複素根と強制振動
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1導入
この講義では、特性方程式の複素根から自由振動を構成し、周期外力に対する過渡応答と定常応答を区別する。さらに、減衰の有無によって共振の意味が相違することを、振幅の厳密式から説明する。
2標準形と用語
質点ばね系の自由振動は
my''+cy'+ky=0
で表される。ここで、y(t) は平衡位置からの変位、m>0 は質量、c\ge0 は粘性減衰係数、k>0 はばね定数である。周期外力を加えた強制振動は
my''+cy'+ky=F_0\cos\omega t,\qquad F_0>0
で表される。F_0>0 は外力振幅、\omega\ge0 は外力の角周波数である。初期条件によって定まる同次解を自由応答と呼ぶ。この自由応答が減衰する場合には、過渡応答とも呼ぶ。外力と同じ角周波数で持続する一つの特殊解を定常応答と呼ぶ。
3複素根と自由振動
特性根が \alpha\pm i\beta、\beta>0 なら、実数値の同次解は
y_h=e^{\alpha t}(C_1\cos\beta t+C_2\sin\beta t)
である。\alpha<0 なら振幅は指数的に減衰し、\alpha=0 なら減衰しない周期運動となる。\beta は自由振動の角周波数であり、周期は 2\pi/\beta である。
質点ばね系で 0<c<2\sqrt{mk} の場合、特性根は
-\frac{c}{2m}\pm i\omega_d,
\qquad
\omega_d=\sqrt{\frac{k}{m}-\frac{c^2}{4m^2}}
である。\omega_n=\sqrt{k/m} を無減衰固有角周波数、\omega_d を減衰固有角周波数と呼ぶ。両者は一般に一致しない。
4定常応答の振幅
c>0 とし、定常応答を
y_s=A\cos\omega t+B\sin\omega t
と仮定する。係数を比較すると
\begin{pmatrix}
k-m\omega^2 & c\omega\\
-c\omega & k-m\omega^2
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}F_0\\0\end{pmatrix}
を得る。したがって
A=\frac{F_0(k-m\omega^2)}{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2},
\qquad
B=\frac{F_0c\omega}{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2}.
定常応答を y_s=M(\omega)\cos(\omega t-\delta) と表すと、その変位振幅は厳密に
M(\omega)=\sqrt{A^2+B^2}
=\frac{F_0}{\sqrt{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2}}
である。これは単なる比例関係ではなく、外力振幅を含む等式である。位相差は、象限を保持する関数を用いて
\delta=\operatorname{atan2}(c\omega,k-m\omega^2)
と表せる。一般解は y=y_h+y_s であり、c>0 の場合には y_h が減衰するため、長時間後には定常応答が支配的となる。
5減衰系の共振周波数
変位振幅 M(\omega) の最大化は、分母の平方
D(\omega)=(k-m\omega^2)^2+c^2\omega^2
の最小化と同値である。\omega>0 における停留条件は
D'(\omega)=2\omega\bigl(2m^2\omega^2+c^2-2mk\bigr)=0
である。したがって、c^2<2mk の場合に限り、正の変位共振角周波数
\omega_r=\sqrt{\frac{k}{m}-\frac{c^2}{2m^2}}
が存在する。これは一般に \omega_n=\sqrt{k/m} とも \omega_d とも一致しない。c^2\ge2mk なら、変位振幅は \omega=0 から単調に減少し、正の共振峰を持たない。なお、速度振幅や加速度振幅を最大化する周波数は変位振幅の場合と相違するため、共振周波数を述べる際には対象量を明示する必要がある。
6無減衰共振の境界
c=0 の場合、\omega\ne\omega_n なら定常特殊解
y_s=\frac{F_0}{k-m\omega^2}\cos\omega t
が存在する。一方、\omega=\omega_n では分母が 0 となり、外力項が同次解と重複する。この境界では有界な周期定常応答は存在せず、一つの特殊解は
y_p=\frac{F_0}{2m\omega_n}t\sin\omega_n t
となる。その包絡振幅は時間に比例して増加する。これは無減衰線型モデルにおける共振であり、c>0 の有限な共振峰とは区別しなければならない。
7具体例
y''+4y=0 の特性根は \pm2i であり、
y_h=C_1\cos2t+C_2\sin2t
である。これに共振外力を加えた
y''+4y=\cos2t
では、m=1、F_0=1、\omega_n=2 である。上の無減衰共振式から
y_p=\frac14t\sin2t
を得る。実際、y_p''+4y_p=\cos2t である。
8単位の整合性
変位を [y]=\mathrm{m}、時間を [t]=\mathrm{s} とすれば、
[m]=\mathrm{kg},\qquad
[c]=\mathrm{N\,s/m},\qquad
[k]=\mathrm{N/m},\qquad
[F_0]=\mathrm{N},\qquad
[\omega]=\mathrm{s}^{-1}.
したがって my''、cy'、ky、F_0\cos\omega t はすべて力の単位 \mathrm{N} を持つ。また、振幅式の分母は \mathrm{N/m}、分子は \mathrm{N} であるため、[M]=\mathrm{m} となる。さらに c^2/(m^2) と k/m はともに \mathrm{s}^{-2} であり、\omega_d と \omega_r の式も次元的に整合する。
9適用範囲と限界
以上の振幅式と共振条件は、線型・定数係数・正弦外力のモデルを前提とする。非線型振動では周波数が振幅に依存する場合や、複数の安定周期軌道が生じる場合がある。現実の系では減衰、非線型性、材料限界、外力の有限持続時間が作用するため、無減衰共振における時間に比例する非有界な増大は、理想化したモデルの結論である。
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12演習
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Complex Roots and Forced Oscillations
1Introduction
This lecture constructs free oscillations from complex characteristic roots and distinguishes transient from steady-state responses to periodic forcing. It then derives from the exact amplitude formula the different meanings of resonance in damped and undamped systems.
