(가) 식③,즉 x ( t ) = x 0 cos ω t \displaystyle x ( t ) = x_{{0}} \cos \omega t x ( t ) = x 0 cos ω t 와 x ( t ) \displaystyle x ( t ) x ( t ) 의 시간에 대한 2계도함수 d 2 x d t 2 = − ω 2 x 0 cos ω t \displaystyle \frac{d^2x}{dt^2} = - \omega ^{{2}} x_{{0}} \cos \omega t d t 2 d 2 x = − ω 2 x 0 cos ω t 를 식①에 대입하면
d 2 x d t 2 + ω 2 x = − ω 2 x 0 cos ω t + ω 2 x 0 cos ω t = 0 \displaystyle \frac{d^2x}{dt^2}+\omega^2x=-\omega^2x_0\cos\omega t+\omega^2x_0\cos\omega t=0 d t 2 d 2 x + ω 2 x = − ω 2 x 0 cos ω t + ω 2 x 0 cos ω t = 0 ―― (1)
이고
x ( 0 ) = x 0 cos ( ω ⋅ 0 ) = x 0 \displaystyle x(0)=x_0\cos(\omega\cdot0)=x_0 x ( 0 ) = x 0 cos ( ω ⋅ 0 ) = x 0 ―― (2)
d x d t ∣ t = 0 = − ω x 0 sin ( ω ⋅ 0 ) = 0 \displaystyle \left.\frac{dx}{dt}\right|_{t=0}=-\omega x_0\sin(\omega\cdot0)=0 d t d x t = 0 = − ω x 0 sin ( ω ⋅ 0 ) = 0 ―― (3)
(나) i) ③의 진동수는 f = ω 2 π \displaystyle f=\frac{\omega}{2\pi} f = 2 π ω 이고 ②에서 ω = k m \displaystyle \omega=\sqrt{\frac km} ω = m k 이므로
f = 1 2 π k m . \displaystyle f=\frac1{2\pi}\sqrt{\frac km}. f = 2 π 1 m k .
ⅱ) m \displaystyle m m 이 두 배 증가하면 진동수는 1 2 \displaystyle \frac{1}{\sqrt{2}} 2 1 배가 된다.
ⅲ) k \displaystyle k k 가 두 배 증가하면 진동수는 2 \displaystyle \sqrt{2} 2 배가 된다.
ⅳ) 진동수는 질량 m \displaystyle m m 과 용수철 상수 k \displaystyle k k 로만 표현되어 초기변위 x 0 \displaystyle x_{{0}} x 0 와 무관하므로 x 0 \displaystyle x_{{0}} x 0 가 두 배로 증가해도 진동수에는 변화가 없다.
(다) 여기서는 x ( t ) \displaystyle x(t) x ( t ) 를 Ω \displaystyle \Omega Ω 의 함수로 보아야 하는 문제이므로 Ω \displaystyle \Omega Ω 에 대한 로피탈의 정리를 이용하면
lim Ω → ω x ( t ) = lim Ω → ω f 0 ( ω sin Ω t − Ω sin ω t ) ω ( ω 2 − Ω 2 ) = f 0 ( ω t cos Ω t − sin ω t ) − 2 ω Ω ∣ Ω = ω = f 0 2 ω 2 ( sin ω t − ω t cos ω t ) . \displaystyle \begin{aligned}\lim_{\Omega\to\omega}x(t)&=\lim_{\Omega\to\omega}\frac{f_0(\omega\sin\Omega t-\Omega\sin\omega t)}{\omega(\omega^2-\Omega^2)}\\&=\left.\frac{f_0(\omega t\cos\Omega t-\sin\omega t)}{-2\omega\Omega}\right|_{\Omega=\omega}\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}(\sin\omega t-\omega t\cos\omega t).\end{aligned} Ω → ω lim x ( t ) = Ω → ω lim ω ( ω 2 − Ω 2 ) f 0 ( ω sin Ω t − Ω sin ω t ) = − 2 ω Ω f 0 ( ω t cos Ω t − sin ω t ) Ω = ω = 2 ω 2 f 0 ( sin ω t − ω t cos ω t ) .
(라) (다)의 결과에서
x ( t ) = f 0 2 ω 2 ( sin ω t − ω t cos ω t ) = f 0 2 ω 2 1 + ω 2 t 2 ( 1 1 + ω 2 t 2 sin ω t − ω t 1 + ω 2 t 2 cos ω t ) = f 0 2 ω 2 1 + ω 2 t 2 ( cos α sin ω t − sin α cos ω t ) = f 0 2 ω 2 1 + ω 2 t 2 sin ( ω t − α ) \displaystyle \begin{aligned}x(t)&=\frac{f_0}{2\omega^2}(\sin\omega t-\omega t\cos\omega t)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}\left(\frac1{\sqrt{1+\omega^2t^2}}\sin\omega t-\frac{\omega t}{\sqrt{1+\omega^2t^2}}\cos\omega t\right)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}(\cos\alpha\sin\omega t-\sin\alpha\cos\omega t)\\&=\frac{f_0}{2\omega^2}\sqrt{1+\omega^2t^2}\sin(\omega t-\alpha)\end{aligned} x ( t ) = 2 ω 2 f 0 ( sin ω t − ω t cos ω t ) = 2 ω 2 f 0 1 + ω 2 t 2 ( 1 + ω 2 t 2 1 sin ω t − 1 + ω 2 t 2 ω t cos ω t ) = 2 ω 2 f 0 1 + ω 2 t 2 ( cos α sin ω t − sin α cos ω t ) = 2 ω 2 f 0 1 + ω 2 t 2 sin ( ω t − α )
[참고] sin ( x ± y ) = sin x cos y ± cos x sin y \displaystyle \sin \left( x ± y \right) = \sin x \cos y ± \cos x \sin y sin ( x ± y ) = sin x cos y ± cos x sin y
이고, 여기서 tan α = ω t \displaystyle \tan \alpha = \omega t tan α = ω t 이다. 따라서 x ( t ) \displaystyle x \left( t \right) x ( t ) 의 진폭은 시간의 함수 f 0 2 ω 2 1 + ω 2 t 2 \displaystyle \frac{{f_{{0}}}}{{2 \omega^{{2}}}} \sqrt{{1 + \omega^{{2}} t^{{2}}}} 2 ω 2 f 0 1 + ω 2 t 2 이고 이는 시간에 대한 증가함수이므로 공진이 발생한다.
(마) (i) 특정한 진동수의 지진에 의한 건물의 공진을 감소시키기 위해서는 건물의 고유진동수가 지진의 진동수로부터 멀어져야 한다. 그런데 건물의 고유진동수는 질량 m \displaystyle m m 과 건물의 강성 또는 탄성을 나타내는 용수철 상수 k \displaystyle k k 와 관계되므로(k = F / x \displaystyle k = F / x k = F / x 에서 k \displaystyle k k 는 단위 변형당 가해지는 힘이므로 건물의 탄성을 줄이거나 강성을 증가시키면 k \displaystyle k k 값이 증가한다.) 건물의 질량 m \displaystyle m m 과 k \displaystyle k k 로 나타나는 탄성 또는 강성을 변화시켜 공진을 줄일 수 있다.
ii) 따라서 건물의 질량을 변화시키거나 건물의 탄성 또는 강성을 변화시키는 합리적인 행위를 모두 답으로 간주한다. 보조재를 추가하여 기둥을 보강하고, 바닥판과 건물의 결합을 강화하고, 트러스(truss), 브레이싱(bracing)등의 공법으로 구조물의 결합력을 높이는 것 등이 예가 될 것이다.