6.5

ערכים עצמיים ווקטורים עצמיים

מטריצות סימטריות ואופני תנודה

Second Order Systems and Symmetric Matrices

משפט הספקטרום מבטיח בסיס עצמי אורתונורמלי למטריצה סימטרית. כך מערכת מצומדת Mq″+Kq=0 מתפרקת לתנודות עצמאיות בתדרים √λ.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 5 מתוך 5כ־70 דקות כולל תרגול3 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

להשתמש במשפט הספקטרום כדי לפרק מערכת תנודות מצומדת לאופנים נורמליים, לחשב תדרים ומקדמים, ולפרש אורתוגונליות ושימור אנרגיה.

שתי מסות מחוברות נראות כמערכת שבה כל תנועה משפיעה על השנייה. אבל יש תבניות מיוחדות — שתיהן יחד או זו מול זו — שבהן צורת התנועה נשמרת. אלה האופנים הנורמליים; כל אחד מתנהג כאוסצילטור סקלרי בתדר משלו.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “שני אופנים שמפרידים מערכת מצומדת”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

שני אופנים שמפרידים מערכת מצומדת

מטריצה סימטרית מפרידה שתי מסות מצומדות לאופן משותף איטי ולאופן מנוגד מהיראופן 1 · יחדאופן 2 · מנוגדv₁=(1,1)λ₁=1 ⇒ ω₁=1v₂=(1,−1)λ₂=9 ⇒ ω₂=3K=QΛQᵀ, q=Qz ⇒ z″+Λz=0אורתוגונליות מפרידה את המערכת לשתי תנודות עצמאיותE=½‖q′‖²+½qᵀKq נשמרת ללא ריסון
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

האיור משווה אופן בתנועה משותפת לאופן בתנועה מנוגדת עבור K=[[5,−4],[−4,5]].

מה כדאי לגלות: האופן המשותף מותח פחות את הקפיץ המחבר ולכן תדירותו 1; האופן המנוגד מותח אותו יותר ולכן תדירותו 3.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • להסביר מדוע מטריצה סימטרית ממשית מחזיקה ערכים ממשיים ובסיס עצמי אורתונורמלי.
  • להפוך q″+Kq=0 למשוואות סקלריות עצמאיות באמצעות QᵀKQ=Λ.
  • לחשב אופני תנודה, תדרים ופתרון מתנאי מקום ומהירות התחלתיים.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

משפט הספקטרום
כל מטריצה סימטרית ממשית ניתנת ללכסון אורתוגונלי A=QΛQᵀ.
אורתונורמלי
וקטורים מאונכים זה לזה ובעלי אורך 1; עמודות Q מקיימות QᵀQ=I.
אופן נורמלי
תבנית תנודה לאורך וקטור עצמי שבה כל הרכיבים נעים באותו תדר.
תדר טבעי
ω=√λ עבור משוואת האופן z″+λz=0 כאשר λ≥0.
מטריצת קשיחות K
מטריצה סימטרית המקשרת הסטות לכוחות מחזירים במערכת קפיצים.
בעיה עצמית מוכללת
Kv=λMv כאשר מטריצת המסה M אינה I.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנןK vᵢ=λᵢM vᵢ; qᵢ″+λᵢqᵢ=0

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. כותבים את חוק ניוטון כמטריצה

    במסות יחידה, כוח הקפיצים הוא −Kq. לכן התאוצה שווה לכוח, וכל הצימוד נמצא בתוך K.

    q″+Kq=0
  2. משתמשים בבסיס אורתונורמלי

    ל־K סימטרית יש K=QΛQᵀ. מציבים q=Qz, גוזרים פעמיים וכופלים ב־Qᵀ. האורתוגונליות מבטלת את QᵀQ.

    q=Qz ⇒ z″+Λz=0
  3. פותרים כל אופן בנפרד

    המשוואה ה־i היא אוסצילטור סקלרי. אם λᵢ>0, תדירותו √λᵢ; אם λᵢ=0 מתקבלת תנועה קשיחה ללא כוח מחזיר.

    zᵢ(t)=Aᵢcos(ωᵢt)+Bᵢsin(ωᵢt), ωᵢ=√λᵢ
  4. מקרינים את תנאי ההתחלה

    בגלל Q⁻¹=Qᵀ, מקדמי המקום הם A=Qᵀq(0). מקדמי המהירות מקיימים z′(0)=ωB, ולכן Bᵢ=(vᵢᵀq′(0))/ωᵢ כאשר ωᵢ>0.

