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地盤工学演習(第一部) 前田研究室 maedalab Partialdiff02

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Academic year: 2018

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(1)

G G G

EEOEOO---

D D D

IIISSASAASSSTTTEERERR

P P P

RRREEEVVVEEENNNTTTIIIOONONN

S S S

YYYSSTSTTEEMEMM 1/4

G G G

EEEOOO

S S S

CCICIIEEENNNCCCEEE&& &

G G G

EEEOOO

E E E

NNGNGGIIINNENEEEEERRRIIINNNGG GLLALAABBB http://www.cm.nitech.ac.jp/maeda-lab/ 3.微分方程式の導出

3.1 一次元波動方程式の導入(Introduction to Wave Propagation in 1D)

・ 微分表記(Detonations for differential)

( ) x t

u

u = ,

,

x

u

x

u

∂ ∂

=

,

t

u

t

u

∂ ∂

=

, 2

2

x

u

xx

u

∂ ∂

=

, 2

2

t

u

tt

u

∂ ∂

=

・ 微小振幅(Infinitesimal Amplitude)

→ 0

θ

cos θ → 1

,

sin θ → θ

,

tan θ → θ

:

x

x

x

u

∂ ∂

θ ≈

・ 釣合い式・運動方程式(Equilibrium / Motion Equation)

( ) cos 0

cos + + =

T θ

x

T dT θ

x+dx x-direction

( ) sin 0

sin + + =

− ρ dx u

tt

T θ

x

T dT θ

x+dx y-direction

≈ 0

dT

x-direction

( ) = 0

− ρ dx u

tt

T u

x

u

x+dx y-direction

( ) ( x t T x dx t )

T , = + ,

x-direction

0 +

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ ⎛ −

=

=

dx x dx x xx

tt

dx

u

u

u T

u T

ρ

ρ

y-direction 振動する弦の小片(

x

,

x + x

)と作用する力

Infinitesimal element

x

,

x + x

of bowstring in 1D vibration and forces

T

(internal tension) applied to it.

x x + dx

dx

T

T d +

T u ( x + dx , t )

( ) x t

u ,

dx x+

θ

x x

u

x

= tan θ sin θ

θ

x

(2)

G G G

EEOEOO---

D D D

IIISSASAASSSTTTEERERR

P P P

RRREEEVVVEEENNNTTTIIIOONONN

S S S

YYYSSTSTTEEMEMM 2/4

G G G

EEEOOO

S S S

CCICIIEEENNNCCCEEE&& &

G G G

EEEOOO

E E E

NNGNGGIIINNENEEEEERRRIIINNNGG GLLALAABBB http://www.cm.nitech.ac.jp/maeda-lab/ 3.微分方程式の解析解:解放

3.1 波動方程式の D’Alembert 解(D’Alembert’s Solution for Differential Equations for Wave Propagation)

Differential Equation

xx

tt

V u

u =

2 , (

< x <

,

0 < t <

) (1)

Initial Conditions: We must two initial conditions to solve wave propagation with second differential equation

( ) ( )

( ) ( )

⎩ ⎨

=

=

x

g

x

u

x

f

x

u

t

, 0

0

,

, (

< x <

) (2)

D’Alembert’s Solution

1.- Replacement:

{ } { } x , t ξ , η

⎩ ⎨

=

+

=

Vt

x

Vt

x

η ξ

(3)

= 0

u

ξη (4)

( )

( )

⎪ ⎪

⎪⎪ ⎨

+

+

=

+

+

=

=

+

=

ηη ξη ξξ

ηη ξη ξξ

η ξ

η ξ

u

u

u

V

u

u

u

u

u

u

u

V

u

u

u

u

tt xx

t x

2

2

2

(5)

2.- Integration

( ) ( ) ξ η φ η

η

, =

u

; Arbitrary Function

φ ( ) η

as

η

(6)

( ) ( ) ( ) ξ , η = Φ η + θ ξ

u

(7)

Arbitrary Function

θ ( ) ξ

as

ξ

( ) = ( )

Φ η φ η d η

(3)

