ÁÖ±âÇÔ¼ö´Â Á¶ÈÇÔ¼öÀÇ ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³¾ ¼ö ÀÖ´Ù.
ÇÁ¶û½ºÀÇ ¼öÇÐÀÚ Çª¸®¿¡(Fourier)´Â $x$ÀÇ ÇÔ¼öÀÎ $F(x)$°¡ ÁÖ±â $L$ÀÎ ÁÖ±âÇÔ¼ö ÀÏ ¶§ ÀÌ ÁÖ±âÀÇ Á¤¼öºÐÀÇ ÀÏ(Áï $L, L/2, L/3, \cdots$)ÀÇ Áֱ⸦ °®´Â Á¶ÈÇÔ¼öÀÇ ÇÕÀ¸·Î Ç¥½ÃÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù´Â °ÍÀ» ¾Ë¾Æ³»¾ú´Ù. À̸¦ Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼ö(Fourier series)¶ó°í ÇÏ°í, ÀÌ´Â Æĵ¿À» Çؼ®ÇÏ´Â µ¥ Áß¿äÇÑ ¿ø¸®°¡ µÈ´Ù. Áï ÀÓÀÇÀÇ Æĵ¿À» Á¶ÈÆĵéÀÇ ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³»°Å³ª Á¶ÈÆĸ¦ ÇÕ¼ºÇÏ¿© ¿ª½Ã ÀÓÀÇÀÇ Æĵ¿À» ¸¸µé¾î ³¾ ¼ö ÀÖ°Ô µÈ °ÍÀ¸·Î Á¶ÈÆÄÀÇ ÇൿÀ» ÀÌÇØÇϸé ÀϹÝÀûÀÎ Æĵ¿ÀÇ Àü¸ð¸¦ ÆľÇÇÒ ¼ö ÀÖ´Â °ÍÀÌ´Ù. µû¶ó¼ ÀÌ Çؼ®¹ýÀº À½Æijª ºû µî ÀϹÝÀûÀÎ Æĵ¿ÀÇ Æ¯Á¤ ¿µ¿ªÀ» Åë°ú½ÃÅ°°Å³ª Á¦°ÅÇÏ´Â ÇÊÅ͸µ, ½Åȣ󸮸¦ ÅëÇÑ ÆÄÇü ÀÎ½Ä µî ´Ù¹æ¸é¿¡ ³Î¸® È°¿ëµÈ´Ù.
graph |
|
»ç°¢ÆÄÀÇ Çª¸®¿¡ ±Þ¼ö Ç¥Çö_ÁÖ±â $L$ÀÎ »ç°¢Æĸ¦ sin ÇÔ¼öÀÇ ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³½´Ù. »ç°¢Æĸ¦ Ç¥ÇöÇϱâ À§ÇÑ sin ÇÔ¼ö´Â $k=\frac{2\pi}{L}$ÀÇ È¦¼ö ¹èÀÇ Æļö¸¦ °¡Áø´Ù. '¡å'Àº °¡¼¼ÇÏ´Â sin ÇÔ¼ö¸¦ ´Ã¸®°í '¡ã'Àº ÁÙÀδÙ. ¿ÞÂÊ ¾Æ·¡ÀÇ ¼±ÅÃâÀ» ÅëÇؼ »ç°¢ÆÄ ¿Ü¿¡µµ Åé´ÏÆÄ, ¹ÝÆÄÁ¤·ùÆĸ¦ ¼±ÅÃÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù.
|
ÀÌ Á¤¸®¸¦ ½ÄÀ¸·Î Ç¥½ÃÇϸé ÁÖ±âÇÔ¼ö $F(x)$´Â ´ÙÀ½°ú °°ÀÌ ¹«Çѱ޼öÀÇ ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³»¾îÁø´Ù. \[ F(x) = \frac{A_0}{2} + A_1 \cos kx + B_1 \sin kx + A_2 \cos 2kx + B_2 \sin 2kx + ... \] ¿©±â¼ \[ k = \frac{2\pi}{L} \] ÀÌ´Ù.