2Standard Form and Terminology
The free motion of a mass--spring system is governed by
my''+cy'+ky=0,
where y(t) is displacement from equilibrium, m>0 is mass, c\ge0 is the viscous damping coefficient, and k>0 is the spring constant. With periodic forcing, the equation becomes
my''+cy'+ky=F_0\cos\omega t,\qquad F_0>0,
where F_0>0 is the forcing amplitude and \omega\ge0 is the forcing angular frequency. The homogeneous solution determined by the initial conditions is the {homogeneous free response}. When this free response decays, it is also called the {transient response}. A particular solution that persists at the forcing frequency is the {steady-state response}.
3Complex Roots and Free Oscillation
If the characteristic roots are \alpha\pm i\beta with \beta>0, the real-valued homogeneous solution is
y_h=e^{\alpha t}(C_1\cos\beta t+C_2\sin\beta t).
The amplitude decays exponentially when \alpha<0 and remains periodic without decay when \alpha=0. The angular frequency of the free oscillation is \beta, and its period is 2\pi/\beta.
For a mass--spring system with 0<c<2\sqrt{mk}, the characteristic roots are
-\frac{c}{2m}\pm i\omega_d,
\qquad
\omega_d=\sqrt{\frac{k}{m}-\frac{c^2}{4m^2}}.
The quantity \omega_n=\sqrt{k/m} is the {undamped natural angular frequency}, and \omega_d is the {damped natural angular frequency}. They are not equal in general.
4Amplitude of the Steady-State Response
Assume c>0 and set
y_s=A\cos\omega t+B\sin\omega t.
Comparison of coefficients gives
\begin{pmatrix}
k-m\omega^2 & c\omega\\
-c\omega & k-m\omega^2
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}F_0\\0\end{pmatrix},
and hence
A=\frac{F_0(k-m\omega^2)}{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2},
\qquad
B=\frac{F_0c\omega}{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2}.
Writing y_s=M(\omega)\cos(\omega t-\delta) gives the exact displacement amplitude
M(\omega)=\sqrt{A^2+B^2}
=\frac{F_0}{\sqrt{(k-m\omega^2)^2+(c\omega)^2}}.
This is an equality containing the forcing amplitude, not merely a proportionality. A quadrant-sensitive expression for the phase lag is
\delta=\operatorname{atan2}(c\omega,k-m\omega^2).
The general solution is y=y_h+y_s. When c>0, the transient response y_h decays, so the steady-state response dominates at long times.
5Resonance Frequency in a Damped System
Maximizing the displacement amplitude is equivalent to minimizing
D(\omega)=(k-m\omega^2)^2+c^2\omega^2.
For \omega>0, the stationary condition is
D'(\omega)=2\omega\bigl(2m^2\omega^2+c^2-2mk\bigr)=0.
Consequently, a positive displacement-resonance angular frequency exists only when c^2<2mk, and it is
\omega_r=\sqrt{\frac{k}{m}-\frac{c^2}{2m^2}}.
In general, this frequency equals neither \omega_n=\sqrt{k/m} nor \omega_d. If c^2\ge2mk, the displacement amplitude decreases monotonically from \omega=0 and has no positive-frequency resonance peak. Frequencies maximizing velocity or acceleration amplitudes differ from the displacement-resonance frequency, so the response quantity must be specified whenever a resonance frequency is quoted.
6Boundary of Undamped Resonance
When c=0 and \omega\ne\omega_n, a steady-state particular solution is
y_s=\frac{F_0}{k-m\omega^2}\cos\omega t.
At \omega=\omega_n, the denominator vanishes because the forcing overlaps the homogeneous solution. No bounded periodic steady-state response exists at this boundary. Instead, one particular solution is
y_p=\frac{F_0}{2m\omega_n}t\sin\omega_n t,
whose envelope grows linearly in time. This undamped resonance of the ideal linear model must be distinguished from the finite resonance peak obtained when c>0.
7Example
For y''+4y=0, the characteristic roots are \pm2i and
y_h=C_1\cos2t+C_2\sin2t.
For the resonantly forced equation
y''+4y=\cos2t,
we have m=1, F_0=1, and \omega_n=2. The undamped-resonance formula gives
y_p=\frac14t\sin2t,
and direct substitution confirms that y_p''+4y_p=\cos2t.
8Dimensional Consistency
If displacement and time have units [y]=\mathrm{m} and [t]=\mathrm{s}, then
[m]=\mathrm{kg},\qquad
[c]=\mathrm{N\,s/m},\qquad
[k]=\mathrm{N/m},\qquad
[F_0]=\mathrm{N},\qquad
[\omega]=\mathrm{s}^{-1}.
Thus, my'', cy', ky, and F_0\cos\omega t all have units of force, \mathrm{N}. The denominator in the amplitude formula has units \mathrm{N/m} and the numerator has units \mathrm{N}, so [M]=\mathrm{m}. Moreover, both c^2/m^2 and k/m have units \mathrm{s}^{-2}, confirming the dimensional consistency of the formulas for \omega_d and \omega_r.
9Scope and Limitations
The amplitude formula and resonance conditions above assume a linear constant-coefficient model with sinusoidal forcing. In nonlinear oscillations, frequency may depend on amplitude and multiple stable periodic orbits may occur. Real systems also involve damping, nonlinearities, material limits, and forcing of finite duration. The unbounded linear growth of undamped resonance is therefore a conclusion of an idealized model.
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