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Time (by Pink Floyd) 2nd Order Ordinary Differential Equation Prof. Seewhy Lee 2계 미분방정식이라구?? 2nd Order Linear Differential Equation A( x) y" B( x) y' C ( x) y G( x) y1만을 포함하고 있음 Linear (선형) G(x) = 0 Homogeneous (제차, 동차) G(x) ≠ 0 Inhomogeneous (비제차) Our Concern A( x) y" B( x) y' C ( x) y G( x) Homogeneous: G(x) = 0 Const. Coefficients: A( x) a, B( x) b, C ( x) c a y" b y' c y 0 Textbook p.297~299 2계 제차 선형 미분방정식의 해 두 개의 서로 독립인 함수 y1(x), y2(x)를 포함 일반해는 그 두 해의 선형 결합: y(x) = c1 y1(x) + c2 y2(x) 두 개의 초기조건 적용: 두 상수 c1, c2 결정 y" 0 y1 ( x) 1 y2 ( x) x y( x) c1 y1 ( x) c2 y2 ( x) c1 c2 x 선형결합 Initial Condition: y(0) 3 y ' (0) 1 c1 3 c2 1 y ( x) 3 x 서로 (1차) 독립일 조건 f g W f g ' f ' g 0 (Wronskian) f ' g' g ( x) x f ( x) 1 W 1 x 0 1 f ( x) x 독립 1 0 g ( x) 2 x x 2x W 0 1 2 종속 Quiz g ( x) 1 x f ( x) 1 x 독립 여부? 상수계수 2계 제차 선형 미분방정식 a y" b y' c y 0 y e , t constant tx y' tetx , y" t 2etx a t 2etx b tetx c etx 0 at2 bt c 0 (특성방정식) Case A: Two Distinct Real Roots at bt c 0 2 t t1 , t2 (특성방정식) t1 t2 Your Due: Prove that exp(t1x) and exp(t2x) are independent. y( x) c1 exp(t1 x) c2 exp(t2 x) Your Due: <예제 2.1>, <연습문제 1> A Simple Example y" y 0 ye y(0) 0, y' (0) 2 y' te tx tx t e e 2 tx tx 2 tx y" t e t 1 0 y( x) c1e x c2e x y(0) c1 c2 0, y' (0) c1 c2 2 y( x) e e x x 2 sinh x Case B: One Equal Root at bt c 0 2 y1 ( x) exp(tx) , (특성방정식) y2 ( x) x exp(tx) Your Due: Prove that y1(x) and y2(x) are independent. y( x) (c1 c2 x)etx Your Due: <예제 2.2>, <연습문제 1> Case C: Two Distinct Imaginary Roots at bt c 0 2 (특성방정식) t1 i , t2 i y( x) c1 exp(t1 x) c2 exp(t2 x) 이 함수는 지수함수와 삼각함수의 결합으로 표현된다. Euler’s Formula i e cos i sin (2.71828...) 13.141592... 1 0 A Simple Example y" y 0 y etx y(0) 1, y' (0) 0 y' tetx t 2etx etx 0 y" t 2etx t i y( x) c1eix c2eix y(0) c1 c2 1, y' (0) i(c1 c2 ) 0 1 ix ix y ( x) (e e ) cos x 2 Shock Absorber • Shock Absorber • 차체의 진동을 빠르게 소멸시킴 • “쇼바”가 아니고 “쇼크 앱소버” 작지만 매우 중요한 부품 Shock Absorber Shock Absorber 역할과 목적 차체에 오는 충격을 진동으로 바꿔주고 가장 아늑하게 소멸시킴 감쇠력과 감쇠상수 물체가 빠를수록 액체로부터 받는 감쇠력(저항력) 은 크다. (DampingForce) FD v 감쇠력의 방향은 물체의 운동 방향과 반대이 다. m dx FD bv b dt b : 감쇠상수 (감쇠력과 속도 사이의 비례상수) 스프링에 매달린 물체에 작용하는 두 힘 스프링의 복원력 (Hooke의 법칙) (RestoringForce) FR kx 액체의 감쇠력 m dx FD bv b dt 물체가 받는 힘 dx F FD FR bv kx b kx dt 감쇠진동에 대한 미분방정식 뉴턴의 운동방정식 d 2x F ma m 2 dt 물체가 받는 힘 dx F FD FR b kx dt 미분방정식 d 2x dx m 2 b kx 0 dt dt 2 d x dx b k 2 2 0 x 0 , 0 2 dt dt 2m m 풀이 d 2x dx 2 2 0 x 0 2 dt dt x et , constant 2 dx d x t 2 t e , e 2 dt dt 2 t t 2 t e 2e 0 e 0 2 0 0 (특성방정식) 2 2 0 2 2 Case A: Under-Damping 0 2 0 2 i x1 (t ) e ( i )t 0 2 x2 (t ) e 2 ( i )t x(t ) c1 x1 (t ) c2 x2 (t ) et c1eit c2eit (선형결합) Case A: Under-Damping (Continued) x(t ) e t c e it 1 c2e it et c1 ' sin(t ) c2 ' cos(t ) cet cos(t ) x(t ) c e 감 쇠 t cos(t ) 진 동 Damped Oscillation Case B: Over-Damping 0 2 2 0 0 1 0 0 2 2 2 2 1t 2t x1 (t ) e x2 (t ) e x(t ) c1 x1 (t ) c2 x2 (t ) 1t c1e 2t c2e 2 (단조감 소) (선형결 합) Case C: Critical Damping x1 (t ) e t x2 (t ) tet x(t ) c1 x1 (t ) c2 x2 (t ) c1 c2t e t (선형결 합) 이 경우 진동이 가장 빨리 소멸 No Damping Under-Damping Critical Damping Over-Damping 감쇠진동 2~3회 왕복에 진동이 거의 소멸되도록 설계 Case Study 2: Critical Damping • 임계감쇠 • 최단시간에 진동을 소멸시킴 • 적용 예: 도어 Case Study 2: Critical Damping • 임계감쇠 • 최단시간에 진동을 소멸시킴 • 적용 예: 도어 Little Damping Door Damper 특성방정식이 중근을 가질 때 감쇠가 가장 빠르다! Summary 2계 선형 미분방정식: 제차 / 비제차 우리는 상수계수 제차 미방만을 다룸 서로 독립인 두 개의 함수가 필요 두 함수가 서로 독립일 조건은 W≠0 일반해는 독립인 두 함수의 선형결합 상수계수 제차 미방: 특성방정식 풀이를 통해 두 근이 서로 다른 경우와 중근인 경우로 나