間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,sin凾数,その2

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fsin(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmsin(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmsin(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmsin(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmωfs2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[sin(ωft)]=ωfs2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2(sλ1)(sλ2)=s2+2γs+ω02λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω02=γ±ξ

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1s2(λ1+λ2)s+λ1λ2ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωfs4(λ1+λ2)s3+λ1λ2s2+ωf2s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωfs4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmωf{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm{CAsa+b(sa)2+b2+CBsc+d(sc)2+d2}=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}L[eat]=1saL[eatcos(bt)]=sa(sa)2+b2L[eatsin(bt)]=b(sa)2+b2=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b(sa)2+b2+C5(sc)+C6d(sc)2+d2}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

解く

[x0v0+2γx0]=[11λ2λ1][C1C2]=A[C1C2]A1=1|A|A~=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|]=1(1λ1)(1λ2)[(1)2λ1(1)31(1)3λ2(1)21]=1λ2λ1[λ11λ21]=1(γξ)(γ+ξ)[(γ+ξ)1(γξ)1]λ1,2=γ±ξ=12ξ[γξ1γξ1][C1C2]=A1[x0v0+2γx0]=12ξ[γξ1γξ1][x0v0+2γx0]=12ξ[(γξ)x0+1(v0+2γx0)(γξ)x0+1(v0+2γx0)]=12ξ[γx0ξx0v02γx0γx0ξx0+v0+2γx0]=12ξ[ξx0v0γx0ξx0+v0+γx0]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

C1,C2

[C1C2]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

部分分数分解 第2項分母の係数比較

s4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2={(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=(s22as+a2+b2)(s22cs+c2+d2)=s42cs3+(c2+d2)s22as3+4acs22as(c2+d2)+(a2+b2)s22(a2+b2)cs+(a2+b2)(c2+d2)=s42(a+c)s3+(a2+b2+c2+d2+4ac)s22(ac2+ad2+a2c+b2c)s+a2c2+a2d2+b2c2+b2d2 {2(a+c)=(λ1+λ2)a2+b2+c2+d2+4ac=λ1λ2+ωf22(ac2+ad2+a2c+b2c)=ωf2(λ1+λ2)a2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ2

解く

a=0c=λ1+λ22a=λ1+λ220a=0=λ1+λ22ωf2λ1+λ22=ac2+ad2+a2c+b2c=0c2+0d2+02c+b2ca=0=b2c=b2λ1+λ22c=λ1+λ22ωf2=b2λ1+λ22b=ωf(A2=B2A=±B)a2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ202c2+02d2+b2c2+b2d2=a=0b2(c2+d2)=ωf2(c2+d2)=b=ωfc2+d2=λ1λ2ωf2d2=λ1λ2c2=λ1λ2(λ1+λ22)2c=λ1+λ22=14{4λ1λ2(λ1+λ2)2}=14(4λ1λ2λ122λ1λ2λ22)=14(λ122λ1λ2+λ22)=(λ1λ2)24=((λ1λ2)2)2d=((λ1λ2)2)2=1λ1λ22=iλ1λ22
{a=0()b=ωfc=λ1+λ22=(γ+ξ)+(γξ)2=2γ2=γd=iλ1λ22=i(γ+ξ)(γξ)2=i2ξ2=iξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

ωf={C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}={C3sC3a+C4b}{s22cs+c2+d2}+{C5sC5c+C6d}{s22as+a2+b2}=C3s32C3cs2+C3(c2+d2)sC3as2+2C3acsC3a(c2+d2)+C4bs22C4bcs+C4b(c2+d2)+C5s32C5as2+C5(a2+b2)sC5cs2+2C5acsC5c(a2+b2)+C6ds22C6ads+C6d(a2+b2)=C3s3+C5s32C3cs2C3as2+C4bs22C5as2C5cs2+C6ds2+C3(c2+d2)s+2C3acs2C4bcs+C5(a2+b2)s+2C5acs2C6adsC3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)=(C3+C5)s3+(2C3cC3a+C4b2C5aC5c+C6d)s2+(C3(c2+d2)+2C3ac2C4bc+C5(a2+b2)+2C5ac2C6ad)s+{C3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)}=(C3+C5)s3+(C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d)s2+(C3((c2+d2)+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad))s+{C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)} {0=C3+C50=C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d0=C3(c2+d2+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad)ωf=C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)

