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Split View: 공업수학 시리즈 10편: 라플라스 변환으로 초기값 문제 풀기

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공업수학 시리즈 10편: 라플라스 변환으로 초기값 문제 풀기

공업수학 시리즈 10편: 라플라스 변환으로 초기값 문제 풀기

라플라스 변환의 가치는 정의보다도 실제로 초기값 문제를 매우 일관된 절차로 풀 수 있다는 데 있습니다. 이번 글에서는 그 흐름을 한 번 손으로 끝까지 따라가 보겠습니다.

가장 중요한 공식

함수 y(t)y(t)의 라플라스 변환을 Y(s)Y(s)라 두면

L{y(t)}=sY(s)y(0)\mathcal{L}\{y'(t)\} = sY(s) - y(0)

L{y(t)}=s2Y(s)sy(0)y(0)\mathcal{L}\{y''(t)\} = s^2Y(s) - sy(0) - y'(0)

입니다.

즉 초기조건이 자동으로 식 안에 들어옵니다. 이것이 초기값 문제에서 특히 편리한 이유입니다.

표준 절차

  1. 미분방정식 전체에 라플라스 변환을 취한다
  2. 초기조건을 대입해 Y(s)Y(s)에 대한 대수식을 만든다
  3. Y(s)Y(s)를 정리한다
  4. 부분분수 분해 등을 이용해 역라플라스 변환한다

손으로 푸는 예제

다음 초기값 문제를 보겠습니다.

y+y=1,y(0)=0y' + y = 1, \quad y(0)=0

양변에 라플라스 변환을 취하면

L{y}+L{y}=L{1}\mathcal{L}\{y'\} + \mathcal{L}\{y\} = \mathcal{L}\{1\}

sY(s)y(0)+Y(s)=1ssY(s) - y(0) + Y(s) = \frac{1}{s}

초기조건 y(0)=0y(0)=0을 넣으면

sY(s)+Y(s)=1ssY(s) + Y(s) = \frac{1}{s}

따라서

Y(s)(s+1)=1sY(s)(s+1) = \frac{1}{s}

Y(s)=1s(s+1)Y(s) = \frac{1}{s(s+1)}

부분분수 분해를 하면

1s(s+1)=1s1s+1\frac{1}{s(s+1)} = \frac{1}{s} - \frac{1}{s+1}

이므로 역변환해서

y(t)=1ety(t) = 1 - e^{-t}

를 얻습니다.

결과 해석

이 해는 시간이 0일 때 0에서 시작해 점차 1로 수렴합니다. 즉 시스템이 외부 입력 1에 대해 지수적으로 안정화되는 전형적인 1차 응답입니다.

라플라스 변환이 좋은 이유는, 이 과정을 적분인자법처럼 매번 새로 떠올릴 필요 없이 거의 기계적인 절차로 처리할 수 있다는 점입니다.

한 단계 더 생각하기

2차 문제에서도 똑같이 됩니다. 예를 들어

y+3y+2y=0y'' + 3y' + 2y = 0

에 초기조건이 주어지면, 변환 후에는 Y(s)Y(s)에 대한 유리식이 되고 결국 부분분수 분해 문제로 바뀝니다.

즉 라플라스 변환은 "미분방정식을 적분 문제로 바꾸는 도구"라기보다, 실전에서는 "미분방정식을 대수와 표 조회 문제로 바꾸는 도구"에 가깝습니다.

공학 응용

스텝 응답

제어공학에서 가장 흔히 보는 입력 중 하나가 계단입력입니다. 라플라스 영역에서는 계단입력이 단순히 1/s1/s가 되므로 계산이 크게 단순해집니다.

임펄스 응답

시스템이 순간적인 충격을 받았을 때의 응답도 라플라스 변환 틀에서 깔끔하게 다룰 수 있습니다.

블록도 해석

전달함수를 연결하는 제어 블록도는 대부분 라플라스 영역 관점에서 해석됩니다.

자주 하는 실수

변환 후 식 정리를 급하게 한다

Y(s)Y(s) 항과 상수항을 차분히 정리하지 않으면 부호 실수가 잦습니다.

부분분수 분해를 건너뛴다

역변환은 보통 표준 형태가 보여야 쉽습니다. 따라서 분해 과정이 매우 중요합니다.

해석 없이 종료한다

결과가 1et1 - e^{-t}처럼 나왔다면, 반드시 시작값과 최종값, 증감 방향을 해석해 보는 습관이 필요합니다.

