y=e−xsinx 減衰振動 y=e−xsinx のグラフ
y=e−xsinx は、三角関数に指数関数の重みを掛けた減衰振動の曲線です1。振動しながら振幅が小さくなっていく現象を表す、もっとも基本的な形です。
定義域と零点
定義域はすべての実数です。e−x は決して 0 にならないので、y=0 となるのは sinx=0 のとき、つまり x=nπ に限ります。減衰があっても零点は等間隔のままで、振幅だけが変わっていくところが特徴です。
包絡線
∣sinx∣≤1 より、曲線は二本の指数曲線にはさまれます。
−e−x≤y≤e−x この二本を包絡線といい、∣sinx∣=1 となる x=2π+nπ で曲線は包絡線に接します。はさみうちの原理から x→+∞ で y→0 です。
三つの特徴的な位置
導関数は y′=e−x(cosx−sinx) です。e−x>0 なので cosx=sinx、すなわち x=4π+nπ が極値の位置になります。二階導関数は y′′=−2e−xcosx で、cosx=0 となる点で符号が変わります。
| 位置 | x |
|---|
| 極値 | 4π+nπ |
| 包絡線との接点 | 2π+nπ |
| 変曲点 | 2π+nπ |
| 零点 | nπ |
極値は接点より 4π だけ手前に来ます。減衰しながら登るので、sinx が最大になる前に頂点を過ぎてしまうのです。一方で変曲点は接点とちょうど一致します。最初の極大は x=4π での 22e−π/4≈0.322 です。
減衰の速さ
半周期ずらすと y(x+π)=−e−πy(x) が成り立ちます。したがって隣り合う極値の絶対値の比は一定です。
| ずらす量 | 比 |
|---|
| 半周期 π | e−π≈0.0432 |
| 一周期 2π | e−2π≈0.00187 |
振動はきわめて速く消えていきます。この一定の比の対数をとったものは対数減衰率と呼ばれ、減衰の度合いを測る指標として使われます。
左側の振る舞い
x→−∞ では e−x が発散するため、振幅は指数的に増大しながら振動します。同じ式でありながら、グラフの左半分と右半分ではまったく違う顔を見せます。
積分
∫0∞e−axsin(bx)dx=a2+b2b a=b=1 とすれば 21 です。この式はラプラス変換の基本公式にあたります。
応用
- ばねとダンパーをつないだ振動系の過渡応答
- RLC 回路の減衰振動
- 建物や橋の揺れが収まっていく様子
減衰が弱いときに振動が何度か往復してから消える、いわゆる不足減衰の様子を、そのまま描いた曲線です。
- Damping、Wikipedia