解く

[000ωf]=[10102cab2acdc2+d2+2ac2bc(a2+b2)+2ac2ada(c2+d2)b(c2+d2)c(a2+b2)d(a2+b2)][C3C4C5C6]=[10102c0b20cdc2+d2+20c2bc(02+b2)+20c20d0(c2+d2)b(c2+d2)c(02+b2)d(02+b2)][C3C4C5C6]=[10102cbcdc2+d22bcb200b(c2+d2)b2cb2d][C3C4C5C6]=[10102(γ)(ωf)(γ)(iξ)(γ)2+(iξ)22(ωf)(γ)(ωf)200(ωf)((γ)2+(iξ)2)(ωf)2(γ)(ωf)2(iξ)][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξγ2ξ22γωfωf200ωf(γ2ξ2)γωf2iξωf2][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξω022γωfωf200ω02ωfγωf2iξωf2][C3C4C5C6]ξ2=γ2ω02ω02=γ2ξ2=A[C3C4C5C6] |M41|=|010ωfγiξ2γωfωf20|=|ωfiξ2γωf0|={ωf0iξ2γωf}=i2γξωf|M42|=|1102γγiξω02ωf20|=|γiξωf20||2γiξω020|=(γ0iξωf2)(2γ0iξω02)=iξωf2+iξω02=iξ(ω02ωf2)|M43|=|1002γωfiξω022γωf0|=|ωfiξ2γωf0|=ωf0iξ2γωf=i2γξωf|M44|=|1012γωfγω022γωfωf2|=|ωfγ2γωfωf2|+|2γωfω022γωf|=ωfωf2γ2γωf+2γ2γωfωfω02=ωf32γ2ωf+4γ2ωfω02ωf=ωf3+2γ2ωfω02ωf=ωf(2γ2ω02+ωf2)(1)4+1a41|M41|+(1)4+2a42|M42|+(1)4+3a43|M43|+(1)4+4a44|M44|=10(i2γξωf)+1(ω02ωf)(iξ(ω02ωf2))1(γωf2)(i2γξωf)+1(iξωf2)(ωf(2γ2ω02+ωf2))=0+iξω02ωf(ω02ωf2)+i2γ2ξωf3+iξωf3(2γ2ω02+ωf2)=iξωf{ω02(ω02ωf2)+2γ2ωf2+ωf2(2γ2ω02+ωf2)}=iξωf(ω04ω02ωf2+2γ2ωf2+2γ2ωf2ω02ωf2+ωf4)=iξωf(ω042ω02ωf2+ωf4+4γ2ωf2)=iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2} (1)1+4|M41||A|=1i2γξωfiξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)2+4|M42||A|=iξ(ω02ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=ω02ωf2ωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}(1)3+4|M43||A|=1i2γξωfiξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)4+4|M44||A|=ωf(2γ2ω02+ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γ2ω02+ωf2iξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2} [C3C4C5C6]=A1[000ωf]=[(1)1+1|M11||A|(1)1+2|M21||A|(1)1+3|M31||A|(1)1+4|M41||A|(1)2+1|M12||A|(1)2+2|M22||A|(1)2+3|M32||A|(1)2+4|M42||A|(1)3+1|M13||A|(1)3+2|M23||A|(1)3+3|M33||A|(1)3+4|M43||A|(1)4+1|M14||A|(1)4+2|M24||A|(1)4+3|M34||A|(1)4+4|M44||A|][000ωf]=[(1)1+4|M41||A|ωf(1)2+4|M42||A|ωf(1)3+4|M43||A|ωf(1)4+4|M44||A|ωf]=[2γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2ωf(ω02ωf2)ωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}2γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2ωf(2γ2ω02+ωf2)iξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}]=1(ω02ωf2)2+(2γωf)2[2γωfω02ωf22γωfωfiξ(2γ2ω02+ωf2)]

C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=1(ω02ωf2)2+(2γωf)2[2γωfω02ωf22γωfωfiξ(2γ2ω02+ωf2)]

求まった係数を用いて表す

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2+2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{+2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}

第1,2項の逆ラプラス変換

L1[x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2]=(x02+v0+γx02ξ)L1[1sλ1]+(x02v0+γx02ξ)L1[1sλ2]=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξteA+B=eAeB=eγt{x02eξt+v0+γx02ξeξt+x02eξtv0+γx02ξeξt}=eγt{x02(eξt+eξt)+v0+γx02ξ(eξteξt)}=eγt{x02(eiωt+eiωt)+v0+γx02iω(eiωteiωt)}ξ=γ2ω02=1|γ2ω2|=iω(γ<ω0)=eγt{x022cos(ωt)+v0+γx02iω2isin(ωt)}cos(θ)=eiθ+eiθ2,sin(θ)=eiθ+eiθ2i=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)

第3項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs0(s0)2+ωf2+(ω02ωf2)ωf(s0)2+ωf2}]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)L1[s0(s0)2+ωf2]+Fmω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)2(ω02ωf2)L1[ωf(s0)2+ωf2]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)e0tcos(ωft)+Fmω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)2(ω02ωf2)e0tsin(ωft)=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfe0tcos(ωft)+(ω02ωf2)e0tsin(ωft)}=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}e0=1

第4項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfs(γ)(s(γ))2+(iξ)2+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)L1[s(γ)(s(γ))2+(iξ)2]+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)}L1[(iξ)(s(γ))2+(iξ)2]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2(2γωf)eγtcos(iξt)+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)}eγtsin(iξt)=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(iξt)+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)sin(iξt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(iiωt)+ωfiiω(2γ2ω02+ωf2)sin(iiωt)}ξ=iω=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+(1)ωfω(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}ii=1=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+(1)ωfω(2γ2ω02+ωf2)(1)sin(ωt)}cos(θ)=cos(θ),sin(θ)=sin(θ)=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}11=1

全体の逆ラプラス変換(1,2,4,3項の順に入れ替え)

L1[X]=x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)+Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2(ω02ωf2))sin(ωt)}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,sin凾数

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fsin(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmsin(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmsin(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmsin(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmsin(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmωs2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[sin(ωft)]=ωfs2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γsX+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmωfs2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ωfs2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ωfs2+ωf2=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(sλ2)(s2+ωf2)+C4(sλ1)(s2+ωf2)+(C5s+C6)(sλ1)(sλ2)s(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(s3+ωf2sλ2s2λ2ωf2)+C4(s3+ωf2sλ1s2λ1ωf2)+C5{s3(λ1+λ2)s2+λ1λ2s}+C6{s2(λ1+λ2)s+λ1λ2}(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ1)(sλ2)+Fm[(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2)(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)]

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

部分分数分解 C2

x0=C1+C2C1=x0C2v0+2γx0={(x0C2)λ2+C2λ1}=λ2x0+C2λ2C2λ1v0+2γx0+λ2x0=C2(λ2λ1)C2=v0+2γx0+λ2x0λ2λ1λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω0=γ±ξλ2λ1=γξ(γ+ξ)=2ξ=v0+2γx0+(γξ)x02ξ=v0+γx0ξx02ξ=v0+γx02ξξx02ξ=x02v0+γx02ξ

部分分数分解 C1

C1=x0C2=x0(x02v0+γx02ξ)=x02+v0+γx02ξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

