0.引言
拉普拉斯变换可以处理常系数ode当非齐次项为非连续或者脉冲函数的情形。
1.定义
函数f(x)的拉普拉斯变换F(s)=L{f(t)}按照以下积分进行定义:
F(s)=∫0∞e−stf(t)dt(1)
式中,s的值需使以上积分收敛。
拉普拉斯变换是一个线性变换(易证),即L{c1f1(t)+c2f2(t)}=c1L{f1(t)}+c2L{f2(t)}(2)
1.1 例子
L{eat}=∫0∞e−(s−a)tdt=−s−a1e−(s−a)t]0∞=s−a1(3)
注:要使式(3)的积分收敛,需有s>a
2.常系数微分方程的拉式变换
对于如下非齐次常系数二阶ode
ax¨+bx˙+cx=g(t),x(0)=x0,x˙(0)=u0(4)
两边取拉式变换,并考虑拉式变换是一种线性变换,可得
aL{x¨}+bL{x˙}+cL{x}=L{g}(5)
函数导数的拉式变换可由分步积分求得:
∫0∞e−stx˙dt=xe−st∣∣0∞+s∫0∞e−stxdt=sX(s)−x0(6)
∫0∞e−stx¨dt=x˙e−st∣∣0∞+s∫0∞e−stx˙dt=−u0+s(sX(s)−x0)=s2X(s)−sx0−u0(7)
注:要使(6)(7)能够收敛,需要s>0。
则式(5)为
a(s2X−sx0−u0)+b(sX−x0)+cX=G(8)
这是一个关于X=X(s)的代数方程,容易求解。之后,对X=X(s)进行拉式反变换来求x=x(t)。
注:求解示意图

3.单位阶跃函数
单位阶跃函数uc(t)定义为
uc(t)={0,1,t<ct≥c(9)
要使上式有实际物理意义,需有c>0
阶跃函数的拉式变换为
L{uc(t)}=∫0∞e−stuc(t)dt=se−cs(9)
要使上式积分收敛,需要s>0。
3.1 表示滞后函数
阶跃函数可以被用于表示函数f(t)向t的正方向平移c后的函数(该函数和f(t)相比滞后了c):
uc(t)f(t−c)={0,f(t−c),t<ct≥c(10)
其拉式变换为L{uc(t)f(t−c)}=∫0∞e−stuc(t)f(t−c)dt=e−csF(s)(11)
3.2 表示分段函数
分段函数f(t)={f1(t),f2(t), if t<c if t≥c(12)
可以利用单位阶跃函数写成
f(t)=f1(t)+(f2(t)−f1(t))uc(t)(13)
4.狄拉克函数
用极限的方式进行定义:
δ(t−c)=ϵ→0lim2ϵ1(uc−ϵ(t)−uc+ϵ(t))(14)
考虑到实际物理意义,一般有c>0。
函数图像如图所示:

其拉氏变换为
L{δ(t−c)}=∫0∞e−stδ(t−c)dt=e−cs(15)
狄拉克函数的三个性质如下:
- δ(ax)=∣a∣1δ(x)
- uc(x)=∫−∞xδ(x′−c)dx′
- δ(x−c)=dxduc(x)
利用函数的定义(14)容易证明。