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複素根と強制振動md e23f93c
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複素根ふくそこん強制振動きょうせいしんどう

date2026-07-16document_iddoc_c7ae4eca84321aca843a5775decb483adescription二階線型定数係数方程式の複素根と周期外力への応答を、自由振動・過渡応答・定常応答・共振の区別に基づいて説明する。prerequisites二階線型定数係数微分方程式の拡張理論 / 複素数と複素平面type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/differential-equations/extensions-of-second-order-linear-odes.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/nonhomogeneous-equations-and-undetermined-coefficients.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/circular-motion-and-simple-harmonic-motion.lecture.n.md / data/exercise/math/differential-equations/second-order-linear-constant-coefficient-odes.exercise.n.md / data/exercise/math/differential-equations/second-order-linear-odes.exercise.n.md
mathdifferential-equationsoscillationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、特性方程式とくせいほうていしき複素根ふくそこんから自由振動じゆうしんどう構成こうせいし、周期外力しゅうきがいりょくたいする過渡応答かとおうとう定常応答ていじょうおうとう区別くべつする。さらに、減衰げんすい有無うむによって共振きょうしん意味いみ相違そういすることを、振幅しんぷく厳密式げんみつしきから説明せつめいする。

2標準形ひょうじゅんけい用語ようご

質点しつてんばねけい自由振動じゆうしんどう

my'+cy+ky=0

あらわされる。ここで、y(t)平衡位置へいこういちからの変位へんいm>0質量しつりょうc[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0粘性減衰係数ねんせいげんすいけいすうk>0 はばね定数ていすうである。周期外力しゅうきがいりょくくわえた強制振動きょうせいしんどう

my'+cy+ky=F0cosωt,F0>0

あらわされる。F0>0外力振幅がいりょくしんぷくω[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0外力がいりょく角周波数かくしゅうはすうである。初期条件しょきじょうけんによってさだまる同次解どうじかい自由応答じゆうおうとうhomogeneous free responseぶ。この自由応答じゆうおうとう減衰げんすいする場合ばあいには、過渡応答かとおうとうtransient responseともぶ。外力がいりょくおな角周波数かくしゅうはすう持続じぞくするひとつの特殊解とくしゅかい定常応答ていじょうおうとうsteady-state responseぶ。

3複素根ふくそこん自由振動じゆうしんどう

特性根とくせいこんα±iββ>0 なら、実数値じっすうち同次解どうじかい

yh=eαt(C1cosβt+C2sinβt)

である。α<0 なら振幅しんぷく指数的しすうてき減衰げんすいし、α=0 なら減衰げんすいしない周期運動しゅうきうんどうとなる。β自由振動じゆうしんどう角周波数かくしゅうはすうであり、周期しゅうき2π/β である。

質点しつてんばねけい0<c<2mk場合ばあい特性根とくせいこん

-c2m±iωd,ωd=km-c24m2

である。ωn=k/m無減衰固有角周波数むげんすいこゆうかくしゅうはすうundamped natural angular frequencyωd減衰固有角周波数げんすいこゆうかくしゅうはすうdamped natural angular frequencyぶ。両者りょうしゃ一般いっぱん一致いっちしない。

4定常応答ていじょうおうとう振幅しんぷく

c>0 とし、定常応答ていじょうおうとう

ys=Acosωt+Bsinωt

仮定かていする。係数けいすう比較ひかくすると

(k-mω2cω-cωk-mω2)(AB)=(F00)

る。したがって

A=F0(k-mω2)(k-mω2)2+(cω)2,B=F0cω(k-mω2)2+(cω)2.

定常応答ていじょうおうとうys=M(ω)cos(ωt-δ)あらわすと、その変位振幅へんいしんぷく厳密げんみつ

M(ω)=A2+B2=F0(k-mω2)2+(cω)2

である。これはたんなる比例関係ひれいかんけいではなく、外力振幅がいりょくしんぷくふく等式とうしきである。位相差いそうさは、象限しょうげん保持ほじする関数かんすうもちいて

δ=atan[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")](cω,k-mω2)

あらわせる。一般解いっぱんかいy=yh+ys であり、c>0場合ばあいには yh減衰げんすいするため、長時間後ちょうじかんごには定常応答ていじょうおうとう支配的しはいてきとなる。

5減衰系げんすいけい共振周波数きょうしんしゅうはすう

変位振幅へんいしんぷく M(ω)最大化さいだいかは、分母ぶんぼ平方へいほう

D(ω)=(k-mω2)2+c2ω2

最小化さいしょうか同値どうちである。ω>0 における停留条件ていりゅうじょうけん

D(ω)=2ω(2m2ω2+c2-2mk)=0

である。したがって、c2<2mk場合ばあいかぎり、せい変位共振角周波数へんいきょうしんかくしゅうはすう

ωr=km-c22m2

存在そんざいする。これは一般いっぱんωn=k/m とも ωd とも一致いっちしない。c2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2mk なら、変位振幅へんいしんぷくω=0 から単調たんちょう減少げんしょうし、せい共振峰きょうしんほうたない。なお、速度振幅そくどしんぷく加速度振幅かそくどしんぷく最大化さいだいかする周波数しゅうはすう変位振幅へんいしんぷく場合ばあい相違そういするため、共振周波数きょうしんしゅうはすうべるさいには対象量たいしょうりょう明示めいじする必要ひつようがある。