ωf=(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2) {0=C3+C4+C50=λ2C3λ1C4(λ1+λ2)C5+C60=ωf2C3+ωf2C4+λ1λ2C5(λ1+λ2)C6ωf=λ2ωf2C3λ1ωf2C4+λ1λ2C6 行列とベクトルで表現すると以下のようになる. [000ωf]=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2][C3C4C5C6] 行列とベクトルを以下の文字で表すとする. y=[000ωf],A=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2],x=[C3C4C5C6] これをxについて解く. y=AxA1y=A1Axx=A1yx=A~|A|yA1=A~|A|,A~[C3C4C5C6]=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)1+3|M31|(1)1+4|M41|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|(1)2+3|M32|(1)2+4|M42|(1)3+1|M13|(1)3+2|M23|(1)3+3|M33|(1)3+4|M43|(1)4+1|M14|(1)4+2|M24|(1)4+3|M34|(1)4+4|M44|][000ωf]=ωf|A|[|M41||M42||M43||M44|]Mij:Aij()

|M3|及び|A|の計算

|M41|=|110λ1(λ1+λ2)1ωf2λ1λ2(λ1+λ2)|=|(λ1+λ2)1λ1λ2(λ1+λ2)||λ11ωf2(λ1+λ2)|={(λ1+λ2)}{(λ1+λ2)}1λ1λ2[λ1{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+2λ1λ2+λ22λ1λ2λ12λ1λ2+ωf2=λ22+ωf2|M42|=|110λ2(λ1+λ2)1ωf2λ1λ2(λ1+λ2)|=|(λ1+λ2)1λ1λ2(λ1+λ2)||λ21ωf2(λ1+λ2)|={(λ1+λ2)}{(λ1+λ2)}1λ1λ2[λ2{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+2λ1λ2+λ22λ1λ2λ1λ2λ22+ωf2=λ12+ωf2|M43|=|110λ2λ11ωf2ωf2(λ1+λ2)|=|λ11ωf2(λ1+λ2)||λ21ωf2(λ1+λ2)|=λ1{(λ1+λ2)}1ωf2[λ2{(λ1+λ2)}1ωf2]=λ12+λ1λ2ωf2λ1λ2λ22+ωf=λ12λ22=(λ1+λ2)(λ1λ2)|M44|=|111λ2λ1(λ1+λ2)ωf2ωf2λ1λ2|=|λ1(λ1+λ2)ωf2λ1λ2||λ2(λ1+λ2)ωf2λ1λ2|+|λ2λ1ωf2ωf2|=λ1λ1λ2{(λ1+λ2)}ωf2[λ2λ1λ2{(λ1+λ2)}ωf2]+(λ2)ωf2(λ1)ωf2=λ12λ2+λ1ωf2+λ2ωf2+λ1λ22λ1ωf2λ2ωf2λ2ωf2+λ1ωf2=λ12λ2+λ1λ22λ2ωf2+λ1ωf2=λ1λ2(λ1λ2)+(λ1λ2)ωf2=(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)|A|=a41(1)4+1|M41|+a42(1)4+2|M42|+a43(1)4+3|M43|+a44(1)4+4|M44|=λ2ωf21{(λ22+ωf2)}λ1ωf21{(λ12+ωf2)}+01{(λ12λ22)}+λ1λ21{(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)}=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)+λ1λ2{(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)}=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)+λ1λ2(ωf2λ1λ2)(λ1λ2)=λ2ωf2(λ22+ωf2)λ1ωf2(λ12+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)+λ1λ2ωf2(λ1λ2)=λ2ωf2(λ22+ωf2+λ12)λ1ωf2(λ12+ωf2+λ22)λ12λ22(λ1λ2)=(λ2ωf2λ1ωf2)(λ12+λ22+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)=ωf2(λ1λ2)(λ12+λ22+ωf2)λ12λ22(λ1λ2)=(λ1λ2)(ωf2(λ12+λ22+ωf2)+λ12λ22)=(λ1λ2)(λ12ωf2+λ22ωf2+ωf4+λ12λ22)=(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)

部分分数分解 C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=ωf|A|[|M41||M42||M43||M44|]=ωf[(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1+λ2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]=[ωf(λ1λ2)(λ12+ωf2)ωf(λ1λ2)(λ22+ωf2)ωf(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]

部分分数分解 まとめる

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm(C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2)=(C1sλ1+C2sλ2)+Fm(C3sλ1+C4sλ2)+Fm(C5s+C6s2+ωf2)=(x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2)+Fm(ωf(λ1λ2)(λ12+ωf2)sλ1+ωf(λ1λ2)(λ22+ωf2)sλ2)+Fm(ωf(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s2+ωf2)={x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ22+ωf2)sλ1+ωf(λ12+ωf2)sλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2

λに関する幾つかの式を先に計算しておく

λ1,2=γ±γ2ω02=γ±ξω=|γ2ω02|ξ=ωi(γ<ω0)ω2=(γ2ω02)=ω02γ2λ1+λ2=(γ+ξ)+(γξ)=2γλ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=2ξλ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=γ2ξ2λ12=(γ+ξ)2=(γ)2+2(γ)ξ+ξ2=γ22γξ+ξ2=(γξ)2λ22=(γξ)2=(γ)22(γ)ξ+ξ2=γ2+2γξ+ξ2=(γ+ξ)2λ12+λ22=(γ22γξ+ξ2)+(γ2+2γξ+ξ2)=2(γ2+ξ2)λ22λ12=(γ2+2γξ+ξ2)(γ22γξ+ξ2)=4γξ(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)=λ12λ22+(λ12+λ22)ωf2+ωf4=(γξ)2(γ+ξ)2+2(γ2+ξ2)ωf2+ωf4={(γξ)(γ+ξ)}2+2γ2ωf2+2ξ2ωf2+ωf4=(γ2ξ2)2+2γ2ωf2+2(γ2ω02)ωf2+ωf4=(ω02)2+2γ2ωf2+2γ2ωf22ω02ωf2+ωf4=ω04+4γ2ωf22ω02ωf2+ωf4=(2γωf)+(ω02ωf2)2

