x_1$ 되찾기: $W^{-1}=i$, $W^{-2}=-1$, $W^{-3}=-i$이므로

$$\begin{aligned}x_1&=\frac14\big[2+(1-3i)(i)\\&\qquad+0+(1+3i)(-i)\big]\\&=\frac14\big[2+(3+i)+(3-i)\big]=2\end{aligned}$$

10. 자주 하는 실수

11. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 모든 답은 이 레슨의 관례로 SymPy/mpmath 검산했습니다. $a>0$, $\omega_0>0$입니다.

A. 정의대로

A1. $f(t)=e^{-t^2}$

답$\dfrac{1}{\sqrt2}e^{-\omega^2/4}$ — 예제 1-1에서 $a=1$.

A2. $f(t)=1$ ($0<t<1$), $0$ (그 밖)

답$\dfrac{e^{i\omega}-1}{i\sqrt{2\pi}\,\omega}=e^{i\omega/2}\sqrt{\dfrac2\pi}\,\dfrac{\sin(\omega/2)}{\omega}$ — 예제 2-2 (b)에서 $T=\frac12$.

A3. $f(t)=e^{-at}\theta(t)$

답$\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}\,(a-i\omega)}$ — $\int_0^\infty e^{-(a-i\omega)t}dt=\frac1{a-i\omega}$.

A4. $f(t)=\dfrac{1}{1+t^2}$

답$\sqrt{\dfrac\pi2}\,e^{-|\omega|}$ — 예제 1-3의 역변환을 거꾸로 읽으면 $\int\frac{e^{-i\omega t}}{1+\omega^2}d\omega=\pi e^{-|t|}$. 문자만 바꿔 씁니다(유수로도 됩니다, L12).

A5. 삼각 펄스 $f(t)=1-|t|$ ($|t|<1$), $0$ (그 밖)

답$\sqrt{\dfrac2\pi}\,\dfrac{1-\cos\omega}{\omega^2}=\sqrt{\dfrac2\pi}\,\dfrac{2\sin^2(\omega/2)}{\omega^2}$ — 우함수라서 $\frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_0^1(1-t)\cos\omega t\,dt$.

B. 성질 표 쓰기

B1. $f(t)=e^{-(t-3)^2/2}$

답$e^{3i\omega}e^{-\omega^2/2}$ — 시간 이동 $t_0=3$.

B2. $e^{-|t|}$의 변환에서 스케일링으로 $e^{-2|t|}$의 변환을 구하세요.

답$\frac12g\big(\frac\omega2\big)=\frac12\sqrt{\frac2\pi}\frac{1}{1+\omega^2/4}=\sqrt{\dfrac2\pi}\,\dfrac{2}{4+\omega^2}$ — 표의 $a=2$와 같습니다.

B3. $f(t)=e^{-a|t|}\cos\omega_0t$

답$\dfrac12\sqrt{\dfrac2\pi}\Big[\dfrac{a}{a^2+(\omega-\omega_0)^2}+\dfrac{a}{a^2+(\omega+\omega_0)^2}\Big]$ — $\cos=\frac12(e^{i\omega_0t}+e^{-i\omega_0t})$와 주파수 이동.

B4. $f(t)=t^2e^{-t^2/2}$

답$(1-\omega^2)\,e^{-\omega^2/2}$ — $t$ 곱하기 두 번: $\big(-i\frac{d}{d\omega}\big)^2e^{-\omega^2/2}=-\frac{d^2}{d\omega^2}e^{-\omega^2/2}$.

B5. $f(t)=t\,e^{-at}\theta(t)$

답$\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}\,(a-i\omega)^2}$ — A3에 $-i\frac{d}{d\omega}$: $\frac{d}{d\omega}\frac1{a-i\omega}=\frac{i}{(a-i\omega)^2}$.

B6. $f(t)=e^{-at}\sin(\omega_0t)\,\theta(t)$

답$\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}}\cdot\dfrac{\omega_0}{(a-i\omega)^2+\omega_0^2}$ — $\sin=\frac{1}{2i}(e^{i\omega_0t}-e^{-i\omega_0t})$로 쪼개 A3을 두 번 쓰고 통분.

