nμ°¨ 미뢄방정식을 n개의 1μ°¨ 미뢄방정식 μ‹œμŠ€ν…œμœΌλ‘œ λ³€ν™˜ν•˜λŠ” 방법에 λŒ€ν•˜μ—¬

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λ³΅μˆ˜μ „κ³΅ν•˜κ³  μžˆλŠ” μˆ˜ν•™κ³Όμ˜ μ‘Έμ—…μ‹œν—˜μ„ μœ„ν•΄ ν•™λΆ€ μˆ˜ν•™ κ³Όλͺ©λ“€μ„ λ‹€μ‹œ κ³΅λΆ€ν•˜κ³  μžˆμŠ΅λ‹ˆλ‹€λ§Œβ€¦ 미뢄방정식은 μ‘Έμ—…μ‹œν—˜ λŒ€μƒ κ³Όλͺ©μ΄ μ•„λ‹ˆλΌλŠ” κ±Έ λ‚˜μ€‘μ— μ•Œκ²Œ λ˜μ—ˆμŠ΅λ‹ˆλ‹€β€¦ OTL… κ·Έλž˜λ„ 이왕 μ‹œμž‘ν•œ κ±° λ‹€μ‹œ 볡슡 μ’€ ν•΄λ΄…μ‹œλ‹€! πŸƒ 미뢄방정식 포슀트 전체 보기

λ“€μ–΄κ°€λ©°

λ―ΈλΆ„λ°©μ •μ‹μ˜ 끝물에 λ°°μš°λŠ” 기법이닀. 미뢄방정식 κ°•μ˜λ₯Ό 듀을 λ•Œ, μ§€κΈˆκΉŒμ§€ ν–ˆλ˜ λ‚΄μš©μ„ λ­”κ°€ λ°˜λ³΅ν•˜λŠ” 것 κ°™μ•„μ„œ 섀렁섀렁 λ“€μ—ˆλ˜ 기얡이 μžˆλŠ”λ°, β€œμƒλ―ΈλΆ„λ°©μ •μ‹(상미뢄방정식(MATH412))”을 곡뢀할 λ•Œ λ‹€μ‹œ λ§Œλ‚˜κ²Œ λ˜μ—ˆμŠ΅λ‹ˆλ‹€ 😬

What is it?

μ–΄λ–»κ²Œ ν•˜λŠ”μ§€λŠ” μš” κ°•μ˜λ₯Ό μ°Έκ³ ν•©μ‹œλ‹·!! 기법 μžμ²΄λŠ” λ³„λ‘œ μ–΄λ ΅μ§€ μ•Šλ˜ 것 κ°™λ‹€. (κΉŒλ¨Ήμ§€λ§Œ μ•ŠλŠ”λ‹€λ©΄!) μš” 기법을 μ •λ¦¬ν•˜λ €κ³  μš” 포슀트λ₯Ό μ“Έ λ§ˆμŒμ„ 먹은 것은 μ•„λ‹ˆλ‹€ γ…Žγ…Ž

Simple Harmonic Oscillation

미뢄방정식을 κ·Έλž˜λ„ 쑰금 ν’€μ–΄λ΄€λ‹€λ©΄,

\[x'' = -\omega^2 x\]

λΌλŠ” 미뢄방정식에 μ΅μˆ™ν•  것이닀. μš”κ²ƒμ€ Harmonic Oscillation 상황 μ€‘μ—μ„œλ„ μ™Έλ ₯이 μ—†λŠ” β€œSimple Harmonic Oscillationβ€œμ— ν•΄λ‹Ήν•œλ‹€.