逆ラプラス変換 第1項

γ<ω0(ξ) C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]=C1eλ1t+C2eλ2tL1[1s+a]=eat=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=c2m±(c2m)2(km)2=γ±γ2ω02=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξtaA+B=aAaB=eγt{(x02+v0+γx02ωi)eωit+(x02v0+γx02ωi)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}]=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)isin(ωt)}]cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=eγt[(x02+v0+γx02ωi)cos(ωt)+(x02+v0+γx02ωi)isin(ωt)+(x02v0+γx02ωi)cos(ωt)(x02v0+γx02ωi)isin(ωt)]=eγt[{(x02+v0+γx02ωi)+(x02v0+γx02ωi)}cos(ωt)+{(x02+v0+γx02ωi)(x02v0+γx02ωi)}isin(ωt)]=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωiisin(ωt)}=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}ii=1=eγt{x0cos(ωt)+v0ωsin(ωt)+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt{1ωsin(ωt)}x0v0

逆ラプラス変換 第2項

γ<ω0(ξ) L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ22+ωf2)sλ1+ωf(λ12+ωf2)sλ2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ22+ωf2)L1[1sλ1]ωf(λ12+ωf2)L1[1sλ2]}=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(ωfλ22+ωf3)eλ1t(ωfλ12+ωf3)eλ2t}=Fm12ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)e(γ+ωi)t(ωfλ12+ωf3)e(γωi)t}=Fm12ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)eγteωit(ωfλ12+ωf3)eγteωit}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)eωit(ωfλ12+ωf3)eωit}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))(ωfλ12+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)(cos(ωt)+isin(ωt))(ωfλ12+ωf3)(cos(ωt)isin(ωt))}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{(ωfλ22+ωf3)cos(ωt)+(ωfλ22+ωf3)isin(ωt)(ωfλ12+ωf3)cos(ωt)+(ωfλ12+ωf3)isin(ωt)}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[{(ωfλ22+ωf3)(ωfλ12+ωf3)}cos(ωt)+{(ωfλ22+ωf3)+(ωfλ12+ωf3)}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[ωf{(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)}cos(ωt)+ωf{(λ22+ωf2)+(λ12+ωf2)}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2{ωf(λ22λ12)cos(ωt)+ωf(λ12+λ22+2ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[4γωfcos(ωt)+ωf{2(γ2+ξ2)+2ωf2}isin(ωt)]=Fmeγt2ξ(2γωf)+(ω02ωf2)2[ωf(4γξ)cos(ωt)+2ωfi{(γ2+ξ2)+ωf2}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[4γωfξ2ξcos(ωt)+2ωfi2ξ{γ2(γ2ω02)+ωf2}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωt)+ωfiξ(2γ2ω02+ωf2)sin(ωt)}=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[2γωfcos(ωt)+ωfiωi{2γ2(ω02ωf2)}sin(ωt)]=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2[2γωfcos(ωt)+ωfω{2γ2(ω02ωf2)}sin(ωt)]

逆ラプラス変換 第3項

L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)s+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)L1[ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)ss2+ωf2+ωf(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)s2+ωf2]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)L1[ss2+ωf2]+(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fm1(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){ωf(λ1+λ2)L1[ss2+ωf2]+(λ1λ2ωf2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2{ωf(2γ)cos(ωft)+{(ω02)ωf2}sin(ωft)}λ1+λ2=2γλ1λ2=2ξ=2ωi(ω=|γ2ω02|,γ<ω0)λ1λ2=γ2ξ2=γ2(ωi)2=γ2+ω2=ω02=Fm1(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}

逆ラプラス変換 第1,2,3項

x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}eγtt+v0eγt{1ωsin(ωt)}eγtt+Fmeγt(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωt)+ωfω(2γ2(ω02ωf2))sin(ωt)}eγtt+Fm1(2γωf)2+(ω02ωf2)2{2γωfcos(ωft)+(ω02ωf2)sin(ωft)}eγtt

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,cos凾数,その2

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fcos(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmcos(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmcos(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmcos(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmss2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[cos(ωft)]=ss2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ss2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2(sλ1)(sλ2)=s2+2γs+ω02λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω02=γ±ξ

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1s2(λ1+λ2)s+λ1λ2ss2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmss4(λ1+λ2)s3+λ1λ2s2+ωf2s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fmss4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fms{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm{CAsa+b(sa)2+b2+CBsc+d(sc)2+d2}=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}L[eat]=1saL[eatcos(bt)]=sa(sa)2+b2L[eatsin(bt)]=b(sa)2+b2=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b(sa)2+b2+C5(sc)+C6d(sc)2+d2}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ2)(sλ1)+Fm{C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}{(sa)2+b2}{(sc)2+d2}

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

解く

[x0v0+2γx0]=[11λ2λ1][C1C2]=A[C1C2]A1=1|A|A~=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|]=1(1λ1)(1λ2)[(1)2λ1(1)31(1)3λ2(1)21]=1λ2λ1[λ11λ21]=1(γξ)(γ+ξ)[(γ+ξ)1(γξ)1]λ1,2=γ±ξ=12ξ[γξ1γξ1][C1C2]=A1[x0v0+2γx0]=12ξ[γξ1γξ1][x0v0+2γx0]=12ξ[(γξ)x0+1(v0+2γx0)(γξ)x0+1(v0+2γx0)]=12ξ[γx0ξx0v02γx0γx0ξx0+v0+2γx0]=12ξ[ξx0v0γx0ξx0+v0+γx0]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

C1,C2

[C1C2]=[x02+v0+γx02ξx02v0+γx02ξ]

