微分方程(Blanchard Differential Equations 4th)中文版Section4.1
强迫谐波振荡系统
在第2.1和2.3节中,我们引入了谐振子方程,作为质量块附在弹簧上并在桌面上滑动的物理系统的模型。该质量块同时受到弹簧提供的恢复力和阻尼力的作用。恢复力被假设为与位移成正比,而阻尼力被假设为与速度成正比。这些比例常数分别称为弹簧常数和阻尼系数。我们由此得到一个线性、二阶、常系数的方程。在第3.6节中,我们利用线性系统研究中的技术,对谐振子方程的解的可能行为进行了分类。此外,我们描述了一种生成这些方程通解的有效方法。
在本章中,我们考虑“外力”的影响,即除了恢复力和阻尼力之外的力。这些力可能包括摇晃桌子或推动质量块。
另一种可以非常简化地用谐振子系统建模的装置是被轻轻用叉子敲击后的水晶杯运动。位置变量 y y y 表示玻璃形状偏离静止位置的程度。恢复力将玻璃推回其原始形状。被叉子轻敲后,产生的响声是由于玻璃围绕静止位置的振荡引起的,因此这是一个欠阻尼振荡器。声音的频率就是振荡的频率。作为外力的一个例子,我们想象一个歌剧歌手站在玻璃旁,唱一个固定的音符。声波推动玻璃并使其稍微变形。这种外力的大小和方向仅取决于时间。
在本章的前四节中,我们将探讨外力如何影响谐振子的运动。例如:歌剧歌手如何通过唱特定的音符打破玻璃?
强迫谐振子的方程
回顾一下,谐振子的方程源自牛顿第二定律:
力 = 质量 × 加速度,
该定律应用于附在弹簧上的质量块的运动,质量块在桌面上滑动。我们用 y ( t ) y(t) y(t) 表示时间 t t t 时刻质量 m m m 的位置, y = 0 y = 0 y=0 表示静止位置。作用在质量块上的力有弹簧力 − k y -ky −ky 和阻尼力 − b d y d t -b \frac{dy}{dt} −bdtdy。将这些代入牛顿定律,得到:
− k y − b d y d t = m d 2 y d t 2 , -ky - b \frac{dy}{dt} = m \frac{d^2 y}{dt^2}, −ky−bdtdy=mdt2d2y,
这一方程通常写作:
d 2 y d t 2 + b m d y d t + k m y = 0. \frac{d^2 y}{dt^2} + \frac{b}{m} \frac{dy}{dt} + \frac{k}{m} y = 0. dt2d2y+mbdtdy+mky=0.
其中参数 m > 0 m > 0 m>0, k > 0 k > 0 k>0,且 b ≥ 0 b \geq 0 b≥0。
要引入外力,我们必须在该方程的右侧添加另一个项。这个强迫项可以是任意函数。我们考虑仅依赖时间 t t t 的外力,因此外力由函数 f ( t ) f(t) f(t) 给出。常见的强迫函数例子包括常数函数(表示以恒定强度推质量块的力)和 f ( t ) = e − a t f(t) = e^{-at} f(t)=e−at(表示强度随时间呈指数衰减的力)。一个特别重要的例子是 f ( t ) = sin ω t f(t) = \sin \omega t f(t)=sinωt 或 f ( t ) = cos ω t f(t) = \cos \omega t f(t)=cosωt,称为周期为 2 π / ω 2\pi/\omega 2π/ω(或频率为 ω / ( 2 π ) \omega/(2\pi) ω/(2π))的正弦强迫。这对应于一个以周期性的方式来回推拉质量块的力(类似声波对玻璃的推力)。
新的方程为
m d 2 y d t 2 = − k y − b d y d t + f ( t ) , m \frac{d^2 y}{dt^2} = -ky - b \frac{dy}{dt} + f(t), mdt2d2y=−ky−bdtdy+f(t),
也可以写作
d 2 y d t 2 + b m d y d t + k m y = f ( t ) m . \frac{d^2 y}{dt^2} + \frac{b}{m} \frac{dy}{dt} + \frac{k}{m} y = \frac{f(t)}{m}. dt2d2y+mbdtdy+mky=mf(t).
