Преобразование Лапласа
Определение
Преобразование Лапласа функции
определяется как,
![]()
Интегрирование проводится по переменной
и определяет новую функцию с переменной
, которая выбирается таким образом, чтобы интеграл сходился.
Для сокращения нотации, вместо
будем иногда использовать заглавную букву функции. Например, преобразование Лапласа функции
кратко запишем как
.
Пусть задана функция
где
это действительное число, преобразование Лапласа такой функции определяется как,
![]()
![]()
![]()
Иногда функцию
называют оригиналом, а функцию
полученную в результате преобразования — изображением функции
.
Преобразование Лапласа обладает свойством линейности, когда преобразование суммы равняется сумме преобразований и константа может быть вынесена за знак преобразования.
![]()
![]()
Операция при которой для известного преобразования
необходимо определить
, называется обратным преобразованием Лапласа и обозначается как,
![]()
Обратное преобразование Лапласа также сохраняет свойство линейности.
Можно записать преобразование Лапласа для производной,
![]()
Интегрирование по частям, даёт
![]()
![]()
![]()
Изображение производной это изображение функции повторенное
раз, от которого нужно отнять значение функции в точке ноль.
Можно построить изображение производной второго порядка,
![]()
Решение задач с начальными условиями
Попробуем решить следующее обыкновенное дифференциальное уравнение, с заданными начальными условиями (initial value problem)
![]()
![]()
Используя свойство линейности построим изображение левой и правой части уравнения,
![]()
Используем табличное преобразование,
![]()
![]()
![]()
Подставим известное начальное условие
,
![]()
Преобразование Лапласа превратило исходное дифференциальное уравнение в обычное алгебраическое уравнение, в результате преобразования которого стало известно чему равно изображение неизвестной функции
.
![]()
Применим следующие два табличных преобразования,
![]()
![]()
с помощью которых опознаем исходные оригиналы
![]()
![]()
Следующий пример,
![]()
![]()
Найдем изображение левой и правой части,
![]()
![]()
![]()
Подставим начальные условия,
![]()
![]()
![]()
Правую часть разложим на простейшие дроби используя следующий подход. Представим, что такое разложение существует,
![]()
Приравняв числители, получим уравнение содержащее неизвестные константы,
![]()
Подставляя удобные значения произвольного параметра
, определим значение констант.
![]()
![]()
![]()
Получим,
![]()
Решение получим обратным преобразованием,
![]()
Первая теорема смещения
Найдем изображение следующей функции,
![]()
![]()
Сравнивая с определением преобразования Лапласа,
![]()
получим, что умножение любой функцию на экспоненту в степени
равносильно смещению переменной
на величину
. Теорема смещения позволяет значительно расширить класс изображений, для которых легко находятся начальные функции.
В следующем примере используем табличное преобразование,
![]()
Найдем изображение функции,
![]()
умноженной на экспоненту,
![]()
Теорема смещения может быть записана и для обратного преобразования Лапласа,
![]()
Найдем оригинал следующего изображения,
![]()
Основная идея это привести данное изображение к виду
где
известная табличная функция,
![]()
Табличная функция,
![]()
позволяет найти оригинал,
![]()
Функция Хевисайда и вторая теорема смещения
Единичная ступенчатая функция или функция Хевисайда, определяется как
![]()
Можно определить смещенную на
единиц вправо функцию Хевисайда,
![]()
Смещенная функция применяется, когда необходимо сначала выключить сигнал (функцию) до наступления времени
и затем включить его.
![]()
Функция Хевисайда используется для определения импульса,
![Rendered by QuickLaTeX.com \[ H(t - a) - H(t - b) = \begin{cases} 0, \, t < a \\ 1, \, a \le t < b \\ 0, \, t \ge b \end{cases} \]](https://oilsim.ru/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-604f4ec531dc998abc303c49402c08d0_l3.png)
Вторая теорема о смещении следует из преобразования Лапласа функции Хевисайда,
![]()
Обратное преобразование второй теоремы о смещении,
![]()
Вычислим,
![]()
присутствие
подразумевает применение второй теоремы о смещении.
Зная табличную функцию,
![]()
Найдем,
![]()
Конволюция
Если две функции
и
определены для
, тогда конволюцией
(или свёрткой) называют,
![]()
К сожалению, обратное преобразование Лапласа результата умножения двух функций не эквивалентно перемножению преобразований каждой функции. Поэтому вводится отличный от умножения оператор, для которого выполняется теорема о конволюции,
![]()
или что тоже самое,
![]()
Теорема о конволюции для обратного преобразования Лапласа,
![]()
бывает полезной в некоторых случаях для нахождения оригинала.
Например,
![]()
можно представить как,
![]()
![]()
которые имеют табличные обратные преобразования,
![]()
![]()
Тогда,
![]()
![]()
![]()
Дельта-функция
Нестрого говоря, под импульсом можно понимать силу огромной величины действующей в очень короткий промежуток времени. Описать импульс можно следующим образом,
![]()
Такой импульс имеет длительность
и магнитуду
. Дельта функция Дирака придумана как реализация импульса бесконечно короткого действия с бесконечно большой магнитудой,
![]()
Полученный объект не является функцией в обычном смысле, скорее этот объект можно отнести к классу распределений. По историческим причинам его продолжают называть функцией Дирака.
Смещенная дельта-функция
равна нулю везде, кроме
. Преобразование Лапласа дельта-функции,
![]()
В частности при
,
![]()
Дельта-функция обладает свойством фильтрации,
![]()
из которого следует, что дельта-функция служит «единицей» для конволюции,
![]()
Дифференцирование изображения
Рассмотрим интеграл, в котором подынтегральная функция зависит от параметра
,
![]()
Если параметр
будет меняться, то будет меняться и значение интеграла.
Найдем производную интеграла по параметру
,
![]()
Заметим, что
![]()
![]()
Применим теорему Лагранжа о конечных приращениях,
![]()
Предполагая частную производную непрерывной, запишем
![]()
где величина
стремится к нулю, при
.
Таким образом,
![]()
Переходя к пределу,
![]()
получим формулу Лейбница,
![]()
которую можно применить к преобразованию Лапласа.
![]()
![]()
![]()
Для производной второго порядка,
![]()
![]()
![]()
![]()
Продолжая вычисления для производных старших порядков, получим общую формулу
![]()
Небольшой пример,
![]()
Для обратного преобразования при
, можно привести следующую полезную формулу,
![]()
![]()
Сопроводим примером. Найдем оригинал следующего изображения,
![]()
Отдельно вычислим производную,
![]()
![]()
![]()
Теорема обращения
Теорема обращения (также известная как формула Fourier–Mellin или интеграла Bromwich) позволяет найти обратное преобразование Лапласа с помощью контурного интеграла комплексной функции,
![]()
Контур интегрирования берется от бесконечной вертикальной линии
, которая называется линией Бромвича, таким образом, чтобы все особые точки рассматриваемой функции оставались слева от линии.
Теорема обращения записанная через вычеты,
![]()
где суммирование проводится по всем полюсам комплексной функции
.
Найти обратное преобразование Лапласа функции,
![]()
которую можно представить как,
![]()
Функция,
![]()
имеет два простых полюса,
![]()
Посчитаем вычеты,
![]()
![]()
схожим образом,
![]()
Суммируя вычеты,
![]()
и применяя тригонометрическое представление,
![]()
Получим,
![]()
Эта заметка является переводом главы из прекрасной книги «Advanced Engineering Mathematics (7th edition)» by Peter V. O’Neil и «The Laplace Transform : Theory and Application» by Joel Schiff.