部分分数分解 第2項分母の係数比較

s4(λ1+λ2)s3+(λ1λ2+ωf2)s2ωf2(λ1+λ2)s+ωf2λ1λ2={(sa)2+b2}{(sc)2+d2}=(s22as+a2+b2)(s22cs+c2+d2)=s42cs3+(c2+d2)s22as3+4acs22as(c2+d2)+(a2+b2)s22(a2+b2)cs+(a2+b2)(c2+d2)=s42(a+c)s3+(a2+b2+c2+d2+4ac)s22(ac2+ad2+a2c+b2c)s+a2c2+a2d2+b2c2+b2d2 {2(a+c)=(λ1+λ2)a2+b2+c2+d2+4ac=λ1λ2+ωf22(ac2+ad2+a2c+b2c)=ωf2(λ1+λ2)a2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ2

解く

a=0c=λ1+λ22a=λ1+λ220a=0=λ1+λ22ωf2λ1+λ22=ac2+ad2+a2c+b2c=0c2+0d2+02c+b2ca=0=b2c=b2λ1+λ22c=λ1+λ22ωf2=b2λ1+λ22b=ωfa2c2+a2d2+b2c2+b2d2=ωf2λ1λ202c2+02d2+b2c2+b2d2=a=0b2(c2+d2)=ωf2(c2+d2)=b=ωfc2+d2=λ1λ2ωf2d2=λ1λ2c2=λ1λ2(λ1+λ22)2c=λ1+λ22=14{4λ1λ2(λ1+λ2)2}=14(4λ1λ2λ122λ1λ2λ22)=14(λ122λ1λ2+λ22)=(λ1λ2)24=((λ1λ2)2)2d=((λ1λ2)2)2=1λ1λ22=iλ1λ22
{a=0b=ωfc=λ1+λ22=(γ+ξ)+(γξ)2=2γ2=γd=iλ1λ22=i(γ+ξ)(γξ)2=i2ξ2=iξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

s={C3(sa)+C4b}{(sc)2+d2}+{C5(sc)+C6d}{(sa)2+b2}={C3sC3a+C4b}{s22cs+c2+d2}+{C5sC5c+C6d}{s22as+a2+b2}=C3s32C3cs2+C3(c2+d2)sC3as2+2C3acsC3a(c2+d2)+C4bs22C4bcs+C4b(c2+d2)+C5s32C5as2+C5(a2+b2)sC5cs2+2C5acsC5c(a2+b2)+C6ds22C6ads+C6d(a2+b2)=C3s3+C5s32C3cs2C3as2+C4bs22C5as2C5cs2+C6ds2+C3(c2+d2)s+2C3acs2C4bcs+C5(a2+b2)s+2C5acs2C6adsC3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)=(C3+C5)s3+(2C3cC3a+C4b2C5aC5c+C6d)s2+(C3(c2+d2)+2C3ac2C4bc+C5(a2+b2)+2C5ac2C6ad)s+{C3a(c2+d2)+C4b(c2+d2)C5c(a2+b2)+C6d(a2+b2)}=(C3+C5)s3+(C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d)s2+(C3((c2+d2)+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad))s+{C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)} {0=C3+C50=C3(2ca)+C4b+C5(2ac)+C6d1=C3(c2+d2+2ac)+C4(2bc)+C5((a2+b2)+2ac)+C6(2ad)0=C3(a(c2+d2))+C4b(c2+d2)+C5(c(a2+b2))+C6d(a2+b2)

解く

[0010]=[10102cab2acdc2+d2+2ac2bc(a2+b2)+2ac2ada(c2+d2)b(c2+d2)c(a2+b2)d(a2+b2)][C3C4C5C6]=[10102c0b20cdc2+d2+20c2bc(02+b2)+20c20d0(c2+d2)b(c2+d2)c(02+b2)d(02+b2)][C3C4C5C6]=[10102cbcdc2+d22bcb200b(c2+d2)b2cb2d][C3C4C5C6]=[10102(γ)(ωf)(γ)(iξ)(γ)2+(iξ)22(ωf)(γ)(ωf)200(ωf)((γ)2+(iξ)2)(ωf)2(γ)(ωf)2(iξ)][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξγ2ξ22γωfωf200ωf(γ2ξ2)γωf2iξωf2][C3C4C5C6]=[10102γωfγiξω022γωfωf200ω02ωfγωf2iξωf2][C3C4C5C6]ω02=γ2ξ2(ξ2=γ2ω02)=A[C3C4C5C6] |M31|=|010ωfγiξω02ωfγωf2iξωf2|=|ωfiξω02ωfiξωf2|={ωfiξωf2iξω02ωf}={iξωf3iξω02ωf}=iξωf(ωf2ω02)=iξωf(ω02ωf2)|M32|=|1102γγiξ0γωf2iξωf2|=|γiξγωf2iξωf2||2γiξ0iξωf2|=(γiξωf2iξγωf2)(2γiξωf2iξ0)=iγξωf2iγξωf2i2γξωf2=i2γξωf2|M33|=|1002γωfiξ0ω02ωfiξωf2|=|ωfiξω02ωfiξωf2|=ωfiξωf2iξω02ωf=iξωf3iξω02ωf=iξωf(ωf2ω02)=iξωf(ω02ωf2)|M34|=|1012γωfγ0ω02ωfγωf2|=|ωfγω02ωfγωf2|+|2γωf0ω02ωf|=ωfγωf2γω02ωf+2γω02ωfωf0=γωf3γω02ωf+2γω02ωf=γωf(ω02+ωf2)(1)3+1a31|M31|+(1)3+2a32|M32|+(1)3+3a33|M33|+(1)3+4a34|M34|=ω02(iξωf(ω02ωf2))2γωf(i2γξωf2)+ωf2(iξωf(ω02ωf2))0(γωf(ω02+ωf2))=iξω02ωf(ω02ωf2)+i4γ2ξωf3iξωf3(ω02ωf2)0=iξωf(ω02ωf2)(ω02ωf2)+i4γ2ξωf3=iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2} (1)1+3|M31||A|=iξωf(ω02ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=ω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)2+3|M32||A|=1i2γξωf2iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=2γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2(1)3+3|M33||A|=iξωf(ω02ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=(ω02ωf2)(ω02+ωf2)2(2γωf)2(1)4+3|M34||A|=1γωf(ω02+ωf2)iξωf{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}=γ(ω02+ωf2)iξ{(ω02ωf2)2(2γωf)2} [C3C4C5C6]=A1[0010]=[(1)1+1|M11||A|(1)1+2|M21||A|(1)1+3|M31||A|(1)1+4|M41||A|(1)2+1|M12||A|(1)2+2|M22||A|(1)2+3|M32||A|(1)2+4|M42||A|(1)3+1|M13||A|(1)3+2|M23||A|(1)3+3|M33||A|(1)3+4|M43||A|(1)4+1|M14||A|(1)4+2|M24||A|(1)4+3|M34||A|(1)4+4|M44||A|][0010]=[(1)1+3|M31||A|1(1)2+3|M32||A|1(1)3+3|M33||A|1(1)4+3|M34||A|1]=[ω02ωf2(ω02ωf2)2+(2γωf)22γωf(ω02ωf2)2+(2γωf)2(ω02ωf2)(ω02ωf2)2(2γωf)2γ(ωf2+ω02)iξ{(ω02ωf2)2(2γωf)2}]=1(ω02ωf2)2(2γωf)2[ω02ωf22γωf(ω02ωf2)γiξ(ω02+ωf2)]

