<?xml version="1.0" encoding="utf-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE document PUBLIC "-//CNX//DTD CNXML 0.5 plus MathML//EN" "http://cnx.rice.edu/cnxml/0.5/DTD/cnxml_mathml.dtd">
<document xmlns="http://cnx.rice.edu/cnxml" xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="m10691">

  <name xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">The Mass-Spring-Damper System</name>

  <metadata xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
  <md:version xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2.3</md:version>
  <md:created xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2002/06/27</md:created>
  <md:revised xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">2002/07/10 00:00:00.003 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
      <md:author xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="cox">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Steven</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Cox</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">cox@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    <md:maintainer xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="liqun">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Liqun</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Wang</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">liqun@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="cox">
      <md:firstname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Steven</md:firstname>
      
      <md:surname xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Cox</md:surname>
      <md:email xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">cox@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  <md:keywordlist xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">mass</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">spring</md:keyword>
    <md:keyword xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">damper</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">This module gives an complicate example of solving matrix exponential problem.      </md:abstract>
</metadata>

  <content xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
    
    <figure xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="figure1">
      <media xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" type="image/png" src="msd.png"/>
      <caption xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">Mass, spring, damper system</caption>
    </figure>

    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para2">
      If one provides an initial displacement,
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>x</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>,
      and velocity,
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>v</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>,
      to the mass depicted in <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="figure1" strength="8"/>
      then one finds that its displacement, 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:ci type="fn">x</m:ci>
	  <m:ci>t</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math> at time <m:math><m:ci>t</m:ci></m:math> satisfies 
      
      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq1">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>m</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:diff/>
		  <m:bvar><m:ci>t</m:ci><m:degree><m:mn>2</m:mn></m:degree></m:bvar>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">x</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:cn>2</m:cn>
		<m:ci>c</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:diff/>
		  <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">x</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>k</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">x</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">x</m:ci>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	  <m:ci>
	    <m:msub><m:mi>x</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub>
	  </m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:diff/>
	      <m:ci>x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:cn>0</m:cn>
	  </m:apply>
	  <m:ci>
	    <m:msub><m:mi>v</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub>
	  </m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      where prime denotes differentiation with respect to time. It is
      customary to write this single second order equation as a pair
      of first order equations. More precisely, we set 

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">
	      <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">x</m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
            
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">
	      <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:diff/>
	      <m:ci>x</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
            
      and note that <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq1" strength="8"/> becomes 

      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq2">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci>m</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:apply>
		  <m:diff/>
		  <m:ci>
		    <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		</m:apply>		  
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:minus/>
	      <m:apply>
		<m:minus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>k</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">
		      <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		    </m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:cn>2</m:cn>
		<m:ci>c</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">
		    <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:diff/>
	      <m:ci>
		<m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:apply>		  
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">
	      <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      Denoting 

      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:equivalent/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">u</m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:transpose/>
	    <m:matrix>
	      <m:matrixrow>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">
		    <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply> 
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">
		    <m:msub><m:mi>u</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply> 
	      </m:matrixrow>
	    </m:matrix>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math> we write <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq2" strength="8"/> as 
      
      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq3">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:forall/>
	    <m:bvar><m:ci>A</m:ci></m:bvar>
	    <m:condition>
	      <m:apply>
		<m:eq/>
		<m:ci type="vector">A</m:ci>
		<m:matrix>
		  <m:matrixrow>
		    <m:cn>0</m:cn> <m:cn>1</m:cn>
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:apply>
		      <m:divide/>
		      <m:apply>
			<m:minus/>
			<m:ci>k</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>m</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:divide/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:cn>-2</m:cn>
			<m:ci>c</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>m</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:matrixrow>
		</m:matrix>
	      </m:apply>
	    </m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:apply>
		  <m:diff/>
		  <m:ci>u</m:ci>
		</m:apply>		  
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">u</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
       
      We recall from <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" strength="8" document="10677">The Matrix
      Exponential module</cnxn> that 
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">u</m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:apply>
	      <m:exp/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>A</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">u</m:ci>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      We shall proceed to compute the matrix exponential along the
      lines of <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" document="m10680" strength="8">The Matrix
      Exponential via Eigenvalues and Eignevectors module</cnxn>. 
      To begin we record the resolvent 
      
      
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">R</m:ci>
	      <m:ci>z</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:divide/>
		<m:cn>-1</m:cn>
		<m:apply>
		  <m:plus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>m</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:power/>
		      <m:ci>z</m:ci>
		      <m:cn>2</m:cn>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:cn>2</m:cn>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:ci>z</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:ci>k</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:matrix>
		<m:matrixrow>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:ci>c</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>m</m:ci>
		      <m:ci>z</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:ci>m</m:ci>
		</m:matrixrow>
		<m:matrixrow>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>k</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>m</m:ci>
		    <m:ci>z</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:matrixrow>
	      </m:matrix>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>

