Laplace 变换
拉普拉斯变换(Laplace Transform)是算子振幅分析与线性系统理论中的强有力工具。它能够将时域中的微分、积分运算转化为复频域中的代数运算,从而极大地简化了解微分方程(组)的步骤。本章将详细讨论拉普拉斯变换的定义、核心性质、利用复变函数中的留数理论计算逆变换的方法,以及其在求解常微分方程初值问题中的典型应用。
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Laplace 变换的定义与存在定理
Laplace 变换的定义
定义 Laplace 变换 设函数 在 时有定义, 是一个复变量。若广义积分
在 的某一区域内收敛,则称此积分确定了一个复变量 的函数 ,并称 为函数 的拉普拉斯变换(或像函数),记为:
相应地,称 为 的拉普拉斯逆变换(或原函数),记为:
Laplace 变换的存在定理
并非所有的函数都存在拉普拉斯变换。以下定理给出了积分收敛的充分条件。
定理 存在定理 若函数 满足下列条件:
- 在 的任何有限区间上分段连续;
- 当 时,其增长速度是有限的,即存在常数 和 ,使得:
则当 时,拉普拉斯变换积分必绝对收敛,且像函数 在右半平面 内是解析的。
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Laplace 变换的基本性质
线性性质
定理 线性性质 设 ,, 为任意常数,则:
微分性质(时域微分)
定理 微分定理 设 连续,且其导数 满足存在定理的条件,若 ,则:
一般地,若 的各阶导数均满足条件,则有 阶微分公式:
积分性质(时域积分)
定理 积分定理 若 ,则其变上限积分的拉氏变换为:
相似性质
定理 相似性质 若 为正实数,且 ,则:
证明 根据定义,有:
令 ,则 ,。代入积分式中得:
延伸推论:
若已知 ,则 。
结合衰减性质(位移性质),可得:。
卷积性质
定义 卷积 设函数 与 在 上有定义,称积分
为函数 与 的卷积,记为 。
卷积运算满足交换律,即:。
定理 卷积定理 若 ,,则两个函数时域卷积的拉普拉斯变换等于它们各自像函数的乘积:
证明 由定义开展二重积分:
在内层积分中令 ,则 ,。积分限从 变为 :
逆变换应用:
初值定理与终值定理
定理 初值定理 设 ,且 存在,则:
定理 终值定理 设 ,若 存在,且像函数 在右半复平面及虚轴上除原点外无奇点(即 的所有奇点均位于左半平面 或原点),则:
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用留数计算 Laplace 逆变换
定理 留数反演定理 设像函数 在整个扩充复平面上除去有限个孤立奇点 外处处解析,且满足条件 。如果选取实数 使得 的所有奇点都位于半平面 内,则当 时, 的拉普拉斯逆变换 可以表示为 在其所有奇点处的留数之和:
典型极点处的留数计算法
1. 单极点(一阶极点):
- 高阶极点(以 阶极点为例):
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Laplace 变换的应用
拉普拉斯变换的基本应用逻辑是将时域的微分方程,通过导数的拉氏变换公式转化为关于 的复频域代数方程,解出 后再求其拉氏逆变换得到原微分方程的解。
典型例题 1:求解高阶常微分方程初值问题
例题 求微分方程 满足初始条件 的解。
证明 设 。已知 。 对方程两边同时取拉普拉斯变换:
代入初始条件 得:
由于 ,故:
为了求 ,我们可以分别对两部分用留数反演定理或分式展开进行计算: 对于 ,其孤立奇点为 (单极点)和 (三阶极点)。 根据留数反演定理:
经计算(或结合部分分式展开与时域卷积)可得原方程的唯一时域特解。
典型例题 2:求解常微分方程组初值问题
例题 求解常微分方程组
满足初始条件:。
证明 设 ,。对方程组两边同时进行拉普拉斯变换: 因为 且其他初值均为 0,所以依据微分性质:
代入原方程组得到其复频域代数方程组:
两式相减(第一式减第二式)可以迅速消去变量 :
解得像函数 的显式表达式:
将其代回第一式,即可解出 。最终两变量的像函数形式为:
最后,利用拉普拉斯逆变换(部分分式展开法或高阶极点留数法)可得时域特解: 对于 : 是二阶极点, 是单极点。通过计算留数和反演可得:
同理对 每一项求逆变换即可解出 。