C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=1(ω02ωf2)2(2γωf)2[ω02ωf22γωf(ω02ωf2)γiξ(ω02+ωf2)]

求まった係数を用いて表す

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sa(sa)2+b2+C4b(sa)2+b2+C5sc(sc)2+d2+C6d(sc)2+d2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)s0(s0)2+ωf2+2γωfωf(s0)2+ωf2(ω02ωf2)s(γ)(s(γ))2+(iξ)2γiξ(ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}=x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)s0(s0)2+ωf2+2γωfωf(s0)2+ωf2}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)s(γ)(s(γ))2+(iξ)2γiξ(ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}

第1,2項の逆ラプラス変換

L1[x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2]=(x02+v0+γx02ξ)L1[1sλ1]+(x02v0+γx02ξ)L1[1sλ2]=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξteA+B=eAeB=eγt{x02eξt+v0+γx02ξeξt+x02eξtv0+γx02ξeξt}=eγt{x02(eξt+eξt)+v0+γx02ξ(eξteξt)}=eγt{x02(eiωt+eiωt)+v0+γx02iω(eiωteiωt)}ξ=γ2ω02=1|γ2ω2|=iω(γ<ω0)=eγt{x022cos(ωt)+v0+γx02iω2isin(ωt)}cos(θ)=eiθ+eiθ2,sin(θ)=eiθ+eiθ2i=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)

第3項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)s0(s0)2+ωf2+2γωfωf(s0)2+ωf2}]=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)e0tcos(ωft)+2γωfe0tsin(ωft)}=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}

第4項の逆ラプラス変換

L1[Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)s(γ)(s(γ))2+(iξ)2γiξ(ω02+ωf2)(iξ)(s(γ))2+(iξ)2}]=Fm(ω02ωf2)(ω02ωf2)2+(2γωf)2L1[s(γ)(s(γ))2+(iξ)2]+Fmγiξ(ω02+ωf2)(ω02ωf2)2+(2γωf)2L1[(iξ)(s(γ))2+(iξ)2]=Fm(ω02ωf2)(ω02ωf2)2+(2γωf)2eγtcos(iξt)+Fmγiξ(ω02+ωf2)(ω02ωf2)2+(2γωf)2eγtsin(iξt)=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)eγtcos(iξt)γiξ(ω02+ωf2)eγtsin(iξt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(iξt)+γiξ(ω02+ωf2)sin(iξt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(iiωt)+γiiω(ω02+ωf2)sin(iiωt)}ξ=iω=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+(1)γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}ii=1=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+(1)γω(ω02+ωf2)(1)sin(ωt)}cos(θ)=cos(θ),sin(θ)=sin(θ)=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}11=1

全体の逆ラプラス変換(1,2,4,3項の順に入れ替え)

L1[X]=x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt1ωsin(ωt)+Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}

バネマスダンパー系,運動方程式,ラプラス変換,逆ラプラス変換,cos凾数

バネマスダンパー系

運動方程式

mx¨+cx˙+kx=Fcos(ωft)d2xd2t+cmdxdt+kmx=Fmcos(ωft)d2xd2t+2γdxdt+ω02x=Fmcos(ωft)γ=c2m,ω02=km

ラプラス変換

L[d2xd2t+2γdxdt+ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+L[2γdxdt]+L[ω02x]=L[Fmcos(ωft)]L[d2xd2t]+2γL[dxdt]+ω02L[x]=L[Fmcos(ωft)]s2Xsx0v0+2γ(sXx0)+ω02X=Fmss2+ωf2L[x]=XL[dxdt]=s2Xx0,x0=x(0)L[d2xd2t]=s2Xsx0v0,v0=x(0)L[cos(ωt)]=ss2+ωf2

Xについて解く

s2X+2γXs+ω02X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2(s2+2γs+ω02)X=sx0+v0+2γx0+Fmss2+ωf2X=sx0+v0+2γx0s2+2γs+ω02+Fm1s2+2γs+ω02ss2+ωf2=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2

部分分数分解 準備

X=sx0+v0+2γx0(sλ1)(sλ2)+Fm1(sλ1)(sλ2)ss2+ωf2=C1sλ1+C2sλ2+Fm{C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(sλ2)(s2+ωf2)+C4(sλ1)(s2+ωf2)+(C5s+C6)(sλ1)(sλ2)s(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=C1(sλ2)+C2(sλ1)(sλ1)(sλ2)+Fm{C3(s3+ωf2sλ2s2λ2ωf2)+C4(s3+ωf2sλ1s2λ1ωf2)+C5{s3(λ1+λ2)s2+λ1λ2s}+C6{s2(λ1+λ2)s+λ1λ2}(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)}=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1)(sλ1)(sλ2)+Fm[(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2)(sλ1)(sλ2)(s2+ωf2)]