6無減衰共振むげんすいきょうしん境界きょうかい

c=0場合ばあいωωn なら定常特殊解ていじょうとくしゅかい

ys=F0k-mω2cosωt

存在そんざいする。一方いっぽうω=ωn では分母ぶんぼが 0 となり、外力項がいりょくこう同次解どうじかい重複ちょうふくする。この境界きょうかいでは有界ゆうかい周期定常応答しゅうきていじょうおうとう存在そんざいせず、ひとつの特殊解とくしゅかい

yp=F02mωntsinωnt

となる。その包絡振幅ほうらくしんぷく時間じかん比例ひれいして増加ぞうかする。これは無減衰線型むげんすいせんけいモデルにおける共振きょうしんであり、c>0有限ゆうげん共振峰きょうしんほうとは区別くべつしなければならない。

7具体例ぐたいれい

y'+4y=0特性根とくせいこん±2i であり、

yh=C1cos2t+C2sin2t

である。これに共振外力きょうしんがいりょくくわえた

y'+4y=cos2t

では、m=1F0=1ωn=2 である。うえ無減衰共振式むげんすいきょうしんしきから

yp=14tsin2t

る。実際じっさいyp'+4yp=cos2t である。

8単位たんい整合性せいごうせい

変位へんい[y]=m時間じかん[t]=s とすれば、

[m]=kg,[c]=Ns/m,[k]=N/m,[F0]=N,[ω]=s-1.

したがって my'cykyF0cosωt はすべてちから単位たんい Nつ。また、振幅式しんぷくしき分母ぶんぼN/m分子ぶんしN であるため、[M]=m となる。さらに c2/(m2)k/m はともに s-2 であり、ωdωrしき次元的じげんてき整合せいごうする。

9適用範囲てきようはんい限界げんかい

以上いじょう振幅式しんぷくしき共振条件きょうしんじょうけんは、線型せんけい定数係数ていすうけいすう正弦外力せいげんがいりょくのモデルを前提ぜんていとする。非線型振動ひせんけいしんどうでは周波数しゅうはすう振幅しんぷく依存いぞんする場合ばあいや、複数ふくすう安定周期軌道あんていしゅうききどうしょうじる場合ばあいがある。現実げんじつけいでは減衰げんすい非線型性ひせんけいせい材料限界ざいりょうげんかい外力がいりょく有限持続時間ゆうげんじぞくじかん作用さようするため、無減衰共振むげんすいきょうしんにおける時間じかん比例ひれいする非有界ひゆうかい増大ぞうだいは、理想化りそうかしたモデルの結論けつろんである。

10まえ講義こうぎ

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11つぎ講義こうぎ

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12演習えんしゅう

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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[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 is the viscous damping coefficient, and k>0 is the spring constant. With periodic forcing, the equation becomes

my'+cy+ky=F0cosωt,F0>0,

where F0>0 is the forcing amplitude and ω[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0 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 α±iβ with β>0, the real-valued homogeneous solution is

yh=eαt(C1cosβt+C2sinβt).

The amplitude decays exponentially when α<0 and remains periodic without decay when α=0. The angular frequency of the free oscillation is β, and its period is 2π/β.

For a mass--spring system with 0<c<2mk, the characteristic roots are

-c2m±iωd,ωd=km-c24m2.

The quantity ωn=k/m is the {undamped natural angular frequency}, and ωd is the {damped natural angular frequency}. They are not equal in general.

4Amplitude of the Steady-State Response

Assume c>0 and set

ys=Acosωt+Bsinωt.

Comparison of coefficients gives

(k-mω2cω-cωk-mω2)(AB)=(F00),

and hence

A=F0(k-mω2)(k-mω2)2+(cω)2,B=F0cω(k-mω2)2+(cω)2.

Writing ys=M(ω)cos(ωt-δ) gives the exact displacement amplitude

M(ω)=A2+B2=F0(k-mω2)2+(cω)2.

This is an equality containing the forcing amplitude, not merely a proportionality. A quadrant-sensitive expression for the phase lag is

δ=atan[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")](cω,k-mω2).

The general solution is y=yh+ys. When c>0, the transient response yh 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(ω)=(k-mω2)2+c2ω2.

For ω>0, the stationary condition is

D(ω)=2ω(2m2ω2+c2-2mk)=0.

Consequently, a positive displacement-resonance angular frequency exists only when c2<2mk, and it is

ωr=km-c22m2.

In general, this frequency equals neither ωn=k/m nor ωd. If c2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]2mk, the displacement amplitude decreases monotonically from ω=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 ωωn, a steady-state particular solution is

ys=F0k-mω2cosωt.

At ω=ωn, 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

yp=F02mωntsinωnt,

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 ±2i and

yh=C1cos2t+C2sin2t.

For the resonantly forced equation

y'+4y=cos2t,

we have m=1, F0=1, and ωn=2. The undamped-resonance formula gives

yp=14tsin2t,

and direct substitution confirms that yp'+4yp=cos2t.

8Dimensional Consistency

If displacement and time have units [y]=m and [t]=s, then

[m]=kg,[c]=Ns/m,[k]=N/m,[F0]=N,[ω]=s-1.

Thus, my', cy, ky, and F0cosωt all have units of force, N. The denominator in the amplitude formula has units N/m and the numerator has units N, so [M]=m. Moreover, both c2/m2 and k/m have units s-2, confirming the dimensional consistency of the formulas for ωd and ωr.

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.

10Previous Lecture

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11Next Lecture

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12Exercises

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