      The eigenvalues are the roots of 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:plus/>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:ci>m</m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:power/>
	      <m:ci>z</m:ci>
	      <m:cn>2</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:cn>2</m:cn>
	    <m:ci>c</m:ci>
	    <m:ci>z</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:ci>k</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>, namely 

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:forall/>
	  <m:bvar><m:ci>d</m:ci></m:bvar>
	  <m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>d</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:root/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>m</m:ci>
		    <m:ci>k</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:condition>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>
	      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:divide/>
	      <m:apply>
		<m:minus/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:ci>c</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>d</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>m</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:forall/>
	  <m:bvar><m:ci>d</m:ci></m:bvar>
	  <m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci>d</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:root/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:power/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:cn>2</m:cn>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>m</m:ci>
		    <m:ci>k</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:condition>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>
	      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:divide/>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:ci>c</m:ci>
		</m:apply>
		<m:ci>d</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:ci>m</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
    
      We naturally consider two cases, the first being </para>
    
    <para xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="para3">
      <list xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="caselist" type="enumerated">
	<item xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
	  <m:math><m:apply><m:neq/><m:ci>d</m:ci><m:cn>0</m:cn></m:apply></m:math>. 
	  In this case the partial fraction expansion of 
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">R</m:ci>
	      <m:ci>z</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math> yields 

      
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">R</m:ci>
	      <m:ci>z</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>z</m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:cn>2</m:cn>
		    <m:ci>d</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:matrix>
		  <m:matrixrow>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:ci>d</m:ci>
		      <m:ci>c</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:ci>m</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:ci>k</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>c</m:ci>
		      <m:ci>d</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:matrixrow>
		</m:matrix>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>z</m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:cn>2</m:cn>
		    <m:ci>d</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:matrix>
		  <m:matrixrow>
		    <m:apply>
		      <m:plus/>
		      <m:ci>c</m:ci>
		      <m:ci>d</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>m</m:ci>
		  </m:matrixrow>
		  <m:matrixrow>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply>
		      <m:minus/>
		      <m:ci>d</m:ci>
		      <m:ci>c</m:ci>		    
		    </m:apply>
		  </m:matrixrow>
		</m:matrix>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:plus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>z</m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:apply>
		  <m:divide/>
		  <m:cn>-1</m:cn>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>z</m:ci>
		    <m:ci>
		      <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		    </m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      
      and so 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:exp/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:plus/>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:exp/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>
		    <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci>
		<m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:exp/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>
		    <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		  </m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci>
		<m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>. If we now suppose a negligible initial velocity,
      <foreign xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">i.e.</foreign>,
  <m:math>
    <m:apply>
      <m:eq/>
      <m:ci><m:msub><m:mi>v</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub></m:ci>
    </m:apply>
  </m:math>, it follows that 

      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq4">
      	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">x</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:divide/>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>x</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:cn>2</m:cn>
		  <m:ci>d</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:exp/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>
			<m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		      </m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:ci>d</m:ci>
		    <m:ci>c</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:exp/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>
			<m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
		      </m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:ci>d</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
      
      If <m:math><m:ci>d</m:ci></m:math> is real, <foreign xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">i.e.</foreign>, if 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:gt/>
	  <m:apply>
	    <m:power/>
	    <m:ci>c</m:ci>
	    <m:cn>2</m:cn>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:ci>m</m:ci>
	    <m:ci>k</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>, then both
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>
      and
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>
      are negative real numbers and 
  <m:math>
    <m:apply>
      <m:ci type="fn">x</m:ci>
      <m:ci>t</m:ci>
    </m:apply>
  </m:math> decays to 0 without oscillation. If, on the contrary,
      <m:math><m:ci>d</m:ci></m:math> is imaginary,
      <foreign xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">i.e.</foreign>,
       <m:math>
	<m:apply>
	  <m:lt/>
	  <m:apply>
	    <m:power/>
	    <m:ci>c</m:ci>
	    <m:cn>2</m:cn>
	  </m:apply>
	  <m:apply>
	    <m:times/>
	    <m:ci>m</m:ci>
	    <m:ci>k</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>, then 

