共振外力項(resonant forcing term)
以隨意的節奏推鞦韆,不會有太大反應;恰好以它的自然節奏推,弧度就越盪越大。共振外力項就是這些方程中的對應物:外力中形狀與系統某個自然模式(也就是某個餘解)一致的那一塊。在系統本來就「喜歡」的頻率上施力,會產生過大、增長的響應。
從代數上看,當一個外力項是 y_c 中某個齊次解的(常數倍)時,它就是共振的。對常係數方程,這意味著 g 中的指數或頻率與特徵方程的某個根相符:在 k 為特徵根時施力 e^(kx),或在 w0 為自然頻率(即齊次解為 cos(w0 t)、sin(w0 t))時施力 cos(w0 t)/sin(w0 t)。發生時,普通的試解就與某個餘解重合而失敗,這正是修正(乘以 x)規則為之而設的情形。此時特解會帶一個額外的 x 因子(重根則 x^2)且隨時間增長——這些增長的部分有時稱為長期項(secular terms)。
共振是外力與自然行為對齊的、物理上鮮明的情形:橋樑、建築與電路都能以此方式建立起危險的大振幅。不過要誠實地修正這個漫畫式說法:外力項只有在理想化的無阻尼情形下才產生無界增長。有任何真實阻尼時,齊次頻率會略微偏移,而在共振頻率上的正弦驅動會給出大但「有限」的穩態振幅,而非隨 x 增長的解。乾淨的「x 乘以振盪」這種純共振,是無阻尼的極限。
在 y'' + y = cos(t) 中,外力 cos(t) 與齊次解 cos(t) 重合(自然頻率為 1),所以它是共振的。試解 A cos t + B sin t 失敗;x 規則給出 y_p = (t/2) sin(t),一個振幅隨 t 線性增長的振盪。
共振項與某個自然模式相符,觸發 x 規則和一個增長的響應。
無界的 x 增長是無阻尼的理想化;真實阻尼會把共振變成大但有限的穩態峰值,所以「共振需要零阻尼」是迷思——輕阻尼仍會強烈共振。