C. 델타와 합성곱

C1. $f(t)=\delta(t-t_0)$

답$\dfrac{e^{i\omega t_0}}{\sqrt{2\pi}}$ — 델타가 적분을 먹습니다. 시간 이동 규칙과도 맞습니다.

C2. $f(t)=\sin\omega_0t$

답$i\sqrt{\dfrac\pi2}\,\big[\delta(\omega-\omega_0)-\delta(\omega+\omega_0)\big]$ — $e^{-i\omega_0t}\to\sqrt{2\pi}\delta(\omega-\omega_0)$, $e^{i\omega_0t}\to\sqrt{2\pi}\delta(\omega+\omega_0)$, 그리고 $\frac1{2i}=-\frac i2$.

C3. 예제 1-2의 펄스 $p$에 대해 $p*p$를 구하고, 그 변환을 직접 적분과 합성곱 정리 두 방법으로 구하세요.

답$p*p=2T-|t|$ ($|t|<2T$), 0 (그 밖) — 두 구간이 겹치는 길이. 변환은 $\sqrt{2\pi}\cdot\frac2\pi\frac{\sin^2\omega T}{\omega^2}=\dfrac{4}{\sqrt{2\pi}}\dfrac{\sin^2\omega T}{\omega^2}$.

C4. $e^{-|t|}*e^{-|t|}$를 직접 계산하고, 그 변환이 $\sqrt{2\pi}\,g^2$와 같은지 확인하세요.

답$(1+|t|)\,e^{-|t|}$. 변환은 $\sqrt{2\pi}\cdot\frac2\pi\frac{1}{(1+\omega^2)^2}=\dfrac{2\sqrt{2/\pi}}{(1+\omega^2)^2}$ — $t>0$에서 $\tau<0$, $0<\tau<t$, $\tau>t$ 세 구간으로 나눠 적분합니다.

D. 파세발 등식과 폭

D1. $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{d\omega}{(a^2+\omega^2)^2}$

답$\dfrac{\pi}{2a^3}$ — $f=e^{-a|t|}$: $\int e^{-2a|t|}dt=\frac1a=\frac2\pi a^2\int\frac{d\omega}{(a^2+\omega^2)^2}$.

D2. $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^2 3x}{x^2}dx$

답$3\pi$ — 펄스 $T=3$: $\int|f|^2=6=\frac2\pi\int\frac{\sin^23\omega}{\omega^2}d\omega$.

D3. $\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\frac{\sin^4x}{x^4}dx$ (A5를 쓰세요)

답$\dfrac{2\pi}{3}$ — $\int(1-|t|)^2dt=\frac23=\frac{8}{\pi}\int\frac{\sin^4(\omega/2)}{\omega^4}d\omega$. $\omega=2u$로 바꾸면 $\frac1\pi\int\frac{\sin^4u}{u^4}du=\frac23$.

D4. $f(t)=e^{-a|t|}$의 $\Delta t$, $\Delta\omega$와 곱 $\Delta t\,\Delta\omega$를 구하세요.

답$\Delta t=\dfrac{1}{\sqrt2\,a}$, $\Delta\omega=a$, 곱 $\dfrac1{\sqrt2}\approx0.707$ — $\int|f|^2=\frac1a$, $\int t^2e^{-2a|t|}dt=2\cdot\frac{2!}{(2a)^3}=\frac1{2a^3}$, $|f'|^2=a^2e^{-2a|t|}$이라 $\int|f'|^2=a$. $\frac12$보다 큽니다.

D5. 삼각 펄스(A5) $f=1-|t|$ ($|t|<1$)의 $\Delta t\,\Delta\omega$를 구하세요.

