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解決済み

このピンクのところの2行目から3行目になる理屈がわかりません。教えて頂きたいです。

ベストアンサー

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22 階線形微分方程式を解けるようになっておきましょう。もし大学 11 年生であれば、来年以降に学習するのかもしれません。

その場合は、「単振動する質点の位置は三角関数で記述できる」で理解しておくとよいと思います。これは高校物理でも出てきますね。


以下、微分方程式を解きます。


一般に、yyxx の関数であるとして、定数 aa に対して y¨=a2y\ddot{y}=-a^2 y となる関数 yy を求める微分方程式を考えます。これを変形すると、

y¨=a2y    (D2+a2)y=0\ddot{y}=-a^2 y \iff (D^2+a^2)y=0

の形になります。ここで、DD は微分演算子と呼ばれるもので、D=ddxD=\dfrac{d}{dx} であり、左側から作用して右側にある関数を xx で微分するというものです。今回は 22 回微分しているので D2D^2 となります。


ここで、yy の左側に作用している DD の多項式を P(D)P(D) とおくと、22 階微分方程式では P(D)P(D)DD22 次式となります。

このとき、方程式 P(D)=0P(D)=0D=λD=\lambda を解にもてば、y=Ceλxy=Ce^{\lambda x} は、この微分方程式の解の 11 つとなります。CC は任意定数といい、xx によらない定数です(不定積分で積分定数が出てくるのと同じことです)。22 階微分方程式では、任意定数は 22 つ出てきます。


方程式 P(D)=0P(D)=0 は、

異なる 22 つの実数解をもつ場合

重解(=ただ 11 つの実数解)をもつ場合

互いに共役な 22 つの虚数解をもつ場合

33 つがありますが、今回は のみを考えましょう。


の場合では、実数 α,β\alpha,\beta に対して虚数解を α±βi\alpha\pm\beta i とすると、微分方程式の一般解は y=eαx(C1cosβx+C2sinβx)y=e^{\alpha x}(C_1\cos \beta x+C_2\sin \beta x) と表されます。

(三角関数が出てくる理由は詳しく述べませんが、eix=cosx+isinxe^{ix}=\cos x+i\sin x から出てきます。)

P(D)=D2+a2P(D)=D^2+a^2 なので、解は ±ai\pm ai です。このとき、α=0,β=1\alpha=0,\beta=1 なので、この微分方程式の解は

y=C1cosx+C2sinxy=C_1\cos x+C_2\sin x

となります。合成しても同じなので、

y=Acos(x+ϕ)y=A\cos(x+\phi)

となります。


長くなりましたが導出は以上となります。


yyξ\xi に、aaω\omega に置き換えると上の式が、

yyζ\zeta に、aaω2+ω2\omega^2+\omega'^2 に置き換えると下の式が出てきます。

返信(1件)

ご回答ありがとうございました!理学部ではないので、大学数学をほとんど知らない状態で力学を勉強しておりまして💦

特に冒頭の部分がなるほどと思いました!

導出は今の私ではわかりませんでしたが、まずは公式のように覚えても良いでしょうか?

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

ありがとうございます!

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