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M02.03 · 미분·적분·Jacobian·수치 미분

단위별 목표·권장 선수와 자료 준비 상태를 확인하고, 공개된 본문과 활동을 읽고 준비 상태를 확인할 수 있습니다.

전체 커리큘럼

학습 안내

본문을 읽고 장비 없는 기본 실습·세 확인 문제와 해설로 이해를 확인하세요.

예상 학습 시간: 미정. 이 페이지 방문이나 자료 열람으로 완료·숙달을 자동 부여하지 않습니다.

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학습 목표

  • 미분을 국소 변화율, 적분을 누적으로 해석하고 간단한 위치·속도 자료의 값과 단위를 계산한다.
  • 다변수 함수의 편미분으로 Jacobian을 구성하고 기준점 주변 출력 변화를 근사·검산한다.
  • 수치 미분 간격과 선형화 변화량의 영향을 비교해 작은 간격·큰 이동의 한계를 설명한다.

아래 설명·실습·문제로 각 학습 목표를 확인하세요.

권장 선수

M02.01의 행렬 곱과 M02.02의 단위·프레임 구분을 사용한다. 사칙연산·제곱부터 예를 전개하며 기호를 외워 온 것으로 가정하지 않는다. 종이 계산이 기본이다. 이미 알고 있다면 직접 열어볼 수 있습니다.

설명 필수

세 목표에 대응하는 검수된 설명·예제를 읽습니다.

두 시점의 차이에서 순간 변화율로

같은 직선 기준에서 위치 x를m, 시각 t를초로 적자. 위치 차이를 시간 차이로 나눈 값은 그 구간의 평균 속도다. t=1에서1m, t=2에서4m라면(4−1)/(2−1)=3m/s다. 이 값은 구간 전체의 평균이며 두 끝점 사이에서 항상3m/s로 움직였다는 뜻은 아니다.

평균 변화율과 순간 변화율. x=t²인 본문의 예에서 t=1~2의 평균 속도는 할선의 기울기 3 m/s다. t=1의 순간 속도 2 m/s는 접선의 기울기이며 구간 전체의 속도와 다르다.그림 원본 크기로 보기

그림 M02.03-1. x=t²인 본문의 예에서 t=1~2의 평균 속도는 할선의 기울기 3 m/s다. t=1의 순간 속도 2 m/s는 접선의 기울기이며 구간 전체의 속도와 다르다. 직접 제작.

미분은 기준점 주변의 간격을 줄여 얻는 국소 변화율을 나타낸다. 기호 dx/dtdx/dt는 시간 변화에 대한 위치 변화율이다. 교육용 함수 x(t)=at2x(t)=at^2를 두고 계수 a=1 m/s2a=1\,\mathrm{m/s^2}라고 하자. t가초이므로 at²의 단위는m다. 이 식의 미분은 dx/dt=2atdx/dt=2at이며 t=2초에서4m/s다. 왜2t가 나오는지는 차분을 펼쳐 볼 수 있다.

x(t+h)−x(t)h=a(t+h)2−at2h=2at+ah.\frac{x(t+h)-x(t)}h=\frac{a(t+h)^2-at^2}{h}=2at+ah.

h는0이 아닌 시간 간격이다. h가0에 가까워질 때 남는 값이2at다. 미분 가능하다는 가정 아래의 이야기이며, 튀는 값이나 센서 노이즈를 그대로 순간 물리 속도라고 부를 수는 없다. 입력이 각도라면 rad당 변화량을 쓰는 등 분모의 단위까지 따라가야 한다.

적분은 작은 변화의 누적이다

속도를 시간에 걸쳐 누적하면 위치 변화가 된다. ∫v(t) dt\int v(t)\,dt는 시간 구간의 작은 속도×시간을 더한다는 뜻이다. 이 단위에서는 복잡한 적분법 대신 구간별 일정 속도를 이용한다.0~1초에2m/s,1~2초에3m/s로 일정했다면 변위는2×1+3×1=5m다. 시작 위치가10m였다면 끝 위치는15m다. 누적한 변위와 절대 위치를 구분한다.

속도가 음수인 구간은 반대 방향의 변위로 누적된다.0~1초에2m/s,1~2초에−3m/s이면 순변위는−1m지만 이동한 길이의 합은2+3=5m다. 실제 로그에서는 샘플 사이의 속도가 일정하다는 것도 근사 가정이다. 간격이 불규칙한데 모든 샘플에 같은 시간을 곱하거나 초기 위치를 생략하면 누적 해석이 달라진다.

여러 입력이 여러 출력을 바꾸는 비율

입력 q=(q1,q2)Tq=(q_1,q_2)^T가 두 개이고 출력 f=(f1,f2)Tf=(f_1,f_2)^T도 두 개인 함수를 생각하자. 아래 예제는 단위 혼합을 피하기 위해 입력과 출력 모두 무차원인 교육용 함수다.

f1=q12+q2,f2=2q1−q2.f_1=q_1^2+q_2,\qquad f_2=2q_1-q_2.

편미분 ∂fi/∂qj\partial f_i/\partial q_j는 다른 입력은 그대로 두고 j번째 입력만 바꿀 때 i번째 출력의 국소 변화율이다. 이를 출력별 행·입력별 열로 모은 행렬이 Jacobian, J다. 첫 출력에서 q1을 바꾸면2q1, q2를 바꾸면1이다. 둘째 출력은 각각2와−1이다.

J(q)=[2q112−1].J(q)=\begin{bmatrix}2q_1&1\\2&-1\end{bmatrix}.

