Laplace-muunnos (ℒ) on integraalimuunnos, joka yhdistää kompleksisen muuttujan ( kuvan ) funktion todellisen muuttujan ( alkuperäinen ) funktioon. Sen avulla tutkitaan dynaamisten järjestelmien ominaisuuksia ja ratkaistaan differentiaali- ja integraaliyhtälöitä .
Yksi Laplace-muunnoksen ominaisuuksista, joka määräsi sen laajan käytön tieteellisissä ja teknisissä laskelmissa, on, että monet alkuperäisten kuvasuhteet ja toiminnot vastaavat kuvien yksinkertaisempia suhteita. Siten kahden funktion konvoluutio kuvien avaruudessa pelkistyy kertolaskuoperaatioon ja lineaariset differentiaaliyhtälöt muuttuvat algebrallisiksi.
Reaalimuuttujan funktion Laplace-muunnos on kompleksisen muuttujan funktio [1] siten, että:
Tämän lausekkeen oikeaa puolta kutsutaan Laplacen integraaliksi .
Funktiota kutsutaan Laplace-muunnoksessa alkuperäiseksi ja funktiota funktion kuvaksi .
Kirjallisuudessa alkuperäisen ja kuvan välinen suhde on usein kuvattu seuraavasti: ja , ja kuva kirjoitetaan yleensä isolla kirjaimella.
Kompleksisen muuttujan funktion käänteinen Laplace-muunnos on todellisen muuttujan funktio siten, että:
missä on jokin reaaliluku (katso olemassaoloehdot ). Tämän lausekkeen oikeaa puolta kutsutaan Bromwich-integraaliksi [2] .
Kaksipuolinen Laplace-muunnos on yleistys sellaisille ongelmille, joissa funktion arvot ovat mukana .
Kaksipuolinen Laplace-muunnos määritellään seuraavasti:
Sitä käytetään tietokoneohjausjärjestelmien alalla. Diskreetti Laplace-muunnos voidaan soveltaa hilafunktioihin.
Erota -transformaatio ja -muunnos.
Olkoon hilafunktio, eli tämän funktion arvot määritetään vain diskreeteillä aikoina , missä on kokonaisluku ja näytteenottojakso.
Sitten Laplace-muunnoksen avulla saamme:
Jos käytämme seuraavaa muuttujien muutosta:
saamme -muunnos:
Jos Laplace- integraali suppenee ehdottomasti kohdassa , Eli on olemassa raja
silloin se konvergoi absoluuttisesti ja tasaisesti ja on analyyttinen funktio arvolle ( on kompleksisen muuttujan reaaliosa ). Lukujoukon tarkkaa infimumia , jossa tämä ehto täyttyy, kutsutaan funktion Laplace-muunnoksen absoluuttisen konvergenssin abskissaksi .
Laplace-muunnos on olemassa absoluuttisen konvergenssin merkityksessä seuraavissa tapauksissa:
Huomaa : nämä ovat riittävät edellytykset olemassaololle.
Käänteisen Laplace-muunnoksen olemassaoloon riittää, että seuraavat ehdot täyttyvät:
Huomaa : nämä ovat riittävät edellytykset olemassaololle.
Kahden alkuperäisen konvoluution Laplace-muunnos on tulos näiden alkuperäisten kuvista:
TodisteKonvoluutiota varten
Laplace-muunnos:
Uudelle muuttujalle
Tämän lausekkeen vasenta puolta kutsutaan Duhamelin integraaliksi , jolla on tärkeä rooli dynaamisten järjestelmien teoriassa .
Laplacen mukainen kuva alkuperäisen ensimmäisestä johdannaisesta argumentin suhteen on kuvan ja jälkimmäisen argumentin tulo vähennettynä alkuperäisellä oikealla nollassa:
Yleisemmässä tapauksessa ( :n kertaluvun derivaatta ) :
Laplace-kuva alkuperäisen integraalista argumentin suhteen on alkuperäisen kuva jaettuna sen argumentilla:
Kuvan derivaatan käänteinen Laplace-muunnos argumentin suhteen on alkuperäisen ja sen argumentin tulo, otettuna vastakkaisella merkillä:
Kuvan integraalin käänteinen Laplace-muunnos argumentin yli on tämän kuvan alkuperäinen jaettuna sen argumentilla:
Kuvan viive:
Alkuperäinen viive:
missä on Heaviside-funktio .
