解決済み

写真の式がどのように導出されてるのか分からないので、詳しく解説できる方いましたらよろしくお願いします。

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U=2×12k{l2(1+a)2+x2l}2=kl2{(1+a)2+(xl)21}2\begin{aligned}U&=2\times\dfrac{1}{2}k\{ \sqrt{l^2(1+a)^2+x^2}-l \}^2 \\&=kl^2\{ \sqrt{(1+a)^2+\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2}-1 \}^2\end{aligned}

となります。

yy に関する関数 f(y)=(1+a)2+yf(y)=\sqrt{(1+a)^2+y} とおくと、f(y)=12(1+a)2+yf'(y)=\dfrac{1}{2\sqrt{(1+a)^2+y}} であり、f(y)f(y) のマクローリン展開を考えると、

f(y)=f(0)+f(0)y+O(y2)=1+a+12(1+a)y+O(y2)(1+a>0 とした。)\begin{aligned}f(y)&=f(0)+f'(0)y+O(y^2) \\&=1+a+\dfrac{1}{2(1+a)}y+O(y^2) \quad(1+a>0 \text{ とした。})\end{aligned}

です。ここで、O(y2)O(y^2) はランダウの記号で、y0y\to 0 のときに y2y^2 と同じまたはより速くに 00 に収束するという記法です。


この f(y)f(y)y=(xl)2y=\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2 を代入すると、

(1+a)2+(xl)2=1+a+12(1+a)(xl)2+O(xl)4\sqrt{(1+a)^2+\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2}=1+a+\dfrac{1}{2(1+a)}\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2+O\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^4

となって、

U=kl2{a+12(1+a)(xl)2+O(xl)4}2=kl2{a2+a1+a(xl)2+O(xl)4}\begin{aligned}U&=kl^2\{ a+\dfrac{1}{2(1+a)}\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2+O\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^4 \}^2 \\&=kl^2\{ a^2+\dfrac{a}{1+a}\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^2+O\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^4 \}\end{aligned}

となり解答例の式を得ます。

ランダウの記号では最高次の項のみを考えればよいため、O(xl)4O\Bigl(\dfrac{x}{l}\Bigr)^4 のみで結構です。

返信(1件)

ありがとうございます!

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

ありがとうございます

とてもよく理解できました

そのほかの回答(1件)

x/(l(1+a)) が 1 より十分小さいとする (a ≠ -1).


1 行目の式の平方根の中の (1+a)^2 を外に出して「1 + (微小量)」の 1/2 乗の形にする.

これを f(y) = (1+y の 1/2 乗) とみて,y = 0 の周りで Taylor 展開して y の 2 次の項まで残す.

これで平方根が外れる.


次に中括弧の 2 乗を展開し,2 行目にある次数よりも高次の項を無視すれば得られます.

返信(1件)

ありがとうございます!

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