ÁÖ±â $L$ÀÇ ÇÔ¼ö $F(x)$ ·ÎºÎÅÍ °è¼ö $A$¿Í $B$´Â ´ÙÀ½ Á÷±³°ü°è½ÄÀ¸·ÎºÎÅÍ ±¸ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. \[ \eqalign{ \int_0^L \sin nkx \cos mkx dx, &=& 0 \\ \int_0^L \sin nkx \sin mkx dx &=& \frac{L}{2} \delta_{nm}, \\ \int_0^L \cos nkx \cos mkx dx &=& \frac{L}{2} \delta_{nm}. } \] À̷κÎÅÍ \[ \eqalign{ A_m &=& \frac{2}{L} \int_0^L F(x) \cos mkx dx, \\ B_m &=& \frac{2}{L} \int_0^L F(x) \sin mkx. dx } \] ÀÌ´Ù.
»ç°¢ÆÄÀÇ Çª¸®¿¡ ±Þ¼ö
¿¹·Î¼ ¾Õ¿¡¼ ±×¸²À¸·Î »ìÆ캸¾Ò´ø ÁֱⰡ $L$ÀÎ ´ÙÀ½°ú °°Àº »ç°¢ÆÄ(square wave)¿¡ ´ëÇØ Àü°³ÇØ º¸ÀÚ. \[ F(x) = \begin{cases} +1, & 0 \lt x \leq L/2, \\ -1, & L/2 \lt x \lt L\\ \end{cases} \] ÀÌ ÇÔ¼ö´Â ±âÇÔ¼öÀÌ¾î¼ $A$ÀÇ °ªµéÀº ¸ðµÎ 0 ÀÌ´Ù. ÇÑÆí $B$ÀÇ °ªµéÀº ¸ðµÎ ½±°Ô ±¸ÇØÁø´Ù.
Áï \[ \eqalign{ B_n &=& \frac{2}{L} \int_0^{L/2} (+1) \sin nkxdx + \frac{2}{L} \int_{L/2}^{L} (-1) \sin nkxdx \\ &=& \frac{2}{n\pi} (1-\cos n \pi ). } \] µû¶ó¼ \[ B_1 = \frac{4}{\pi}, \quad B_2 = 0, \quad B_3 = \frac{4}{3\pi}, \quad B_4 = 0, \quad B_5 = \frac{4}{5\pi}, \quad \cdots \] ÀÌ°í, ÀÌ °ªµéÀ» ÀÌ¿ëÇÏ¿© $F(x)$¸¦ Àü°³ÇÏ¿© Ç¥½ÃÇÏ¸é ´ÙÀ½°ú °°´Ù. \[ F(x) = \frac{4}{\pi} \left( \sin kx + \frac{1}{3} \sin 3kx + \frac{1}{5} \sin 5kx + \cdots \right). \]
ÀÌ °á°ú·ÎºÎÅÍ ¿ÀÁ÷ sin ÇÔ¼öÀÇ È¦¼ö ºÎºÐ¸¸ ±â¿©ÇÏ´Â °ÍÀ» ¾Ë ¼ö ÀÖ´Ù. ÀÌ´Â »ç°¢ÇÔ¼öÀÇ ¿øÁ¡À» ±âÇÔ¼ö°¡ µÇµµ·Ï Àâ¾Ò±â ¶§¹®À¸·Î ¸¸ÀÏ ¿ìÇÔ¼ö°¡ µÇµµ·Ï Àâ¾Ò´Ù¸é cos ÇÔ¼öÀÇ È¦¼ö Â÷¼ö¸¸ ±â¿©ÇßÀ» °ÍÀÌ´Ù.