部分分数分解 第1項分子の係数比較

sx0+v0+2γx0=(C1+C2)s(C1λ2+C2λ1) {x0=C1+C2v0+2γx0=(C1λ2+C2λ1)

部分分数分解 C2

x0=C1+C2C1=x0C2v0+2γx0={(x0C2)λ2+C2λ1}=λ2x0+C2λ2C2λ1v0+2γx0+λ2x0=C2(λ2λ1)C2=v0+2γx0+λ2x0λ2λ1λ1,2=2γ±(2γ)241ω0221=γ±γ2ω0=γ±ξλ2λ1=γξ(γ+ξ)=2ξ=v0+2γx0+(γξ)x02ξ=v0+γx0ξx02ξ=v0+γx02ξξx02ξ=x02v0+γx02ξ

部分分数分解 C1

C1=x0C2=x0(x02v0+γx02ξ)=x02+v0+γx02ξ

部分分数分解 第2項分子の係数比較

s=(C3+C4+C5)s3+{C3λ2C4λ1C5(λ1+λ2)+C6}s2+{C3ωf2+C4ωf2+C5λ1λ2C6(λ1+λ2)}s+(C3λ2ωf2C4λ1ωf2+C6λ1λ2) {0=C3+C4+C50=λ2C3λ1C4(λ1+λ2)C5+C61=ωf2C3+ωf2C4+λ1λ2C5(λ1+λ2)C60=λ2ωf2C3λ1ωf2C4+λ1λ2C6 行列とベクトルで表現すると以下のようになる. [0010]=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2][C3C4C5C6] 行列とベクトルを以下の文字で表すとする. y=[0010],A=[1110λ2λ1(λ1+λ2)1ωf2ωf2λ1λ2(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20λ1λ2],x=[C3C4C5C6] これをxについて解く. y=AxA1y=A1Axx=A1yx=A~|A|yA1=A~|A|,A~[C3C4C5C6]=1|A|[(1)1+1|M11|(1)1+2|M21|(1)1+3|M31|(1)1+4|M41|(1)2+1|M12|(1)2+2|M22|(1)2+3|M32|(1)2+4|M42|(1)3+1|M13|(1)3+2|M23|(1)3+3|M33|(1)3+4|M43|(1)4+1|M14|(1)4+2|M24|(1)4+3|M34|(1)4+4|M44|][0010]=1|A|[|M31||M32||M33||M34|]Mij:Aij()

|M3|及び|A|の計算

|M31|=|110λ1(λ1+λ2)1λ1ωf20λ1λ2|=|(λ1+λ2)10λ1λ2||λ11λ1ωf2λ1λ2|=(λ1+λ2)λ1λ210{(λ1)λ1λ21(λ1ωf2)}=λ12λ2λ1λ22+λ12λ2λ1ωf2=λ1λ22λ1ωf2=λ1(λ22+ωf2)|M32|=|110λ2(λ1+λ2)1λ2ωf20λ1λ2|=|(λ1+λ2)10λ1λ2||λ21λ2ωf2λ1λ2|=(λ1+λ2)λ1λ210{(λ2)λ1λ21(λ2ωf2)}=λ12λ2λ1λ12+λ1λ22λ2ωf2=λ12λ2λ2ωf2=λ2(λ12+ωf2)|M33|=|110λ2λ11λ2ωf2λ1ωf2λ1λ2|=|λ11λ1ωf2λ1λ2||λ21λ2ωf2λ1λ2|=λ1λ1λ21(λ1ωf2){λ2λ1λ21(λ2ωf2)}=λ12λ2+λ1ωf2+λ1λ22λ2ωf2=λ1λ2(λ1λ2)+ωf2(λ1λ2)=(λ1λ2+ωf2)(λ1λ2)=(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)|M34|=|111λ2λ1(λ1+λ2)λ2ωf2λ1ωf20|=|λ1(λ1+λ2)λ1ωf20||λ2(λ1+λ2)λ2ωf20|+|λ2λ1λ2ωf2λ1ωf2|=λ10{(λ1+λ2)}(λ1ωf2)[λ20{(λ1+λ2)}(λ2ωf2)]+(λ2)(λ1ωf2)(λ1)(λ2ωf2)=λ12ωf2λ1λ2ωf2+λ1λ2ωf2+λ22ωf2+λ1λ2ωf2λ1λ2ωf2=(λ12+λ22)ωf2=ωf2(λ12λ22)=ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)|A|=a31(1)3+1|M31|+a32(1)3+2|M32|+a33(1)3+3|M33|+a34(1)3+4|M34|=ωf21{λ1(λ22+ωf2)}+ωf21{λ2(λ12+ωf2)}+λ1λ21{(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)}(λ1+λ2)1{ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)}=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ1λ2(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)ωf2(λ1+λ2)2(λ1λ2)=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ13λ22+ωf2λ12λ2+λ12λ23ωf2λ1λ22ωf2λ13ωf2λ12λ2+ωf2λ1λ22+ωf2λ23(A+B)2(AB)=A3+A2BAB2B3=ωf2λ1(λ22+ωf2)+ωf2λ2(λ12+ωf2)λ13(λ22+ωf2)+λ23(λ12+ωf2)=(ωf2λ1λ13)(λ22+ωf2)+(ωf2λ2+λ23)(λ12+ωf2)=λ1(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)+λ2(λ22+ωf2)(λ12+ωf2)=(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)

部分分数分解 C3,C4,C5,C6

[C3C4C5C6]=1|A|[|M31||M32||M33||M34|]=[λ1(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)1λ2(λ12+ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)1ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]=[λ1(λ1λ2)(λ12+ωf2)λ2(λ1λ2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)ωf2(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)]

