Laplace transzformáció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 18-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A Laplace-transzformáció (ℒ) egy integrál transzformáció, amely egy komplex változó ( kép ) függvényét egy valós változó ( eredeti ) függvényével kapcsolja össze. Segítségével dinamikus rendszerek tulajdonságait vizsgáljuk , differenciál- és integrálegyenleteket oldunk meg .

A Laplace-transzformáció egyik jellemzője, amely előre meghatározta széleskörű alkalmazását a tudományos és mérnöki számításokban, hogy az eredetieken sok arány és művelet megfelel a képeken látható egyszerűbb arányoknak. Így két függvény konvolúciója a képek terében a szorzás műveletére redukálódik, és a lineáris differenciálegyenletek algebraivá válnak.

Definíció

Közvetlen Laplace transzformáció

Valós változó függvényének Laplace-transzformációja egy komplex változó függvénye [ 1] , így:

Ennek a kifejezésnek a jobb oldalát Laplace-integrálnak nevezzük .

A függvényt eredetinek nevezzük a Laplace-transzformációban, a függvényt pedig a függvény képének .

Az irodalomban az eredeti és a kép kapcsolatát gyakran a következőképpen jelölik: és , a képet pedig általában nagybetűvel írják.

Inverz Laplace transzformáció

Egy komplex változó függvényének inverz Laplace-transzformációja egy valós változó függvénye úgy, hogy :

hol  van valami valós szám (lásd a létezési feltételeket ). Ennek a kifejezésnek a jobb oldalát Bromwich integrálnak [2] nevezzük .

Kétirányú Laplace transzformáció

A kétoldalas Laplace-transzformáció olyan problémák általánosítása, amelyekben a függvény értékei érintettek .

A kétoldalas Laplace-transzformációt a következőképpen határozzuk meg:

Diszkrét Laplace transzformáció

A számítógépes vezérlőrendszerek területén használják. A diszkrét Laplace-transzformáció alkalmazható rácsfüggvényekre.

Különbséget tegyen -transzformáció és -transzformáció között.

Legyen  rácsfüggvény, vagyis ennek a függvénynek az értékeit csak diszkrét időpontokban határozzuk meg , ahol  egy egész szám és  a mintavételi periódus.

Ezután a Laplace-transzformációt alkalmazva a következőket kapjuk:

Ha alkalmazzuk a változók következő változását:

-transzformációt kapunk :

Tulajdonságok és tételek

Ha a Laplace - integrál abszolút értékben konvergál , akkor van egy határ

akkor abszolút és egyenletesen konvergál és analitikus  függvénye ( a komplex változó  valós része ). A számhalmaz pontos infimumát , amely mellett ez a feltétel teljesül, a függvény Laplace-transzformációjának abszolút konvergenciájának abszcisszájának nevezzük .

A Laplace-transzformáció abszolút konvergencia értelmében a következő esetekben létezik:

  1. : a Laplace-transzformáció létezik, ha az integrál létezik ;
  2. : a Laplace-transzformáció létezik, ha az integrál létezik minden végesre és -ra ;
  3. vagy (amelyik korlát nagyobb): Laplace-transzformáció létezik, ha létezik Laplace-transzformáció a függvényre ( deriváltja ) -ra .

Megjegyzés : ezek elegendő feltételek a létezéshez.

Az inverz Laplace-transzformáció létezéséhez elegendő a következő feltételek teljesülése:

  1. Ha a kép  analitikus függvény a -1-nél kisebb, akkor az inverz transzformáció létezik, és az argumentum minden értékére folytonos, és -1 esetén .
  2. Legyen , tehát minden elemre nézve analitikus és nullával egyenlő , és esetén, akkor létezik az inverz transzformáció, és a megfelelő közvetlen transzformációnak abszolút konvergenciájú abszcisszája van.

Megjegyzés : ezek elegendő feltételek a létezéshez.

Két eredeti konvolúciójának Laplace-transzformációja ezen eredetiek képeinek szorzata:

Bizonyíték

A konvolúcióhoz

Laplace transzformáció:

Egy új változóhoz

Ennek a kifejezésnek a bal oldalát Duhamel integrálnak nevezzük , amely fontos szerepet játszik a dinamikus rendszerek elméletében .

Az eredeti első származékának az argumentumhoz viszonyított Laplace szerinti képe a kép és az utóbbi argumentumának a szorzata, mínusz az eredeti nullánál a jobb oldalon:

Általánosabb esetben ( harmadrendű derivált) :

Az eredeti integráljának Laplace-képe az argumentumhoz képest az eredeti képe osztva argumentumával:

A kép deriváltjának inverz Laplace-transzformációja az argumentumhoz képest az eredeti és argumentuma szorzata, ellenkező előjellel:

A kép integráljának inverz Laplace-transzformációja az argumentum fölött ennek a képnek az eredetije, osztva az argumentumával:

Képkésés:

Eredeti késés:

hol  van a Heaviside függvény .

Kezdő és végső érték tételek (határtételek):

ha a függvény minden pólusa a bal félsíkban van.

A véges érték tétel nagyon hasznos, mert egyszerű összefüggéssel írja le az eredeti végtelenben való viselkedését. Ezt használják például egy dinamikus rendszer pályájának stabilitásának elemzésére.

