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波動方程式はどうほうていしきの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_39612f0f5e297e99b60678f9d16039f3description弦の微小部分に運動方程式を立てて偏微分方程式としての波動方程式を導き、進行波と正弦波がその解になることを証明する講義である。prerequisites波の基本 / 運動方程式 / 偏微分の基本 / 微分方程式とは何か / 三角関数type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/waves/waves-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/standing-waves-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/wave-energy-and-energy-density.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/introduction-to-differential-equations.lecture.n.md / data/lecture/math/differential-equations/physical-models-and-transition-to-pdes.lecture.n.md
physicswaveswave-equationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、波なみの公式こうしきを暗記あんきするのではなく、媒質ばいしつの微小部分びしょうぶぶんに運動方程式うんどうほうていしきを立たてると波動方程式はどうほうていしきを導出どうしゅつする。

弦げんが曲まがっていると、左右さゆうから引ひく張力ちょうりょくの向むきが少すこしずれる。そのずれが上下方向じょうげほうこうの合力ごうりょくを生うみ、媒質ばいしつを加速かそくする。つまり、波なみの伝播でんぱは「曲まがりが加速度かそくどを決きめる」現象げんしょうである。

2用語ようごと定義ていぎ

波動方程式はどうほうていしきwave equationとは、1 次元じげんでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]∂2y∂t2=v2∂2y∂x2

の形かたちをした偏微分方程式へんびぶんほうていしきである。

ここで y(x,t) は位置いち x、時刻じこく t における変位へんいであり、v は波なみの速はやさである。

つまり波動方程式はどうほうていしきは、未知関数みちかんすう y(x,t) を求もとめる偏微分方程式へんびぶんほうていしきである。単たんに v=fλ を使つかう公式問題こうしきもんだいではなく、場ばの時間変化じかんへんかと空間的くうかんてきな曲まがりがどう結むすびつくかを表あらわす方程式ほうていしきとして読よむ。

data/lecture/math/differential-equations/physical-models-and-transition-to-pdes.lecture.n.md

線密度せんみつどlinear mass density μ は、単位長たんいいちょうさあたりの質量しつりょうである。

μ=ΔmΔx

3方針ほうしん

波動方程式はどうほうていしきを導みちびくには、弦げんの短みじかい部分ぶぶんを取とり出だす。

  1. 微小部分びしょうぶぶんの質量しつりょうを μΔx と書かく。
  2. 張力ちょうりょくの鉛直成分えんちょくせいぶんの差さを求もとめる。
  3. 運動方程式うんどうほうていしき ma=F を立たてる。
  4. Δx→0 の極限きょくげんで偏微分方程式へんびぶんほうていしきを得える。

4方程式ほうていしき 1:弦げんの波動方程式はどうほうていしき

張力ちょうりょく T、線密度せんみつど μ の弦げんで、変位へんいが小ちいさく、傾かたむきも小ちいさいとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]∂2y∂t2=Tμ∂2y∂x2

が成立せいりつする。したがって波なみの速はやさは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=Tμ

である。

4.1証明しょうめい

x から x+Δx までの弦げんの微小部分びしょうぶぶんを考かんがえる。質量しつりょうは

μΔx

である。張力ちょうりょくの大おおきさは両端りょうたんでほぼ T とみなす。鉛直方向えんちょくほうこうの力ちからは

Tsinθ(x+Δx)-Tsinθ(x)

である。傾かたむきが小ちいさいので

sinθ≃tanθ=∂y∂x

である。したがって鉛直方向えんちょくほうこうの合力ごうりょくは

T[∂y∂x(x+Δx,t)-∂y∂x(x,t)]

である。運動方程式うんどうほうていしきは

μΔx∂2y∂t2=T[∂y∂x(x+Δx,t)-∂y∂x(x,t)]

である。両辺りょうへんを Δx で割わり、Δx→0 とすると、

μ∂2y∂t2=T∂2y∂x2

を得える。よって

∂2y∂t2=Tμ∂2y∂x2

である。波動方程式はどうほうていしきの標準形ひょうじゅんけいと比くらべると、

v2=Tμ

なので、v=T/μ である。

5帰結きけつ 2:進行波しんこうはは波動方程式はどうほうていしきの解かい

任意にんいの 2 回かい微分可能びぶんかのうな関数かんすう F について、

y(x,t)=F(x-vt)

は

∂2y∂t2=v2∂2y∂x2

を満みたす。

5.1証明しょうめい

u=x-vt と置おくと y=F(u) である。連鎖律れんさりつより

∂y∂t=-vF′(u),∂2y∂t2=v2F′'(u)

である。また

∂y∂x=F′(u),∂2y∂x2=F′'(u)

である。したがって

∂2y∂t2=v2F′'(u)=v2∂2y∂x2

であり、波動方程式はどうほうていしきを満みたす。

6関係式かんけいしき 3:正弦波せいげんはでは ω=vk

y=Acos(kx-ωt)

が波動方程式はどうほうていしきを満みたすなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ω=vk

である。

6.1証明しょうめい

時間じかんで 2 回かい偏微分へんびぶんすると、

∂2y∂t2=-ω2Acos(kx-ωt)

である。位置いちで 2 回かい偏微分へんびぶんすると、

∂2y∂x2=-k2Acos(kx-ωt)

である。波動方程式はどうほうていしきに代入だいにゅうすると

-ω2Acos(kx-ωt)=v2(-k2Acos(kx-ωt))

である。恒等的こうとうてきに成立せいりつするためには

ω2=v2k2

である。ω>0,k>0,v>0 と取とれば

ω=vk

を得える。

7単位たんいの確認かくにん

T[N;MLT-2],μ[kg/m;ML-1]

なので、

Tμ[m2/s2;L2T-2]

である。したがって T/μ は速はやさの単位たんいをもつ。

8見分みわけ方かた

  • 媒質ばいしつの微小部分びしょうぶぶんに力ちからを立たてるなら、波動方程式はどうほうていしきの導出どうしゅつである。
  • 形かたちがそのまま動うごくなら F(x-vt) を試ためす。
  • 正弦波せいげんはなら、ω=vk と v=fλ は同おなじ関係かんけいである。

9どこまで成立せいりつするか

この導出どうしゅつでは、弦げんの傾かたむきが小ちいさいこと、張力ちょうりょくの大おおきさがほぼ一定いっていであること、弦げんの伸のびによる非線形効果ひせんけいこうかを無視むしできることを仮定かていした。振幅しんぷくが大おおきい場合ばあいや媒質ばいしつが非線形ひせんけいな場合ばあいは、別べつの方程式ほうていしきが必要ひつようになる。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]∂2y∂t2=v2∂2y∂x2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=Tμ

ここまでで直接ちょくせつ確認かくにんしたのは、F(x-vt) や G(x+vt) のような進行波しんこうはが解かいになることである。さらに適切てきせつな正則性せいそくせいを仮定かていし、初期条件しょきじょうけんを組くみ込こむと、1 次元じげんの波動方程式はどうほうていしきでは d'Alembert 型がたの表示ひょうじ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]y=F(x-vt)+G(x+vt)

へ進すすめる。この一般表示いっぱんひょうじの導出どうしゅつは、変数変換へんすうへんかんまたは PDE の講義こうぎで扱あつかう。

11一言ひとこと

波動方程式はどうほうていしきは、媒質ばいしつの曲まがりが加速度かそくどを決きめるという運動方程式うんどうほうていしきである。

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