기준점 q0=(1,2)Tq_0=(1,2)^T에서는 f=(3,0), J=[[2,1],[2,−1]]이다. 작은 입력 변화 Δq\Delta q에 대해 f(q0+Δq)≈f(q0)+J(q0)Δqf(q_0+\Delta q)\approx f(q_0)+J(q_0)\Delta q로 근사한다. Δ는 기준점에서 얼마나 바꾸는지를 나타내는 기호다. Δq=(0.1,−0.2)T\Delta q=(0.1,-0.2)^T이면 JΔq=(0,0.4)이어서 근사 출력은(3,0.4)다. 실제 식에(1.1,1.8)을 넣으면(3.01,0.4)여서 첫 성분에0.01의 차이가 남는다.

J는 그 기준점 주변의 기울기라 작은 변경을 예측하는 데 유용하다. 전 영역에서 동일한 변환표라는 뜻은 아니다. 로봇에서 위치 출력m와 관절각 입력rad를 쓰면 해당 Jacobian 원소는m/rad 같은 단위를 갖는다. 출력 좌표 표현·프레임도 맞아야 한다. Modern Robotics 서적의 Jacobian 설명는 각 열이 한 관절의 변화 기여라는 관점에서 이 구조를 확장한다. 여기서는 그 심화 수식을 외우기 전에 작은 함수로 의미를 확인한다.

수치 미분은 나눗셈의 오차도 키운다

수식을 미분하기 어렵거나 구현을 점검할 때에는 함수 값을 조금 바꿔 차분을 구할 수 있다. 앞쪽 차분은 (f(q+h)−f(q))/h(f(q+h)-f(q))/h, 중앙 차분은 (f(q+h)−f(q−h))/(2h)(f(q+h)-f(q-h))/(2h)다. 어떤 입력을 바꾸는지와 h의 단위를 먼저 정한다. 여러 입력의 Jacobian을 점검하려면 한 번에 한 성분만 바꾼다.

x(t)=at²에서 t=2초,h=0.1초의 앞쪽 차분은4.1m/s로 미분값4와 다르다. 중앙 차분은 이 이차함수에서는 정확히4가 되지만 모든 함수·모든 데이터에서 정확하다는 뜻은 아니다. h를 줄이면 식의 근사 오차를 줄일 수 있는 경우가 있으나 측정 오차·반올림과 작은 값끼리의 뺄셈이 더 문제가 될 수도 있다. NumPy gradient 문서에서도 간격과 경계 처리의 의미를 확인할 수 있다.

두 위치 측정에 각각 최대0.001m 오차가 있다면 앞쪽 차분의 오차 기여는 최대(0.001+0.001)/|h|다. h=0.1초면0.02m/s,0.001초면2m/s로 커진다. 간격을 무조건 줄이는 것이 정답이 아니다. 또한 Δq를 크게 바꾸면 선형화 자체의 오차가 커질 수 있다. 수치 미분의 간격 선택과 Jacobian을 적용할 변화량 선택은 서로 관련되지만 다른 문제로 확인한다.

관련 기존 자료 · 보충해서 읽기

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    3.2 순기구학

    목표 일부 관련

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    3.3 DLS 역기구학

    목표 일부 관련

    기존 자료의 관련 범위이며 신규 목표 전체의 품질 검수는 아직 진행하지 않았습니다.

학습 범위와 한계

기본 설명·예제가 준비되었습니다. 기존 보충 자료의 범위와 구별하세요.

실습 필수

장비 없는 실습을 수행하고 관찰·계산 근거를 해설과 비교합니다.

모든 입력은 합성 수치이며 장비를 움직이지 않는다.

  1. x(t)=at²,a=1m/s²에서 t=2,h=0.1의 앞쪽 차분과 미분값을 비교한다. 구간별 속도2m/s와3m/s를 각1초 누적한 변위와 초기 위치10m일 때 끝 위치도 구한다.
  2. 무차원 함수 f의 q0=(1,2)에서 J를 구성하고 Δq=(0.1,−0.2)의 근사 출력과 실제 출력을 비교한다. 출력행·입력열을 표시한다.
  3. 위치 측정 오차가 각±0.001m일 때 h=0.1초와0.001초의 차분 오차 기여 상한을 계산한다. 이어 Δq=(1,0)의 근사와 실제 f를 비교해 작은 변화 예제와 차이를 설명한다.

판정은 변화/누적·Jacobian 구성·오차 원인 구분 세 요소다. 막히면 같은 기준점을 유지하고 바뀐 입력만 표시한다. 미분값을 위치나 절대각으로 오해하지 말고 결과 단위에 분모를 붙인다.

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학습 범위와 한계

기본 실습은 장비 없이 수행합니다. 실제 장비·GPU 실증을 완료했다는 뜻은 아닙니다.

평가·해설 필수

목표별 세 서술문항에 답하고 해설·판정 기준으로 자기검토합니다.

확인 문제 Q1

x(t)=at²,a=1m/s²의 t=3초 미분값을 구하라. 속도2m/s와−3m/s를 각각1초 유지하면 순변위와 이동 길이는 얼마인가? 각 단위를 적어라.

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확인 문제 Q2

본문 f의 q0=(1,2)에서 Δq=(−0.1,0.2)의 선형 근사 출력과 실제 출력을 계산하라. J의 행·열은 각각 무엇을 뜻하는가?

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확인 문제 Q3

h를 작게 하면 측정 기반 수치 미분이 항상 정확해진다는 주장을 평가하라. Jacobian을 큰 Δq에 그대로 쓰는 경우와 비교해 서로 다른 오차 원인을 설명하라.

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학습 범위와 한계

서술답안과 해설이 준비되었습니다. 자기검토와 학습 완료는 숙달 인증과 별개입니다.

참고 자료

학습 확인

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학습 이동

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