部分分数分解 まとめる

X=C1sλ1+C2sλ2+Fm(C3sλ1+C4sλ2+C5s+C6s2+ωf2)=(C1sλ1+C2sλ2)+Fm(C3sλ1+C4sλ2)+Fm(C5s+C6s2+ωf2)=(x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2)+Fm{λ1(λ1λ2)(λ12+ωf2)sλ1+λ2(λ1λ2)(λ22+ωf2)sλ2}+Fm(λ1λ2ωf2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s+ωf2(λ1+λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)s2+ωf2=(x02+v0+γx02ξsλ1+x02v0+γx02ξsλ2)+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)sλ1+λ2(λ12+ωf2)sλ2}+Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)sωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2

逆ラプラス変換 第1項

γ<ω0(ξ) C1L1[1sλ1]+C2L1[1sλ2]=C1eλ1t+C2eλ2tL1[1s+a]=eat=(x02+v0+γx02ξ)eλ1t+(x02v0+γx02ξ)eλ2t=(x02+v0+γx02ξ)e(γ+ξ)t+(x02v0+γx02ξ)e(γξ)tλ1,2=c2m±(c2m)2(km)2=γ±γ2ω02=γ±ξ=(x02+v0+γx02ξ)eγteξt+(x02v0+γx02ξ)eγteξtaA+B=aAaB=eγt{(x02+v0+γx02ωi)eωit+(x02v0+γx02ωi)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}]=eγt[(x02+v0+γx02ωi){cos(ωt)+isin(ωt)}+(x02v0+γx02ωi){cos(ωt)isin(ωt)}]cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=eγt[(x02+v0+γx02ωi)cos(ωt)+(x02+v0+γx02ωi)isin(ωt)+(x02v0+γx02ωi)cos(ωt)(x02v0+γx02ωi)isin(ωt)]=eγt[{(x02+v0+γx02ωi)+(x02v0+γx02ωi)}cos(ωt)+{(x02+v0+γx02ωi)(x02v0+γx02ωi)}isin(ωt)]=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωiisin(ωt)}=eγt{x0cos(ωt)+v0+γx0ωsin(ωt)}ii=1=eγt{x0cos(ωt)+v0ωsin(ωt)+γx0ωsin(ωt)}=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}+v0eγt{1ωsin(ωt)}x0v0

逆ラプラス変換 第2項

γ<ω0(ξ) L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)sλ1+λ2(λ12+ωf2)sλ2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){λ1(λ22+ωf2)L1[1sλ1]λ2(λ12+ωf2)L1[1sλ2]}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eλ1t(λ12λ2+λ2ωf2)eλ2t}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ,λ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=ω02=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)e(γ+ξ)t(λ12λ2+λ2ωf2)e(γξ)t}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eγteξt(λ12λ2+λ2ωf2)eγteξt}eA+B=eAeB=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ22+λ1ωf2)eωit(λ12λ2+λ2ωf2)eωit}γ<ω0(ξ),ξ=γ2ω02=|γ2ω02|i=ωi=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}[(λ2ω02+λ1ωf2){cos(ωt)+isin(ωt)}(λ1ω02+λ2ωf2){cos(ωt)+isin(ωt)}]eix=cos(ωt)+isin(ωt)=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ2ω02+λ1ωf2)cos(ωt)+(λ2ω02+λ1ωf2)isin(ω0t)(λ1ω02+λ2ωf2)cos(ωt)(λ1ω02+λ2ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ2ω02+λ1ωf2)cos(ωt)+(λ2ω02+λ1ωf2)isin(ωt)(λ1ω02+λ2ωf2)cos(ωt)+(λ1ω02+λ2ωf2)isin(ωt)}cos(ωt)=cos(ωt),sin(ωt)=sin(ωt)=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}[{(λ2ω02+λ1ωf2)(λ1ω02+λ2ωf2)}cos(ωt)+{(λ2ω02+λ1ωf2)+(λ1ω02+λ2ωf2)}isin(ωt)]=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(λ1λ2)(ω02ωf2)cos(ωt)+(λ1+λ2)(ω02+ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt2ωi{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{(2ξ)(ω02ωf2)cos(ωt)+(2γ)(ω02+ωf2)isin(ωt)}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{2ωi2ωi(ω02ωf2)cos(ωt)+2γ2ωi(ω02+ωf2)isin(ωt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}ii=1=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω0ζ21(ω02+ωf2)sin(ωt)}ω=γ2ω02=ω02(γ2ω02ω02ω02)=ω0ζ21,ζ=γω0=Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+ζζ21(ω02+ωf2)sin(ωt)}

逆ラプラス変換 第3項

L1[Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)sωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2}]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2)L1[(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)ss2+ωf2ωf2(λ1+λ2)(λ1λ2)s2+ωf2]=Fm1(λ1λ2)(λ12+ωf2)(λ22+ωf2){(λ1λ2ωf2)(λ1λ2)L1[ss2+ωf2]ωf(λ1+λ2)(λ1λ2)L1[ωfs2+ωf2]}=Fm12ξ{(ω02ωf2)2+(2γωf)2}{((ω02)ωf2)(2ξ)cos(ωft)ωf(2γ)(2ξ)sin(ωft)}λ1+λ2=2γ,λ1λ2=2ξ,λ1λ2=(γ+ξ)(γξ)=(γ)2ξ2=ω02=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)2ξ2ξcos(ωft)+2γωf2ξ2ξsin(ωft)}=Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}

逆ラプラス変換 第1,2,3項

x(t)=x0eγt{cos(ωt)+γωsin(ωt)}eγtt+v0eγt{1ωsin(ωt)}eγtt+Fmeγt(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωt)+γω(ω02+ωf2)sin(ωt)}eγtt+Fm1(ω02ωf2)2+(2γωf)2{(ω02ωf2)cos(ωft)+2γωfsin(ωft)}eγtt