Linearitás :

Szorzás számmal:

Egyes függvények közvetlen és inverz Laplace transzformációja

Az alábbiakban néhány függvény Laplace transzformációs táblázata látható.

Nem. Funkció Időtartomány
frekvenciatartomány

A kauzális rendszerek konvergencia tartománya
egy delta függvény
1a késleltetett delta funkció
2 -edik sorrendi késleltetés frekvencia eltolással
2a hatalom -th rend
2a.1 hatalom -th rend
2a.2 Heaviside funkció
2b késleltetett Heaviside funkció
2c "gyors lépés"
2d -edik sorrend frekvencia eltolással
2d.1 exponenciális bomlás
3 exponenciális közelítés
négy sinus
5 koszinusz
6 hiperbolikus szinusz
7 hiperbolikus koszinusz
nyolc exponenciálisan bomló
szinusz
9 exponenciálisan bomló
koszinusz
tíz th gyökér
tizenegy természetes logaritmus
12
Az első típusú
sorrend Bessel-függvénye

13
az első típusú
rend módosított Bessel-függvénye
tizennégy
a második típusú
nulladrendű Bessel-függvény
tizenöt módosított Bessel-függvény a
második típusú
nulla rendű
 
16 hiba funkció
Táblázat megjegyzései:

A Laplace-transzformáció alkalmazásai

A Laplace-transzformáció széles körben alkalmazható a matematika ( operatív számítás ), a fizika és a mérnöki tudomány számos területén :

A differenciálegyenlet megoldásának folyamata a Laplace-transzformáció segítségével a következő:

  1. Az adott bemeneti effektusnak megfelelően a megfelelési táblázatok segítségével egy képet találunk.
  2. A d.s. hozzon létre egy átviteli függvényt.
  3. Keresse meg az 1. és 2. pont nagyságrendi képét!
  4. Határozza meg az eredetit. [négy]

Kapcsolat más transzformációkkal

Alapvető összefüggések

Szinte minden integráltranszformáció hasonló természetű, és megfeleltetési kifejezéseken keresztül megkapható egymástól. Sok közülük más átalakulások speciális esetei. Továbbá olyan képletek vannak megadva, amelyek a Laplace-transzformációkat más funkcionális transzformációkkal kapcsolják össze.

Laplace-Carson transzformáció

A Laplace-Carson-transzformációt (néha csak Carson-transzformációnak hívják, néha nem egészen helyesen használják a Carson-transzformációt, Laplace-transzformációnak nevezik) a Laplace-transzformációból kapjuk, ha a képet egy komplex változóval megszorozzuk:

A Carson-transzformációt széles körben alkalmazzák az elektromos áramkörök elméletében, hiszen egy ilyen transzformációnál a kép és az eredeti méretei egybeesnek, így az átviteli függvények együtthatóinak fizikai jelentése van.

Kétirányú Laplace transzformáció

A kétoldalas Laplace -transzformációt a következő képlet segítségével kapcsoljuk össze az egyoldalas Laplace-transzformációval:

Fourier transzformáció

A folytonos Fourier-transzformáció ekvivalens a kétoldalas Laplace-transzformációval, összetett argumentummal :

Megjegyzés: Ezek a kifejezések kihagyják a skálázási tényezőt , amely gyakran szerepel a Fourier-transzformáció definícióiban.

A Fourier - és Laplace - transzformációk közötti kapcsolatot gyakran használják egy jel vagy dinamikus rendszer frekvenciaspektrumának meghatározására .

Mellin transzformáció

A Mellin-transzformáció és az inverz Mellin-transzformáció a változók egyszerű megváltoztatásával kapcsolódik a kétoldali Laplace-transzformációhoz. Ha a Mellin transzformációban

beállítjuk , akkor megkapjuk a kétoldalas Laplace transzformációt.

Z-transzformáció

A transzformáció egy rácsfüggvény  Laplace-transzformációja, amelyet változók változtatásával hajtunk végre:

ahol  a mintavételezési periódus és  a jel mintavételezési frekvenciája .

A kapcsolatot a következő összefüggéssel fejezzük ki:

Borel transzformáció

A Borel -transzformáció integrál alakja megegyezik a Laplace-transzformációval, van egy általánosított Borel-transzformáció is , amellyel a Laplace-transzformáció használatát kiterjesztik a függvények szélesebb osztályára.

Lásd még

Jegyzetek

  1. Az orosz irodalomban is jelölik . Lásd például Ditkin V. A., Kuznetsov P. I. Handbook of Operational Calculus: Fundamentals of Theory and Tables of Formulas. - M . : Állami Műszaki és Elméleti Irodalmi Kiadó, 1951. - 256 p.
  2. Zheverzheev V.F., Kalnitsky L.A., Sapogov N.A. A felsőoktatási intézmények speciális felsőfokú matematikai kurzusa. - M., Felsőiskola , 1970. - p. 231
  3. Vascsenko-Zakharchenko M.E. Szimbolikus számítás és alkalmazása lineáris differenciálegyenletek integrálására. - Kijev, 1862.
  4. Kisméretű pilóta nélküli légijárművek csoportjának automatikus vezérlőrendszerének felépítése  // Információs technológiák és számítástechnikai rendszerek. — 2018-03-20. — ISSN 2071-8632 . - doi : 10.14357/20718632180109 .

Irodalom

Linkek