    A=Qᵀq₀; Bᵢ=(vᵢᵀu₀)/ωᵢ
  5. מחזירים למרחב הפיזי

    כל אופן נותן תבנית מרחבית vᵢ ופונקציית זמן zᵢ. סכום התבניות הוא התנועה שנראה במסות.

    q(t)=Σzᵢ(t)vᵢ
  6. בודקים אנרגיה

    ללא ריסון או forcing, האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית מתחלפות אך סכומן קבוע. בבסיס העצמי הסכום מתפרק לאנרגיות של האופנים העצמאיים.

    E=½‖q′‖²+½qᵀKq=constant
  7. מסות שאינן יחידה

    כאשר M חיובית וסימטרית, מחפשים Kv=λMv ומנרמלים לפי vᵀMv=1. אותם λ נותנים ω².

    Kv=λMv; ω=√λ

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

שתי מסות ושני תדרים

עבור q″+Kq=0,‏ K=[[5,−4],[−4,5]], מצאו את האופנים ואת התדרים.

  1. הפולינום האופייני הוא (5−λ)²−16=(λ−1)(λ−9).

  2. ל־λ₁=1 מתקבל v₁=(1,1)/√2: המסות נעות יחד. התדר הוא ω₁=1.

  3. ל־λ₂=9 מתקבל v₂=(1,−1)/√2: המסות נעות בכיוונים מנוגדים. התדר הוא ω₂=3.

  4. הווקטורים מאונכים ומנורמלים, ולכן Q=[v₁ v₂] מקיימת QᵀKQ=diag(1,9).

התוצאה ומה היא אומרת

ω₁=1 עם v₁=(1,1)/√2;‏ ω₂=3 עם v₂=(1,−1)/√2.

דוגמה 2

מתנאי התחלה לפתרון מלא

באותה מערכת נתונים q(0)=(3,5),‏ q′(0)=(2,0). מצאו את מקדמי האופנים.

  1. נוח תחילה להשתמש בווקטורים הלא־מנורמלים (1,1),(1,−1):‏ q(0)=4(1,1)−1(1,−1), ולכן A₁=4, A₂=−1.

  2. נגזרת הפתרון בזמן 0 היא B₁ω₁(1,1)+B₂ω₂(1,−1).

  3. פותרים (2,0)=B₁(1,1)+3B₂(1,−1). חיבור וחיסור נותנים B₁=1 ו־B₂=1/3.

  4. אם כותבים את האיבר השני כמקדם לפני sin(3t)·(1,−1), המקדם הוא 1/3; אם משתמשים בקואורדינטת מהירות C₂=B₂ω₂, היא 1. חשוב לציין איזו מוסכמה נבחרה.

  5. הפתרון הוא [4cos t+sin t](1,1)+[−cos 3t+(1/3)sin 3t](1,−1).

התוצאה ומה היא אומרת

q(t)=(4cos t+sin t)(1,1)+(−cos 3t+(1/3)sin 3t)(1,−1).

q(0)=(3,5), q′(0)=(2,0)

איפה זה פוגש את העולם

יישום

מהנדסים משתמשים באופנים נורמליים כדי לנתח בניינים, גשרים, כלי נגינה ומולקולות. במקום לעקוב אחרי אלפי קואורדינטות מצומדות, בוחרים את האופנים המשמעותיים ואת התדרים שעלולים להיכנס לתהודה.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

לכתוב e^(λt) במערכת תנודות מסדר שני עם K חיובית. כאן המשוואה היא z″+λz=0, ולכן הפתרון הוא cos(√λt) ו־sin(√λt), לא אקספוננט גדל. סימן המינוס בכוח המחזיר הוא מה שיוצר תנודה.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

ל־K סימטרית וחיובית יש ערך עצמי λ=16. מהו התדר הטבעי של האופן המתאים ב־q″+Kq=0?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

עבור K=[[1,−1],[−1,1]], מצאו את שני האופנים. מה המשמעות הפיזיקלית של λ=0, ומהו הפתרון של האופן הזה אם מהירותו ההתחלתית אינה אפס?