답$\sqrt{\dfrac{3}{10}}\approx0.548$ — $\int(1-|t|)^2dt=\frac23$, $\int t^2(1-|t|)^2dt=\frac1{15}$이므로 $(\Delta t)^2=\frac1{10}$. $|f'|=1$ ($|t|<1$)이라 $\int|f'|^2=2$, $(\Delta\omega)^2=3$. 가우스의 $0.5$에 꽤 가깝습니다.

E. ODE, 전달함수, PDE

E1. $-y''+y=\delta(t-2)$ ($t\to\pm\infty$에서 $y\to0$)

답$y=\dfrac12e^{-|t-2|}$ — 그린 함수 $\frac{e^{-k|t|}}{2k}$에서 $k=1$, 델타 위치만큼 이동.

E2. $-y''+y=e^{-2|t|}$

답$y=\dfrac23e^{-|t|}-\dfrac13e^{-2|t|}$ — $Y=\sqrt{\frac2\pi}\frac{2}{(1+\omega^2)(4+\omega^2)}=\frac23\sqrt{\frac2\pi}\big[\frac1{1+\omega^2}-\frac1{4+\omega^2}\big]$.

E3. $y'+ay=f(t)$의 해를 합성곱으로 쓰세요.

답$y(t)=\displaystyle\int_{-\infty}^{t}e^{-a(t-\tau)}f(\tau)\,d\tau$ — $Y=\frac{F}{a-i\omega}=\sqrt{2\pi}\,F\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}(a-i\omega)}$이고 뒤의 것은 $e^{-at}\theta(t)$의 변환(A3). 그린 함수 $G=e^{-at}\theta(t)$는 과거 입력에만 반응합니다.

E4. $y'+2y=\cos2t$의 정상 상태 해를 전달함수로 구하세요. 증폭률과 위상 지연은?

답$y=\dfrac{\cos2t+\sin2t}{4}=\dfrac{1}{2\sqrt2}\cos\Big(2t-\dfrac\pi4\Big)$ — $H=\frac1{2-i\omega}$, $H(2)=\frac{1}{2-2i}=\frac{1+i}{4}$. $|H|=\frac1{2\sqrt2}$, $\arg H=\frac\pi4$.

E5. $u_t=u_{xx}$, $u(x,0)=\delta(x)$를 푸세요. 전체 열 $\int u\,dx$는 얼마입니까?

답$u=\dfrac{1}{\sqrt{4\pi t}}e^{-x^2/4t}$ (열 핵 자체), $\int u\,dx=1$ — $U_0=\frac1{\sqrt{2\pi}}$이므로 $U=\frac1{\sqrt{2\pi}}e^{-\omega^2t}$. 이것이 $K$의 변환입니다($\sqrt{2\pi}\,U(0,t)=1$).

E6. 파동방정식 $u_{tt}=c^2u_{xx}$, $u(x,0)=f(x)$, $u_t(x,0)=0$을 푸리에 변환으로 풀어 달랑베르 해를 얻으세요.

답$u=\dfrac12\big[f(x-ct)+f(x+ct)\big]$ — $U=F(\omega)\cos c\omega t=\frac12F\,(e^{ic\omega t}+e^{-ic\omega t})$. 시간 이동 규칙 $f(x-x_0)\to e^{i\omega x_0}F$에서 $x_0=\pm ct$.

F. DFT ($N=4$)

F1. $x=(1,0,0,0)$

답$X=(1,1,1,1)$ — 행렬의 첫 열.

F2. $x=(1,1,1,1)$

답$X=(4,0,0,0)$ — 상수 데이터는 $p=0$ 성분만 있습니다.

F3. $x=(0,1,0,-1)$

답$X=(0,\,-2i,\,0,\,2i)$ — $X_p=W^p-W^{3p}$. 데이터가 $\sin\frac{\pi k}{2}$이므로 $p=1,3$에만 성분이 있습니다.

F4. $X=(0,2,0,2)$의 역 DFT

답$x=(1,0,-1,0)$ — $x_k=\frac14\big(2i^k+2(-i)^k\big)=\cos\frac{\pi k}{2}$.

12. 다음

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