°ø°£¿¡ ³õÀÎ Æĵ¿°ú ½Ã°£¿¡ µû¶ó º¯ÇÏ´Â Æĵ¿ÀÇ Çª¸®¿¡ Àü°³
ÁÖ±âÇÔ¼ö $F(x)$ÀÇ º¯¼ö $x$°¡ °ø°£ÁÂÇ¥¸é ÁÖ±â $L$Àº ÆÄÀåÀ̶ó ÇÒ ¼ö ÀÖ°í, $k$´Â ¹Ù·Î Æĵ¿ÀÇ Æļö(wave number)¶ó ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. °¢ Ǫ¸®¿¡ ¿ä¼ÒÀÇ $nk$°ªÀÌ °¢ ¿ä¼ÒÀÇ Æļö°¡ µÇ¾î ÆÄÀå $L$ÀÎ ÁÖ±âÆÄ´Â $nk$ÀÇ ÆļöÀÇ °ªÀ» °®´Â Á¶ÈÆÄ°¡ ¹«¼öÈ÷ ÇÕÇØÁø °ÍÀ¸·Î »ý°¢ÇÒ ¼ö ÀÖ´Ù. Áֱ⸦ º¸Åë ½Ã°£ÀûÀÎ Ãø¸é¿¡¼ ¸»ÇϹǷΠ°ø°£ÀÇ Áֱ⸦ °ø°£ÁÖ±â(spatial period)¶ó°í ±¸ºÐÇϱ⵵ ÇÑ´Ù. ÀÌ·± Àǹ̿¡¼ ÁÖ±âÀÇ ¿ª¼ö´Â °ø°£Áøµ¿¼ö(spatial frequency)¶ó°í ÇÑ´Ù.
ÇÔ¼öÀÇ º¯¼ö¸¦ ½Ã°£ $t$À¸·Î ¹Ù²Ù¾î $F(t)$¿¡ ´ëÇÑ °ÍÀ¸·Î ÀÌÇØÇϸé $L$Àº $T$·Î $k$´Â $\omega$·Î Ç¥±âÇÏ´Â °ÍÀÌ ÀϹÝÀûÀÌ´Ù. ÀÌ¿¡ µû¶ó ÁֱⰡ $T$ÀÎ Áøµ¿Àº ±âº»Áøµ¿¼ö $\omega= 2\pi/T$ ÀÇ $n$¹èÀÇ Áøµ¿¼ö¸¦ °¡Áø ¹«¼öÇÑ Æĵ¿µéÀÇ ÇÕ¼ºµÈ °ÍÀ¸·Î º¼ ¼ö ÀÖ´Ù.
¾Æ·¡ ÇÁ·Î±×·¥Àº Æĵ¿À» Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼öÀÇ ÇÕÀ¸·Î ³ªÅ¸³»¾úÀ» ¶§ À§»óÀÚ°¡ ¿îµ¿ÇÏ´Â ¸ð½ÀÀ» º¸¿©ÁØ´Ù. Æĵ¿Àº Áøµ¿¼ö¿¡ ¹«°üÇÏ°Ô ÀÏÁ¤ÇÑ ¼Óµµ $v$·Î À̵¿ÇÑ´Ù°í º¸°í, Æĵ¿À» \[ \eqalign{ \Psi(x,t) &=& \frac{A_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} A_n \cos (k_n x - \omega_n t) + \sum_{n=1}^{\infty} B_n \sin(k_n x - \omega_n t) \\ &=& \frac{A_0}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} C_n \sin(k_n x - \omega_n t + \varepsilon_n) } \] ó·³ Ç¥ÇöÇÏ¿© ³ªÅ¸³½ °ÍÀÌ´Ù. ¿©±â¼ \[ k_n = kn = \frac{2\pi}{L} n, \quad \omega_n = \omega n = \frac{2\pi}{T} n \] ÀÌ°í °ø°£ÁÖ±â $L$°ú ½Ã°£ÁÖ±â $T$´Â \[ L = vT \] ÀÇ °ü°è¸¦ °¡Áø´Ù. ÀÌ ½ÄÀÇ ¸¶Áö¸· ½ÄÀº °°Àº Â÷¼öÀÇ cos Ç×°ú sinÇ×À» ÇÕÇؼ À§»óÀÌ ´Þ¶óÁø sin ÇÔ¼ö·Î Ç¥½ÃÇÑ °ÍÀÌ´Ù. ÀÌÁ¦ Ǫ¸®¿¡ °è¼ö´Â $A_0$¿Í $\{C_n, \varepsilon_n\}$À¸·Î Á¤¸®µÈ´Ù.