רמז ראשון

בדקו את (1,1) ואת (1,−1). עבור λ=0 משוואת האופן היא z″=0 ולא משוואת סינוס.

הצגת דרך הפתרון
  1. K(1,1)=0, לכן λ₁=0 והאופן המשותף הוא תרגום קשיח: הקפיץ הפנימי אינו נמתח.
  2. K(1,−1)=2(1,−1), לכן λ₂=2 והתדר היחסי הוא √2.
  3. באופן האפס מתקבלת z₁″=0, ולכן z₁(t)=a+bt.
  4. אם b≠0, מרכז המסה נע במהירות קבועה; זו אינה אי־יציבות מעריכית אלא היעדר כוח מחזיר לתרגום משותף.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

הקוד מחשב אנליטית את שני הערכים של K סימטרית 2×2, מנרמל את האופנים ובונה תנועה ממקדמי אופן נתונים.

פלט צפוי

עבור K=[[5,−4],[−4,5]] יתקבלו λ=1,9 ותדרים 1,3; האנרגיה בזמנים שונים תישאר קבועה עד שגיאת עיגול.

ניסוי המשך

אפסו את האופן המהיר ואז את האופן האיטי. כיצד משתנים היחסים בין תנועות שתי המסות?

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function symmetricModes(K) {
  const mean = (K[0][0]+K[1][1])/2;
  const radius = Math.hypot((K[0][0]-K[1][1])/2, K[0][1]);
  return [mean-radius, mean+radius].map(value => {
    let vector = Math.abs(K[0][1]) > 1e-12
      ? [K[0][1], value-K[0][0]] : [1, 0];
    const length = Math.hypot(...vector);
    vector = vector.map(entry => entry/length);
    return { value, frequency: Math.sqrt(Math.max(0, value)), vector };
  });
}

function state(K, amplitudes, t) {
  const modes = symmetricModes(K);
  const q = [0, 0], velocity = [0, 0];
  modes.forEach((mode, i) => {
    const phase = mode.frequency*t;
    mode.vector.forEach((entry, j) => {
      q[j] += amplitudes[i]*Math.cos(phase)*entry;
      velocity[j] -= amplitudes[i]*mode.frequency*Math.sin(phase)*entry;
    });
  });
  const Kq = K.map(row => row[0]*q[0]+row[1]*q[1]);
  const energy = 0.5*(velocity[0]**2+velocity[1]**2+q[0]*Kq[0]+q[1]*Kq[1]);
  return { q, velocity, energy };
}

const K = [[5, -4], [-4, 5]];
console.log("modes", symmetricModes(K));
for (const t of [0, 0.4, 1.2]) console.log(t, state(K, [2, 1], t));

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • סימטריה מבטיחה ערכים עצמיים ממשיים ובסיס עצמי אורתונורמלי.
  • מעבר ל־Q מפרק מערכת מצומדת לאוסצילטורים סקלריים עצמאיים.
  • במערכת מסות יחידה, הערך העצמי הוא ω² ולא ω.
  • הקרנת תנאי ההתחלה קובעת אילו אופנים באמת מופעלים; אנרגייתם הכוללת נשמרת ללא ריסון.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 4 — להפעיל אופן אחד בכל פעם

שנו את תערובת האופנים והזמן, צפו במסות, והשוו בין האנרגיה הקינטית לפוטנציאלית.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 185–190

ספר הלימוד: עמ׳ 372–384