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)f(x)的拉普拉斯变换F(s)=L{f(t)}F(s)=\mathcal{L}\{f(t)\}按照以下积分进行定义:
F(s)=0estf(t)dt(1)F(s)=\int_{0}^{\infty} e^{-s t} f(t) d t\tag{1}

式中,ss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)\mathcal{L}\left\{c_{1} f_{1}(t)+c_{2} f_{2}(t)\right\}=c_{1} \mathcal{L}\left\{f_{1}(t)\right\}+c_{2} \mathcal{L}\left\{f_{2}(t)\right\}\tag{2}

1.1 例子

L{eat}=0e(sa)tdt=1sae(sa)t]0=1sa(3)\begin{aligned} \mathcal{L}\left\{e^{a t}\right\} &=\int_{0}^{\infty} e^{-(s-a) t} d t \\ &\left.=-\frac{1}{s-a} e^{-(s-a) t}\right]_{0}^{\infty} \\ &=\frac{1}{s-a} \end{aligned}\tag{3}

:要使式(3)的积分收敛,需有s>as>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)a \ddot{x}+b \dot{x}+c x=g(t), \quad x(0)=x_{0}, \quad \dot{x}(0)=u_{0}\tag{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)a \mathcal{L}\{\ddot{x}\}+b \mathcal{L}\{\dot{x}\}+c \mathcal{L}\{x\}=\mathcal{L}\{g\}\tag{5}

函数导数的拉式变换可由分步积分求得:
0estx˙dt=xest0+s0estxdt=sX(s)x0(6)\int_{0}^{\infty} e^{-s t} \dot{x} d t=\left.x e^{-s t}\right|_{0} ^{\infty}+s \int_{0}^{\infty} e^{-s t} x d t=s X(s)-x_{0}\tag{6}

0estx¨dt=x˙est0+s0estx˙dt=u0+s(sX(s)x0)=s2X(s)sx0u0(7)\int_{0}^{\infty} e^{-s t} \ddot{x} d t=\left.\dot{x} e^{-s t}\right|_{0} ^{\infty}+s \int_{0}^{\infty} e^{-s t} \dot{x} d t=-u_{0}+s\left(s X(s)-x_{0}\right)=s^{2} X(s)-s x_{0}-u_{0}\tag{7}

:要使(6)(7)能够收敛,需要s>0s>0
则式(5)为
a(s2Xsx0u0)+b(sXx0)+cX=G(8)a\left(s^{2} X-s x_{0}-u_{0}\right)+b\left(s X-x_{0}\right)+c X=G\tag{8}

  这是一个关于X=X(s)X=X(s)的代数方程,容易求解。之后,对X=X(s)X=X(s)进行拉式反变换来求x=x(t)x=x(t)
:求解示意图
5.拉普拉斯变换

3.单位阶跃函数

  单位阶跃函数uc(t)u_{c}(t)定义为
uc(t)={0,t<c1,tc(9)u_{c}(t)=\left\{\begin{array}{ll} 0, & t<c \\ 1, & t \geq c \end{array}\right.\tag{9}

要使上式有实际物理意义,需有c>0c>0
  阶跃函数的拉式变换为
L{uc(t)}=0estuc(t)dt=ecss(9)\mathcal{L}\left\{u_{c}(t)\right\}=\int_{0}^{\infty} e^{-s t} u_{c}(t) d t=\frac{e^{-c s}}{s}\tag{9}

要使上式积分收敛,需要s>0s>0

3.1 表示滞后函数

  阶跃函数可以被用于表示函数f(t)f(t)tt的正方向平移cc后的函数(该函数和f(t)f(t)相比滞后cc):
uc(t)f(tc)={0,t<cf(tc),tc(10)u_{c}(t) f(t-c)=\left\{\begin{aligned} 0, & t<c \\ f(t-c), & t \geq c \end{aligned}\right.\tag{10}

其拉式变换为L{uc(t)f(tc)}=0estuc(t)f(tc)dt=ecsF(s)(11)\mathcal{L}\left\{u_{c}(t) f(t-c)\right\}=\int_{0}^{\infty} e^{-s t} u_{c}(t) f(t-c) d t=e^{-c s} F(s)\tag{11}

3.2 表示分段函数

  分段函数f(t)={f1(t), if t<cf2(t), if tc(12)f(t)=\left\{\begin{array}{ll} f_{1}(t), & \text { if } t<c \\ f_{2}(t), & \text { if } t \geq c \end{array}\right.\tag{12}

可以利用单位阶跃函数写成
f(t)=f1(t)+(f2(t)f1(t))uc(t)(13)f(t)=f_{1}(t)+\left(f_{2}(t)-f_{1}(t)\right) u_{c}(t)\tag{13}

4.狄拉克函数

  用极限的方式进行定义:
δ(tc)=limϵ012ϵ(ucϵ(t)uc+ϵ(t))(14)\delta(t-c)=\lim _{\epsilon \rightarrow 0} \frac{1}{2 \epsilon}\left(u_{c-\epsilon}(t)-u_{c+\epsilon}(t)\right)\tag{14}

考虑到实际物理意义,一般有c>0c>0
函数图像如图所示:
5.拉普拉斯变换
  其拉氏变换为
L{δ(tc)}=0estδ(tc)dt=ecs(15)\mathcal{L}\{\delta(t-c)\}=\int_{0}^{\infty} e^{-s t} \delta(t-c) d t=e^{-c s}\tag{15}
狄拉克函数的三个性质如下:

  1. δ(ax)=1aδ(x)\delta(a x)=\frac{1}{|a|} \delta(x)
  2. uc(x)=xδ(xc)dxu_{c}(x)=\int_{-\infty}^{x} \delta\left(x^{\prime}-c\right) d x^{\prime}
  3. δ(xc)=ddxuc(x)\delta(x-c)=\frac{d}{d x} u_{c}(x)

利用函数的定义(14)容易证明。

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