G G G

EEOEOO---

D D D

IIISSASAASSSTTTEERERR

P P P

RRREEEVVVEEENNNTTTIIIOONONN

S S S

YYYSSTSTTEEMEMM 3/4

G G G

EEEOOO

S S S

CCICIIEEENNNCCCEEE&& &

G G G

EEEOOO

E E E

NNGNGGIIINNENEEEEERRRIIINNNGG GLLALAABBB http://www.cm.nitech.ac.jp/maeda-lab/ 3.- Replacement:

{ } { } ξ , η x, t

( ) ( x t x Vt ) ( x Vt )

u , = φ + θ +

(8)

4.- Initial Condition:

( ) ( x t x Vt ) ( x Vt )

u , = φ + θ +

( ) ( )

( ) ( )

⎩ ⎨

⎧ =

=

x

g

x

u

x

f

x

u

t

, 0

0

,

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

⎩ ⎨

′ =

′ +

=

+

x

g

x

V

x

V

x

f

x

x

θ

φ θ

φ

(9)

( ) + ( ) = ( ) +

x

x

K

d

g

x

V

x

V

0

ξ

ξ

θ

φ

(10)

( ) = ( )

x

( )

x

K

d

V g

x

f

x

0

2

1

2

1 ξ ξ

φ

(11)

( ) = ( ) +

x

( ) +

x

K

d

V g

x

f

x

0

2

1

2

1 ξ ξ

θ

(12)

( ) [ ( ) ( ) ]

+

( )

+

+

+

=

xVt

Vt x

d

V g

Vt

x

f

Vt

x

f

t

x

u ξ ξ

2

1

2

, 1

(13) u

x 0

V: propagation velocity

1 2

t=0 t=1/V t=2/V

φ (η )=C

u

x 0 -1

t=0 t=1/V

t=2/V

θ (ξ )=C

-2

(4)

G G G

EEOEOO---

D D D

IIISSASAASSSTTTEERERR

P P P

RRREEEVVVEEENNNTTTIIIOONONN

S S S

YYYSSTSTTEEMEMM 4/4

G G G

EEEOOO

S S S

CCICIIEEENNNCCCEEE&& &

G G G

EEEOOO

E E E

NNGNGGIIINNENEEEEERRRIIINNNGG GLLALAABBB http://www.cm.nitech.ac.jp/maeda-lab/ - 特性曲線(Characteristic Curve)

Example-1

Initial condition

( ) ( )

( ) ( )

⎩ ⎨

=

=

=

0

0

,

0

,

x

g

x

u

x

f

x

u

t

(14)

( ) x t [ f ( x Vt ) ( f x Vt ) ]

u = + +

2

, 1

(15)

characteristic curve

⎩ ⎨

+

=

+

=

a a

a a

Vt

x

Vt

x

Vt

x

Vt

x

(16)

Example-2

( ) ( ) ( )

⎪⎩ ( )

⎪ ⎨

⎩ =

⎨ ⎧ − ≤ ≤

=

=

0

0

,

int

0

1

1

0 1

,

x

u

s

po

other

the

x x

f

x

u

t

(17)

Characteristic curve x = -1 or 1 , t=0

⎩ ⎨

±

=

+

±

=

1

1

Vt

x

Vt

x

(18)

t

x

u(x

a

, t

a

)

(x

a

-Vt

a

, 0) 0 (x

a

Vt

a

, 0)

x-Vt=x

a

-Vt

a

x Vt=x

a

Vt

a

x-Vt=0

x Vt=0

u

x

-1 0 1

1

u

x

-1 0 1

1

1/2 1/2

t

x -1

u=0 u=1/2 u=1/2 u=0

u=0 u=0

0 1

u=1

x-Vt=1 x-Vt=-1

xVt=1 xVt=-1

参照

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人類研究部人類史研究グループ グループ長 篠田 謙一 人類研究部人類史研究グループ 研究主幹 海部 陽介 人類研究部人類史研究グループ 研究員

人類研究部長 篠田 謙一 人類研究部人類史研究グループ グループ長 海部 陽介 人類研究部人類史研究グループ 研究主幹 河野