이것을 System of ODE둜 ν‘œν˜„ν•˜λ©΄ μ•„λž˜μ™€ κ°™λ‹€.

\[\begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}' = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -\omega^2 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}\]

그런데, 이걸 μš”λŸ° ν˜•νƒœλ‘œ ν‘œν˜„ν•΄λ„ λ™μΌν•˜λ‹€!!

\[\begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}' = \begin{pmatrix} 0 & \omega \\ -\omega & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}\]

μš°λ¦¬λŠ” 이 ODE의 ν•΄κ°€ $x_0(t) = \cos \omega t$μž„μ„ μ•Œκ³  μžˆλ‹€. 이걸 첫번째 System에 μ μš©ν•΄λ„ μ„±λ¦½ν•˜κ³ , λ‘λ²ˆμ§Έ System에 μ μš©ν•΄λ„ μ„±λ¦½ν•œλ‹€!! λ‘λ²ˆμ§Έ Systemμ—μ„œλŠ” $x_1(t) = \sin \omega t$κ°€ λ˜μ–΄ μ„±λ¦½ν•œλ‹€.

이 상황이 μ²˜μŒμ—λŠ” 이해가 잘 μ•ˆ λ˜μ—ˆλŠ”λ°, 같은 System of ODEλ₯Ό ν‘œν˜„ν•˜λŠ” 방식이 μœ μΌν•˜κ²Œ μ‘΄μž¬ν•  거라고 μƒκ°ν–ˆλ˜ 것 κ°™λ‹€. κ·ΈλŸ¬λ‚˜ System of ODEs의 ν‘œν˜„μ€ μœ μΌν•˜μ§€ μ•Šλ‹€. μœ„μ™€ 같은 λ°˜λ‘€κ°€ μ‘΄μž¬ν•œλ‹€!!

μ˜μƒμ— λ‚˜μ™”λ˜ 방식을 λ”°λ₯΄μ§€ μ•Šμ•˜μœΌλ‹ˆ System of ODEsκ°€ μ•„λ‹Œκ±΄κ°€?라고 생각이 λ“€ μˆ˜λ„ μžˆμ§€λ§Œ, System of ODEsλŠ” μ£Όμ–΄μ§„ β€œnμ°¨ 미뢄방정식은 n개의 1μ°¨ λ―ΈλΆ„λ°©μ •μ‹μœΌλ‘œ λ°”κΎΈλŠ” κ²ƒβ€λΌκ³ λ§Œ ν•˜μ§€ μ •ν™•νžˆ μ–΄λ–€ 방법을 써야 ν•œλ‹€λŠ” λ‚˜μ˜€μ§€ μ•ŠλŠ”λ‹€. 즉, 이 κ·œμΉ™μ—λ§Œ 맞게 보쑰 λ³€μˆ˜λ₯Ό λ„μž…ν•˜λ©΄ λœλ‹€λŠ” 것!

Complex Root Case

Simple Harmonic Oscillation의 κ²½μš°λŠ” Eigen Value $\alpha \pm \beta i$μ—μ„œ μ‹€μˆ˜λΆ€κ°€ μ—†λŠ” κ²½μš°μ΄λ‹€. λ§Œμ•½ μ‹€μˆ˜λΆ€κ°€ μ‘΄μž¬ν•œλ‹€λ©΄, System of ODEs둜 ν‘œν˜„ν•˜λ©΄ μ•„λž˜μ™€ κ°™λ‹€.

\[\begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}' = \begin{pmatrix} \alpha & \beta \\ -\beta & \alpha \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_0 \\ x_1 \end{pmatrix}\]

ν—ˆκ·Όμ—μ„œ μ‹€μˆ˜λΆ€κ°€ μ‘΄μž¬ν•œλ‹€λ©΄, System of ODEs의 ν‘œν˜„ 방법은 이것 뿐이닀. 그리고 잘 보면 $X’ = AX$의 꼴을 κ°€μ§€λŠ”λ°, κΈ°μ € λ³€ν™˜(change of basis) 후에 ν‘œν˜„ν•œ System of ODEs둜 해석할 μˆ˜λ„ μžˆμ„ 것 κ°™λ‹€.

λ―Έλ°© μˆ˜μ—…μ„ 잘 따라왔닀면 이미 μ•Œκ² μ§€λ§Œ Solution은 μ•„λž˜μ™€ κ°™λ‹€.

  • $x_0(t) = e^{\alpha} \cos \beta t$
  • $x_1(t) = e^{\alpha} \sin \beta t$