さまざまな波動の変位は,変位が小さいという近似をすれば,次の波動方程式を満たす。
・・・・・・・・・・・・ (1)
ここの定数 は波の速さを表すことが,以下の一般解(2)からわかる。
※変位はベクトルだが,その各成分が(1)を満たす。
(参考)3次元の波動方程式
3次元の場合,変位はとなり,波動方程式は以下のようなる。
波動方程式(1)の一般解は,
・・・・・・・ (2)
となる。ここで は任意の関数である。(証明はこちら)
は
の正の向きに,
は
の負の向きに,速さ
で進む波を表すので,それぞれ,進行波,後退波と呼ばれる。
波動方程式の一般解は,任意の進行波と後退波の重ね合わせになる。
この一般解は,ダランベール(d'Alembert)の解と呼ばれる。
補足説明 が
の正の向きに速さ
で進む波を表すことは,次のようにしてわかる。
任意の
について,
の
における値は
の
における値と等しくなる。したがって,
は
を
の正の向きに
だけ平行移動したものである。
時間が 経過すると
だけ移動するので,その速さは
になる。
同様に, は,
を
の負の向きに速さ
で平行移動したものであることがわかる。
,
とおき,変数を
から
に変換する。
,
同様に,
であるから,波動方程式(1)は,
すなわち,
と書けることがわかる。
から,
は
に依存しないことがわかるので,
と書ける。ここで, は任意の関数である。これを,
で積分すると,
となるが,積分定数 は,
には依存してよい。
したがって,
となり,波動方程式(1)の一般解が(2)であることが証明できた。