Alku- ja loppuarvon lauseet (rajalauseet):
jos funktion kaikki navat ovat vasemmassa puolitasossa.Äärillisen arvon lause on erittäin hyödyllinen, koska se kuvaa alkuperäisen käyttäytymistä äärettömässä yksinkertaisella suhteella. Tätä käytetään esimerkiksi analysoimaan dynaamisen järjestelmän liikeradan vakautta .
Lineaarisuus :
Kerro numerolla:
Alla on Laplacen muunnostaulukko joillekin funktioille.
Ei. | Toiminto | Aika-alue |
taajuusalueella |
Kausaalisten järjestelmien konvergenssialue _ |
---|---|---|---|---|
yksi | delta-toiminto | |||
1a | viivästynyt deltatoiminto | |||
2 | -: nnen tilauksen viive taajuusmuutoksella | |||
2a | teho -th järjestys | |||
2a.1 | teho -th järjestys | |||
2a.2 | Heaviside-toiminto | |||
2b | viivästynyt Heaviside-toiminto | |||
2c | "vauhtiaskel" | |||
2d | -th järjestys taajuusmuutolla | |||
2d.1 | eksponentiaalinen hajoaminen | |||
3 | eksponentiaalinen approksimaatio | |||
neljä | sinus | |||
5 | kosini | |||
6 | hyperbolinen sini | |||
7 | hyperbolinen kosini | |||
kahdeksan | eksponentiaalisesti hajoava sini |
|||
9 | eksponentiaalisesti vaimeneva kosini |
|||
kymmenen | th juuri | |||
yksitoista | luonnollinen logaritmi | |||
12 | Ensimmäisen tyyppinen Bessel - funktio |
|||
13 | muunnettu ensimmäisen tyyppinen Bessel -funktio |
|||
neljätoista | nollakertainen toisen tyyppinen Bessel-funktio |
|||
viisitoista | muunneltu Besselin funktio toisen luokan nollasta |
|||
16 | virhetoiminto | |||
Taulukon huomautukset:
|
Laplace-muunnolla on laaja sovellus monilla matematiikan ( operaatiolaskennan ), fysiikan ja tekniikan aloilla :
Proseduuri differentiaaliyhtälön ratkaisemiseksi Laplace-muunnolla on seuraava:
Lähes kaikki integraalimuunnokset ovat luonteeltaan samanlaisia ja ne voidaan saada toisistaan vastaavuuslausekkeiden avulla. Monet niistä ovat muiden muunnosten erikoistapauksia. Lisäksi annetaan kaavat, jotka yhdistävät Laplacen muunnokset joihinkin muihin funktionaalisiin muunnoksiin.
Laplace-Carson-muunnos (joskus kutsutaan vain Carson-muunnokseksi, joskus, ei aivan oikein, he käyttävät Carson-muunnosta, kutsuen sitä Laplace-muunnokseksi) saadaan Laplace-muunnoksesta kertomalla kuva kompleksisella muuttujalla:
Carson-muunnos on laajalti käytössä sähköpiirien teoriassa, koska sellaisella muunnoksella kuvan ja alkuperäisen mitat ovat samat, joten siirtofunktioiden kertoimilla on fyysinen merkitys.
Kaksipuolinen Laplace-muunnos liittyy yksipuoliseen Laplace-muunnokseen seuraavalla kaavalla:
Jatkuva Fourier-muunnos vastaa kaksipuolista Laplace-muunnosta, jossa on monimutkainen argumentti :
Huomautus: Näistä lausekkeista on jätetty pois skaalaustekijä , joka sisältyy usein Fourier-muunnoksen määritelmiin.
Fourier - ja Laplace - muunnosten välistä suhdetta käytetään usein määrittämään signaalin tai dynaamisen järjestelmän taajuusspektri .
Mellin-muunnos ja käänteinen Mellin-muunnos liittyvät kaksipuoliseen Laplace-muunnokseen yksinkertaisella muuttujien muutoksella. Jos Mellin-muunnoksessa
asetamme , niin saadaan kaksipuolinen Laplace-muunnos.
-muunnos on hilafunktion Laplace-muunnos, joka suoritetaan muuttujien muutoksella:
missä on näytteenottojakso ja signaalin näytteenottotaajuus .
Yhteys ilmaistaan käyttämällä seuraavaa suhdetta:
Borel- muunnoksen integraalimuoto on identtinen Laplace-muunnoksen kanssa, on myös yleistetty Borel-muunnos , jolla Laplace-muunnoksen käyttö laajenee laajempaan funktioluokkaan.
Integraalit muunnokset | ||
---|---|---|
|
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|