412 Chapter 14Partial differential equations
in space of the first few of these normal modes are illustrated in Figure 14.7 (see also
Figure 12.6 for the particle in a box).
The nth mode has n 1 − 11 nodesbetween the end points; that is, points of zero
displacement that do not move; the solutions (14.98) represent standing waves.
The complete solution
Each of the normal modes contains two constants,A
n
andB
n
, that are to be determined
by the initial conditions (14.88); that is, by the way the motion is initiated. It is possible
to choose the initial conditions so that the actual motion is one of the normal modes;
for example, the nth mode is produced if
(14.99)
In general however, a single mode will not satisfy the initial conditions; the motion is
not a pure normal mode but is a mixture or superposition of normal modes.
To obtain the solution for the general case, we invoke the principle of superposition
discussed in Section 12.2; ify
1
, 1 y
2
, 1 y
3
,1=are solutions of a homogeneous linear
equation then any linear combination of them is also a solution. Thus, for each
normal mode we have
(14.100)
so that, if
y 1 = 1 c
1
y
1
1 + 1 c
2
y
2
1 + 1 c
3
y
3
1 +1- (14.101)
then
(14.102)
∂
∂
=
∂
∂
2
22
2
2
y 1
x
y
v t
∂
∂
=
∂
∂
2
22
2
2
1
y
x
y
t
nn
v
t
nn
y
t
gx B
nx
l
=
∂
∂
==
0
() ω sin
π
yx f x A
nx
l
n
() () sin,= 0 =
π
...................................................................................................................................................................
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
.
...
..
......
..
...
.
n=1
fundam ental
...
...
....
...
....
....
...
....
...
....
....
...
....
....
....
....
.....
.....
.....
......
.......
..............................
........
.....
.....
.....
....
.....
....
....
...
....
....
...
....
....
...
....
...
....
....
...
. ..
....
...
.
...
...
.
...
....
.
....
...
.
.
....
...
.
......
..
............
...
......
..
.
.....
..
...
.....
....
...
.
...
...
..
..
...
. ...................................................................................................................................................................
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
.
...
..
......
..
...
.
.
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
..
..
...
..
....
..
...
..
n=2
firstovertone
..
...
...
...
...
...
..
...
...
...
...
...
..
....
..
...
....
...
...
....
....
...............
.....
...
....
...
...
...
...
...
...
...
...
..
...
...
...
...
...
..
...
...
...
...
..
...
...
...
..
...
...
...
...
...
..
....
..
...
....
...
...
....
...
.....
..........
.....
....
....
...
...
...
...
...
...
...
..
....
..
...
...
...
..
...
...
...
...
.
...
...
.
...
...
..
..
...
...
..
...
...
.
.....
...
.....
..
.
...
....
.
...
...
.
.
...
..
..
..
...
...
.
...
...
.
...
...
..
...
...
..
....
....
........
..
...
...
...
...
..
..
...
...
.
...
...
.
...................................................................................................................................................................
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
.
...
..
......
..
...
.
.
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
..
..
...
..
....
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
..
...
.
...
..
......
..
...
.
n=3
secon dovertone
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
...
...
....
..........
....
...
...
..
...
...
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
...
..
....
...
...
.......
....
...
...
...
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
...
..
...
...
...
...
...
...........
...
....
..
...
...
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
...
...
..
. ..
...
...
.
..
...
..
.
...
...
..
..
...
...
......
..
.
...
...
.
...
...
..
.
...
..
..
..
...
..
.
...
...
..
.
...
..
..
..
...
...
..
......
..
...
...
.
...
...
.
..
...
...
...
...
..
.
...
...
.
..
...
...
.
..
...
..
..
....
..
.
....
...
..
...
..
.
...
...
..
.
...
...
.
Figure 14.7