graph |
|
Æĵ¿ÀÇ À§»óÀÚ¿Í Çª¸®¿¡ ±Þ¼ö_ »ç°¢ÆÄ µî ¿©·¯ ÆÄÇüÀ» Çü¼ºÇÏ´Â Á¶ÈÆĵéÀÇ À§»óÀÚ¿Í À̵éÀÌ ÇÕ¼ºµÈ À§»óÀÚÀÇ ¿îµ¿À» º¸¿©ÁØ´Ù. ±âÁØ ÇÔ¼ö´Â ¸ðµÎ -1 ~ 1ÀÇ ¹üÀ§¿¡ ÀÖµµ·Ï ¼³Á¤ÇÏ¿´À¸¸ç ȸ鿡¼ µÎ ¼öÆò¼±À¸·Î ¹üÀ§¸¦ ³ªÅ¸³»°í ÀÖ´Ù. 'ÃÖ´ë¸ðµå'´Â ¹Ý¿µÇÏ´Â ÃÖ´ë $n$ °ªÀ» ³ªÅ¸³»¸ç ÀÌ °ªÀ» ³ôÀÌ¸é ´õ¿í ±âÁØÇÔ¼ö·Î Á¢±ÙÇÑ´Ù. À§»óÀÚ °¢°¢Àº ¸ðµå ¼ö $n$¿¡ ºñ·ÊÇÏ´Â °¢¼Óµµ·Î ȸÀüÇÏ°Ô µÇ°í, ¸ðµç À§»óÀÚ°¡ ÇÕ¼ºµÈ °á°ú°¡ ÆÄÇüÀ» ¸¸µé°Ô µÈ´Ù. ÇÕ¼º À§»óÀÚ´Â ³ì»öÀÇ ±½Àº È»ì·Î, ±×¸®°í ÀÌ°ÍÀÌ ¸¸µå´Â ÆÄÇüÀº û·Ï»öÀ¸·Î ³ªÅ¸³½´Ù.
|
[Áú¹®1]
¾Õ¼ º¸ÀÎ »ç°¢Æijª Áú¹®1 ¿¡¼ÀÇ Åé´ÏÆÄ ¸ðµÎ ÇÔ¼ö°¡ ºÒ¿¬¼ÓÀÎ ÁöÁ¡ÀÌ ÀÖ´Ù. ºÒ¿¬¼Ó ÁöÁ¡¿¡¼´Â Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼ö·Î Ç¥ÇöÇÑ ÇÔ¼ý°ªÀº ¿ø·¡ÀÇ ÇÔ¼öÀÇ Á±ØÇÑ°ú ¿ì±ØÇÑ °ªÀÇ Æò±ÕÀÌ µÇ´Â °ÍÀ» º¸¿©¶ó.
[Áú¹®2]
´ÙÀ½°ú °°ÀÌ Ç¥ÇöµÇ´Â ÁÖ±â $L$ÀÇ Åé´ÏÆĸ¦ Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼ö·Î ³ªÅ¸³»¾î¶ó. \[ F(x) = \begin{cases} x, & 0 \leq x \lt L/2 ,\\ x- L, & L/2 \lt x \leq L. \end{cases} \]
[Áú¹®3]
'Æĵ¿ÀÇ À§»óÀÚ¿Í Çª¸®¿¡ ±Þ¼ö' ÇÁ·Î±×·¥¿¡¼ 'ÆÄÇü'À» '»ï°¢ÆÄ'·Î ¼±ÅÃÇؼ °üÂûÇØ º¸¶ó. ÀÌ ÁÖ±âÇÔ¼öÀÇ ÇÔ¼ö¸¦ ½ÄÀ¸·Î ³ªÅ¸³»°í, ¾Æ¿ï·¯ À̸¦ Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼ö·Î ³ªÅ¸³»¾î¶ó.
[Áú¹®4]
'Æĵ¿ÀÇ À§»óÀÚ¿Í Çª¸®¿¡ ±Þ¼ö' ÇÁ·Î±×·¥¿¡¼ 'ÆÄÇü'À» '2Â÷ÇÔ¼öÆÄ'·Î ¼±ÅÃÇؼ °üÂûÇØ º¸¶ó. ÀÌ ÁÖ±âÇÔ¼öÀÇ ÇÔ¼ö¸¦ ½ÄÀ¸·Î ³ªÅ¸³»°í, ¾Æ¿ï·¯ À̸¦ Ǫ¸®¿¡ ±Þ¼ö·Î ³ªÅ¸³»¾î¶ó.
_ ±âº»Áøµ¿_ Á¶ÈÆÄ_ Áøµ¿¼ö_ À§»ó_ À½ÆÄ_ ÁÖ±â_ Æļö_ Æĵ¿
|