한 줄 요약

라플라스 변환은 초기조건이 있는 선형 미분방정식을 체계적인 대수 절차로 바꾸어 줍니다.

다음 편 예고

다음 글부터는 미분방정식의 언어를 조금 넓혀서, 여러 미지수를 한 번에 다루는 행렬과 선형연립방정식으로 들어가겠습니다.

참고자료

  • Erwin Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics, 10th Edition
  • Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky, Signals and Systems
  • Dennis G. Zill, Differential Equations with Boundary-Value Problems

Engineering Math Series 10: Solving ODEs with the Laplace Transform

Engineering Math Series 10: Solving ODEs with the Laplace Transform

The value of the Laplace transform lies not so much in its definition but in the fact that initial value problems can be solved through a very consistent procedure. In this post, let us follow that entire flow by hand.

The Most Important Formulas

Letting Y(s)Y(s) denote the Laplace transform of y(t)y(t),

L{y(t)}=sY(s)y(0)\mathcal{L}\{y'(t)\} = sY(s) - y(0)

L{y(t)}=s2Y(s)sy(0)y(0)\mathcal{L}\{y''(t)\} = s^2Y(s) - sy(0) - y'(0)

The initial conditions are automatically incorporated into the equation. This is precisely why it is especially convenient for initial value problems.

Standard Procedure

  1. Apply the Laplace transform to the entire differential equation
  2. Substitute initial conditions to create an algebraic equation for Y(s)Y(s)
  3. Solve for Y(s)Y(s)
  4. Use partial fraction decomposition and take the inverse Laplace transform

Worked Example

Consider the following initial value problem.

y+y=1,y(0)=0y' + y = 1, \quad y(0)=0

Applying the Laplace transform to both sides,

L{y}+L{y}=L{1}\mathcal{L}\{y'\} + \mathcal{L}\{y\} = \mathcal{L}\{1\}

which gives

sY(s)y(0)+Y(s)=1ssY(s) - y(0) + Y(s) = \frac{1}{s}

Substituting the initial condition y(0)=0y(0)=0,

sY(s)+Y(s)=1ssY(s) + Y(s) = \frac{1}{s}

Therefore

Y(s)(s+1)=1sY(s)(s+1) = \frac{1}{s}

Y(s)=1s(s+1)Y(s) = \frac{1}{s(s+1)}

Performing partial fraction decomposition,

1s(s+1)=1s1s+1\frac{1}{s(s+1)} = \frac{1}{s} - \frac{1}{s+1}

Taking the inverse transform,

y(t)=1ety(t) = 1 - e^{-t}

Interpreting the Result

This solution starts at 0 when time is 0 and gradually converges to 1. It is the typical first-order response where the system exponentially stabilizes toward the external input of 1.

The reason the Laplace transform is great is that this process can be handled through an almost mechanical procedure, without needing to come up with something new each time like the integrating factor method.

Thinking One Step Further

It works the same way for second-order problems too. For example, given

y+3y+2y=0y'' + 3y' + 2y = 0

with initial conditions, after transformation it becomes a rational expression in Y(s)Y(s), which eventually reduces to a partial fraction decomposition problem.

In other words, the Laplace transform is less of "a tool that converts differential equations into integration problems" and more like "a tool that converts differential equations into algebra and table-lookup problems" in practice.

Engineering Applications

Step Response

One of the most common inputs in control engineering is the step input. In the Laplace domain, the step input is simply 1/s1/s, which greatly simplifies the calculation.

Impulse Response

The response of a system to an instantaneous shock can also be handled cleanly within the Laplace transform framework.

Block Diagram Analysis

Block diagrams that connect transfer functions are mostly analyzed from the Laplace domain perspective.

Common Mistakes

Rushing the algebraic simplification after transformation

If you do not carefully organize Y(s)Y(s) terms and constant terms, sign errors are frequent.

Skipping partial fraction decomposition

The inverse transform usually requires standard forms to be visible. Therefore, the decomposition step is very important.

Finishing without interpretation

If the result is something like 1et1 - e^{-t}, you must always develop the habit of interpreting the initial value, final value, and direction of change.

One-Line Summary

The Laplace transform turns linear differential equations with initial conditions into a systematic algebraic procedure.

Next Post Preview

Starting with the next post, we will broaden the language of differential equations and enter matrices and linear systems that handle multiple unknowns at once.

References

  • Erwin Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics, 10th Edition
  • Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky, Signals and Systems
  • Dennis G. Zill, Differential Equations with Boundary-Value Problems