Laplace-muunnos

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 18. huhtikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

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.

Määritelmä

Suora Laplace-muunnos

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.

Käänteinen Laplace-muunnos

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] .

Kaksisuuntainen Laplace-muunnos

Kaksipuolinen Laplace-muunnos on yleistys sellaisille ongelmille, joissa funktion arvot ovat mukana .

Kaksipuolinen Laplace-muunnos määritellään seuraavasti:

Diskreetti Laplace-muunnos

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:

Ominaisuudet ja lauseet

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:

  1. : Laplace-muunnos on olemassa, jos integraali on olemassa ;
  2. : Laplace-muunnos on olemassa , jos integraali on olemassa jokaiselle äärelliselle ja ;
  3. tai (kumpi raja on suurempi): Laplace-muunnos on olemassa, jos funktiolle ( johdannainen ) on Laplace-muunnos .

Huomaa : nämä ovat riittävät edellytykset olemassaololle.

Käänteisen Laplace-muunnoksen olemassaoloon riittää, että seuraavat ehdot täyttyvät:

  1. Jos kuva  on analyyttinen funktio ja sen kertaluku on pienempi kuin −1, niin sen käänteismuunnos on olemassa ja on jatkuva kaikille argumentin arvoille ja arvolle .
  2. Olkoon , Joten se on analyyttinen suhteessa kunkin ja on nolla , Ja , Sitten käänteinen muunnos on olemassa ja vastaavalla suoralla muunnolla on absoluuttisen konvergenssin abskissa.

Huomaa : nämä ovat riittävät edellytykset olemassaololle.

Kahden alkuperäisen konvoluution Laplace-muunnos on tulos näiden alkuperäisten kuvista:

Todiste

Konvoluutiota 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:

Joidenkin funktioiden suora ja käänteinen Laplace-muunnos

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-muunnoksen sovellukset

Laplace-muunnolla on laaja sovellus monilla matematiikan ( operaatiolaskennan ), fysiikan ja tekniikan aloilla :

Proseduuri differentiaaliyhtälön ratkaisemiseksi Laplace-muunnolla on seuraava:

  1. Annetun syöttötehosteen mukaan kuva löydetään vastaavuustaulukoiden avulla.
  2. d.s. luo siirtofunktio.
  3. Etsi pisteiden 1 ja 2 suuruuskuva.
  4. Määrittele alkuperäinen. [neljä]

Suhde muihin muunnoksiin

Perusyhteydet

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

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.

Kaksisuuntainen Laplace-muunnos

Kaksipuolinen Laplace-muunnos liittyy yksipuoliseen Laplace-muunnokseen seuraavalla kaavalla:

Fourier-muunnos

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 .

Mellinin transformaatio

Mellin-muunnos ja käänteinen Mellin-muunnos liittyvät kaksipuoliseen Laplace-muunnokseen yksinkertaisella muuttujien muutoksella. Jos Mellin-muunnoksessa

asetamme , niin saadaan kaksipuolinen Laplace-muunnos.

Z-muunnos

-muunnos on hilafunktion  Laplace-muunnos, joka suoritetaan muuttujien muutoksella:

missä  on näytteenottojakso ja  signaalin näytteenottotaajuus .

Yhteys ilmaistaan ​​käyttämällä seuraavaa suhdetta:

Borel-muunnos

Borel- muunnoksen integraalimuoto on identtinen Laplace-muunnoksen kanssa, on myös yleistetty Borel-muunnos , jolla Laplace-muunnoksen käyttö laajenee laajempaan funktioluokkaan.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. Venäläisessä kirjallisuudessa sitä merkitään myös . Katso esimerkiksi Ditkin V. A., Kuznetsov P. I. Handbook of Operational Calculus: Fundamentals of Theory and Tables of Formulas. - M . : Valtion teknisen ja teoreettisen kirjallisuuden kustantamo, 1951. - 256 s.
  2. Zheverzheev V.F., Kalnitsky L.A., Sapogov N.A. Korkea-asteen matematiikan erikoiskurssi korkeakouluille. - M., Higher School , 1970. - s. 231
  3. Vashchenko-Zakharchenko M.E. Symbolinen laskenta ja sen soveltaminen lineaaristen differentiaaliyhtälöiden integrointiin. - Kiova, 1862.
  4. Pienten miehittämättömien ilma-alusten automaattisen ohjausjärjestelmän arkkitehtuuri  // Tietotekniikat ja laskentajärjestelmät. – 20.03.2018. — ISSN 2071-8632 . - doi : 10.14357/20718632180109 .

Kirjallisuus

Linkit