导数的拉氏变换

如题所述

拉氏变换与傅立叶变换
拉氏变换(Laplace transform)是应用数学中常用的一种积分变换,其符号为 L[f(t)] 。拉氏变换是一个线性变换,可将一个有实数变数的函数转换为一个变数为复数 s 的函数:

∫_0^∞F(s)= f(t)e^{-st}dt

拉氏变换在大部份的应用中都是对射的,最常见的 f(t) 和 F(s) 组合常印制成表,方便查阅。拉氏变换和傅立叶变换有关,不过傅立叶变换将一个函数或是信号表示为许多弦波的叠加,属于「频域变换」;而拉氏变换则是将一个函数表示为许多矩的叠加,属于「时域变换」。拉氏变换的好处就是能够将复杂的积分与微分的问题,变换成比较容易计算的代数方法,为什么要进行变换?因为很多时候频域变换比时域变换直观得多。因此,拉氏变换较多被用于解决:

(1).常数系数的线性微分或积分方程式

(2).分析线性非时变系统的输入输出信号。

实务上,拉氏变换在物理及工程上常用来分析线性非时变系统,可用来分析电子电路、谐振子、光学仪器及机械设备,在这些分析中,拉氏变换可以作时域和频域之间的转换,在时域中输入和输出都是时间的函数,在频域中输入和输出则是复变角频率的函数。

拉氏变换
在时域分析中,物理系统之动态方程式是以微分方程式来表示,在分析与设计上较为不便,若将其取拉氏变换后,改以「转移函数」来表示,则系统之输出与输入将只是代数关系,在数学处理较为简单且方便,也易于以图解法处理。

拉氏变换可以从「幂级数」的概念中推广出来,下面给出其推广过程。一个函数可以用幂级数的形式表出: A(x)=∑a_nx^n 。其实,这个序列可以看成是一个特殊的函数,即自变量只取整数的函数,那么我们将其推广为一般函数会有什么效果?将离散自变量 n 用连续自变量 t 代替,如果想用 t 取代 i,显然不能再用处理离散序列的方法进行求和,而是通过积分操作。令 A(x)=∫f(t)xtdt,而在微积分中我们常引入自然指数来方便运算,即 A(x)=∫f(t)x^tdt=∫f(t)(e^{lnx})^tdt 。

在这里,我们需要对x做一些限定,因为幂级数存在收敛半径的,对于一般的自然界中存在的实际函数(如信号)是不能发散到正无穷的,因此该函数有上界,而由于为了避免负的幂带来的困扰,我们要求 x>0。由于 0<x<1,而 lnx∈(−∞, 0),也就是说,这样我们得到的变换的函数对其自变量的范围有所限制,为 x∈(0, 1)。这当然很不好看,因此我们做一个代换,令 s=-lnx,将 A(x) 用 F(x) 代替,因此原始变为 : F(x)=∫f(t)e^{−st}dt, s∈(0,+∞) 。没错,这正是拉氏变换!原本我们变换后的函数本来是 F(x), x∈(0,1),但是,这种形式很难看,在操作时也很麻烦,因此我们做了变换,得到了变换后的函数 F(s), s∈(0,+∞),两个其实是一回事。将拉氏变换用符号 L 表示,记作:L[f(t)]=F(s)。
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第1个回答  2020-11-23
拉普拉斯变换是工程数学中常用的一种积分变换,又名拉氏变换。拉氏变换是一个线性变换,可将一个有参数实数t(t≥ 0)的函数转换为一个参数为复数s的函数。拉普拉斯变换在许多工程技术和科学研究领域中有着广泛的应用,特别是在力学系统、电学系统、自动控制系统、可靠性系统以及随机服务系统等系统科学中都起着重要作用。据此,在“电路分析”中,元件的伏安关系可以在复频域中进行表示,即电阻元件:V=RI,电感元件:V=sLI,电容元件:I=sCV。如果用电阻R与电容C串联,并在电容两端引出电压作为输出,那么就可用“分压公式”得出该系统的传递函数为H(s)=(1/RC)/(s+(1/RC)),于是响应的拉普拉斯变换Y(s)就等于激励的拉普拉斯变换X(s)与传递函数H(s)的乘积,即Y(s)=X(s)H(s)

如果定义:f(t)是一个关于t的函数,使得当t<0时候,f(t)=0;s是一个复变量;是一个运算符号,它代表对其对象进行拉普拉斯积分int_0^infty e'dt;F(s)是f(t)的拉普拉斯变换结果。
第2个回答  2020-11-23
拉普拉斯变换法(method of Laplace transform)求解常系数线性常微分方程的一个重要方法。[1]

运用拉普拉斯变换将常系数线性常微分方程的求解问题化为线性代数方程或方程组求解问题时,可把初始条件一起考虑在内,不必求出通解再求特解,这在工程技术中有广泛的应用。

中文名
拉普拉斯变换法
外文名
method of Laplace transform
定义
求解常系数线性常微分方程的方法
应用领域
工程技术
应用学科
数学
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逆变换

性质和定理

应用实例

工程学的应用
形式定义
对于所有实数,函数f(t)的拉普拉斯变换是函数F(s),定义为:[1]

参数s是一个复数:
为实数。
拉普拉斯变换的其他表示法中使用而非F。 是一个运算符号。
积分的含义取决于函数的类型。该积分存在的一个必要条件是在f必须在上局部可积。对在无穷大处衰减的局部可积函数或指数式,该积分可以理解为(恰当)勒贝格积分。然而,在很多应用中有必要将其视作在处条件收敛的反常积分。更一般的,积分可以在较弱的意义上理解,在下面会去处理。
可以用勒贝格积分定义拉普拉斯变换为有限博雷尔测度

一种特殊情况是当为概率测度,或者更具体地说,是[[狄拉克函数]]时。在运算微积中,拉普拉斯变换的测度常常被视作由分布函数f带来的测度。在这种情况下,为了避免混淆,一般写作

其中是 0的下限的简化符号

这个极限强调任何位于 0 的质点都被拉普拉斯变换完全捕获。虽然使用勒贝格积分,没有必要取这个极限,但它可以更自然地与拉普拉斯–斯蒂尔吉斯变换建立联系。
逆变换
两个相异的可积函数,只有在其差的勒贝格测度为零时,才会有相同的拉普拉斯变换。因此以转换的角度而言,存在其反转换。包括可积分函数在内,拉普拉斯变换是单射映射,将一个函数空间映射到其他的函数空间。典型的函数空间包括有界连续函数、函数空间L(0, ∞)、或是更广义,在 (0, ∞) 区间内的缓增广义函数(函数的最坏情形是多项式增长)。[1]
拉普拉斯逆变换有许多不同的名称,如维奇积分、傅立叶-梅林积分、梅林逆公式,是一个复积分:

其中是一个使F(s)的积分路径在收敛域内的实数。另一个拉普拉斯逆变换的公式是由Post反演公式而来。
在实务上一般会配合查表,将函数的拉普拉斯变换分换为许多已知函数的拉普拉斯变换,再利用观察的方式产生其拉普拉斯逆变换。在微分方程中会用到拉普拉斯逆变换,会比用傅里叶转换的处理方式要简单。
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