      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq5">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">x</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:exp/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:apply>
		  <m:cos/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:apply>
		      <m:abs/>
		      <m:ci>d</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:divide/>
		    <m:ci>c</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:abs/>
		      <m:ci>d</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:sin/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:apply>
			<m:abs/>
			<m:ci>d</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      and so <m:math><m:ci>x</m:ci></m:math> decays to 0 in an
      oscillatory fashion. When <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq4" strength="8"/>
      holds the system is said to be <emphasis xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">overdamped</emphasis>
      while when <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq5" strength="8"/> governs then we
      speak of the system as <emphasis xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">underdamped</emphasis>. It
      remains to discuss the case of <emphasis xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">critical
      damping</emphasis>.
</item>
  <item xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/">
	  <m:math><m:apply><m:eq/><m:ci>d</m:ci><m:cn>0</m:cn></m:apply></m:math>.  In this case 
      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:ci>
	    <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	  </m:ci>
	  <m:ci>
	    <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>2</m:mn></m:msub>
	  </m:ci>
	  <m:apply>
	    <m:minus/>
	    <m:apply>
	      <m:root/>
	      <m:apply>
		<m:divide/>
		<m:ci>k</m:ci>
		<m:ci>m</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>, and so we need only compute
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>
      and 
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>D</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub></m:ci></m:math>.
      As there is but one
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mi>j</m:mi></m:msub></m:ci></m:math>
      and the
      <m:math><m:ci><m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mi>j</m:mi></m:msub></m:ci></m:math>
      are known to sum to the identity it follows that
    <m:math>
      <m:apply>
	<m:eq/>
	<m:ci><m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub></m:ci>
	<m:ci>I</m:ci>
      </m:apply>
    </m:math>. Similarly, <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq9.16" document="m10492" strength="8">this equation</cnxn> dictates that

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci>
	      <m:msub><m:mi>D</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
	    </m:ci>
	    <m:apply>
	      <m:minus/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci type="matrix">A</m:ci>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>P</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:minus/>
	      <m:ci type="matrix">A</m:ci>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci>
		  <m:msub><m:mi>λ</m:mi><m:mn>1</m:mn></m:msub>
		</m:ci>
		<m:ci>I</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:matrix>
	      <m:matrixrow>
		<m:apply>
		  <m:root/>
		  <m:apply>
		    <m:divide/>
		    <m:ci>k</m:ci>
		    <m:ci>m</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:cn>1</m:cn>
	      </m:matrixrow>
	      <m:matrixrow>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:divide/>
		    <m:ci>k</m:ci>
		    <m:ci>m</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:root/>
		    <m:apply>
		      <m:divide/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:ci>m</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:matrixrow>
	    </m:matrix>
	  </m:apply>
	</m:math>
      
      On substitution of this into <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq2" document="m10680" strength="8">this equation</cnxn> we find 

      <equation xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="eq6">
	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:exp/>
	      <m:apply>
		<m:times/>
		<m:ci type="fn">A</m:ci>
		<m:ci>t</m:ci>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:exp/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:root/>
		      <m:apply>
			<m:divide/>
			<m:ci>k</m:ci>
			<m:ci>m</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:matrix>
		<m:matrixrow>
		  <m:apply>
		    <m:plus/>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>t</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:root/>
			<m:apply>
			  <m:divide/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>m</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:matrixrow>
		<m:matrixrow>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>t</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:root/>
			<m:apply>
			  <m:divide/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>m</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply>
		    <m:minus/>
		    <m:cn>1</m:cn>
		    <m:apply>
		      <m:times/>
		      <m:ci>t</m:ci>
		      <m:apply>
			<m:root/>
			<m:apply>
			  <m:divide/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>m</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:matrixrow>
	      </m:matrix>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      Under the assumption, as above, that
    <m:math>
      <m:apply>
	<m:eq/>
	<m:ci><m:msub><m:mi>v</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub></m:ci>
	<m:cn>0</m:cn>
      </m:apply>
    </m:math>, we deduce from <cnxn xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" target="eq6" strength="8"/> that 

	<m:math display="block">
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">x</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:apply>
	      <m:times/>
	      <m:apply>
		<m:exp/>
		<m:apply>
		  <m:minus/>
		  <m:apply>
		    <m:times/>
		    <m:ci>t</m:ci>
		    <m:apply>
		      <m:root/>
		      <m:apply>
			<m:divide/>
			<m:ci>k</m:ci>
			<m:ci>m</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply>
		<m:plus/>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:ci>t</m:ci>
		  <m:apply>
		    <m:root/>
		    <m:apply>
		      <m:divide/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:ci>m</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:ci>
		<m:msub><m:mi>x</m:mi><m:mn>0</m:mn></m:msub>
	      </m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
  </item>
</list>
    </para>

  </content>
  
</document>
