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.
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.
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 .
A kétoldalas Laplace-transzformáció olyan problémák általánosítása, amelyekben a függvény értékei érintettek .
A kétoldalas Laplace-transzformációt a következőképpen határozzuk meg:
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 :
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:
Megjegyzés : ezek elegendő feltételek a létezéshez.
Az inverz Laplace-transzformáció létezéséhez elegendő a következő feltételek teljesülése:
Megjegyzés : ezek elegendő feltételek a létezéshez.
Két eredeti konvolúciójának Laplace-transzformációja ezen eredetiek képeinek szorzata:
BizonyítékLaplace 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:
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 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:
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.
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.
A kétoldalas Laplace -transzformációt a következő képlet segítségével kapcsoljuk össze az egyoldalas Laplace-transzformációval:
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 .
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.
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:
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.
Integrált transzformációk | ||
---|---|---|
|
![]() | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|