如果我们令 p = b m p = \frac{b}{m} p=mb, q = k m q = \frac{k}{m} q=mk,以及 g ( t ) = f ( t ) m g(t) = \frac{f(t)}{m} g(t)=mf(t),则可以得到
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = g ( t ) . \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = g(t). dt2d2y+pdtdy+qy=g(t).
这是一个二阶、线性、常系数、非齐次、非自治方程。如第1.8节所述,形容词“非齐次”指的是方程的右侧不为零。我们也将此方程称为强迫谐振子方程,或简称为强迫方程。我们经常稍微滥用术语,将 g ( t ) g(t) g(t) 称为强迫函数。方程
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = 0 \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = 0 dt2d2y+pdtdy+qy=0
被称为相关的齐次或无强迫方程。
对于强迫谐振子方程,我们的目标与普通谐振子方程相同。给定参数 p p p 和 q q q 以及强迫函数 g ( t ) g(t) g(t),描述质量块的运动,绘制解的图像,并在可能的情况下给出解的公式。在本节中,我们举例说明如何为特定类型的强迫函数找到强迫谐振子系统的显式解。这里使用的方法是一种“幸运猜测”法,有个很响亮的名字——待定系数法。另一种更系统的方法是第6章中介绍的拉普拉斯变换方法。同样需要强调的是,与非线性方程一样,没有一种方法能给出任意强迫函数的通解。我们能显式求解的方程是特殊情况。本节的目标是为几个特殊情况获得通解,并研究这些情况下解的行为。
扩展线性原理
为了找到形如
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = g ( t ) \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = g(t) dt2d2y+pdtdy+qy=g(t)
的方程的一般解,我们可以充分利用我们已经知道如何找到齐次方程的一般解:
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = 0 。 \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = 0。 dt2d2y+pdtdy+qy=0。
我们可以将这个二阶方程转换为一阶系统,然后通过计算特征值和特征向量来找到一般解。然而,在第3.6节中我们指出,特征值和一般解可以通过猜测和验证方法快速获得。我们将在本章中使用这种有效方法。
计算强迫谐振子方程一般解的关键是第3章线性原理的扩展版。
扩展线性原理
考虑一个非齐次方程(强迫方程)
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = g ( t ) \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = g(t) dt2d2y+pdtdy+qy=g(t)
及其相关的齐次方程(无强迫方程)
d 2 y d t 2 + p d y d t + q y = 0 。 \frac{d^2 y}{dt^2} + p \frac{dy}{dt} + qy = 0。 dt2d2y+pdtdy+qy=0。
-
假设 y p ( t ) y_p(t) yp(t) 是非齐次方程的一个特解, y h ( t ) y_h(t) yh(t) 是相关齐次方程的一个解。那么 y h ( t ) + y p ( t ) y_h(t) + y_p(t) yh(t)+yp(t) 也是非齐次方程的一个解。
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假设 y p ( t ) y_p(t) yp(t) 和 y q ( t ) y_q(t) yq(t) 是非齐次方程的两个解。那么 y p ( t ) − y q ( t ) y_p(t) - y_q(t) yp(t)−yq(t) 是相关齐次方程的一个解。
因此,如果 k 1 y 1 ( t ) + k 2 y 2 ( t ) k_1 y_1(t) + k_2 y_2(t) k1y1(t)+k2y2(t) 是齐次方程的通解,那么
k 1 y 1 ( t ) + k 2 y 2 ( t ) + y p ( t ) k_1 y_1(t) + k_2 y_2(t) + y_p(t) k1y1(t)+k2y2(t)+yp(t)
就是非齐次方程的通解。
我们可以通过将给定的函数代入非齐次方程来验证这一定理。为了验证第一个断言,我们将 y h ( t ) + y p ( t ) y_h(t) + y_p(t) yh(t)+yp(t) 代入非齐次方程,得到
d 2 d t 2 ( y h + y p ) + p d d t ( y h + y p ) + q ( y h + y p ) = ( d 2 y h d t 2 + d 2 y p d t 2 ) + p ( d y h d t + d y p d t ) + q ( y h + y p ) \frac{d^2}{dt^2}(y_h + y_p) + p \frac{d}{dt}(y_h + y_p) + q(y_h + y_p) = \left(\frac{d^2 y_h}{dt^2} + \frac{d^2 y_p}{dt^2}\right) + p\left(\frac{dy_h}{dt} + \frac{dy_p}{dt}\right) + q(y_h + y_p) dt
