WikiSort.ru - Не сортированное

Преобразова́ние Лапла́са (ℒ) — интегральное преобразование, связывающее функцию ${\displaystyle \ F(s)}$ комплексного переменного (изображение) с функцией ${\displaystyle \ f(x)}$ вещественного переменного (оригинал). С его помощью исследуются свойства динамических систем и решаются дифференциальные и интегральные уравнения.

Одной из особенностей преобразования Лапласа, которые предопределили его широкое распространение в научных и инженерных расчётах, является то, что многим соотношениям и операциям над оригиналами соответствуют более простые соотношения над их изображениями. Так, свёртка двух функций сводится в пространстве изображений к операции умножения, а линейные дифференциальные уравнения становятся алгебраическими.

Определение

Свойства и теоремы

• Абсолютная сходимость

Если интеграл Лапласа абсолютно сходится при ${\displaystyle \sigma =\sigma _{0}}$ , то есть существует предел

${\displaystyle \lim _{b\to \infty }\int \limits _{0}^{b}|f(x)|e^{-\sigma _{0}x}\,dx=\int \limits _{0}^{\infty }|f(x)|e^{-\sigma _{0}x}\,dx,}$

то он сходится абсолютно и равномерно для ${\displaystyle \sigma \geqslant \sigma _{0}}$ и ${\displaystyle F(s)}$  — аналитическая функция при ${\displaystyle \sigma \geqslant \sigma _{0}}$ (${\displaystyle \sigma =\mathrm {Re} \,s}$  — вещественная часть комплексной переменной ${\displaystyle s}$ ). Точная нижняя грань ${\displaystyle \sigma _{a}}$ множества чисел ${\displaystyle \sigma }$ , при которых это условие выполняется, называется абсциссой абсолютной сходимости преобразования Лапласа для функции ${\displaystyle f(x)}$ .

• Условия существования прямого преобразования Лапласа

Преобразование Лапласа ${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f(x)\}}$ существует в смысле абсолютной сходимости в следующих случаях:

1. ${\displaystyle \sigma \geqslant 0}$ : преобразование Лапласа существует, если существует интеграл ${\displaystyle \int \limits _{0}^{\infty }|f(x)|\,dx}$ ;
2. ${\displaystyle \sigma >\sigma _{a}}$ : преобразование Лапласа существует, если интеграл ${\displaystyle \int \limits _{0}^{x_{1}}|f(x)|\,dx}$ существует для каждого конечного ${\displaystyle x_{1}>0}$ и ${\displaystyle |f(x)|\leqslant Ke^{\sigma _{a}x}}$ для ${\displaystyle x>x_{2}\geqslant 0}$ ;
3. ${\displaystyle \sigma >0}$ или ${\displaystyle \sigma >\sigma _{a}}$ (какая из границ больше): преобразование Лапласа существует, если существует преобразование Лапласа для функции ${\displaystyle f'(x)}$ (производная от ${\displaystyle f(x)}$ ) для ${\displaystyle \sigma >\sigma _{a}}$ .

Примечание: это достаточные условия существования.

• Условия существования обратного преобразования Лапласа

Для существования обратного преобразования Лапласа достаточно выполнение следующих условий:

1. Если изображение ${\displaystyle F(s)}$  — аналитическая функция для ${\displaystyle \sigma \geqslant \sigma _{a}}$ и имеет порядок меньше −1, то обратное преобразование для неё существует и непрерывно для всех значений аргумента, причём ${\displaystyle {\mathcal {L}}^{-1}\{F(s)\}=0}$ для ${\displaystyle t\leqslant 0}$ .
2. Пусть ${\displaystyle F(s)=\varphi [F_{1}(s),\;F_{2}(s),\;\ldots ,\;F_{n}(s)]}$ , так что ${\displaystyle \varphi (z_{1},\;z_{2},\;\ldots ,\;z_{n})}$ аналитична относительно каждого ${\displaystyle z_{k}}$ и равна нулю для ${\displaystyle z_{1}=z_{2}=\ldots =z_{n}=0}$ , и ${\displaystyle F_{k}(s)={\mathcal {L}}\{f_{k}(x)\}\;\;(\sigma >\sigma _{ak}\colon k=1,\;2,\;\ldots ,\;n)}$ , тогда обратное преобразование существует и соответствующее прямое преобразование имеет абсциссу абсолютной сходимости.

Примечание: это достаточные условия существования.

• Теорема о свёртке

Преобразованием Лапласа свёртки двух оригиналов является произведение изображений этих оригиналов:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f(x)*g(x)\}={\mathcal {L}}\{f(x)\}\cdot {\mathcal {L}}\{g(x)\}.}$

• Умножение изображений

${\displaystyle f(x)g(0)+\int \limits _{0}^{x}f(x-\tau )g'(\tau )\,d\tau =sF(s)G(s).}$

Левая часть этого выражения называется интегралом Дюамеля, играющим важную роль в теории динамических систем.

• Дифференцирование и интегрирование оригинала

Изображением по Лапласу первой производной от оригинала по аргументу является произведение изображения на аргумент последнего за вычетом оригинала в нуле справа:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f'(x)\}=s\cdot F(s)-f(0^{+}).}$

В более общем случае (производная ${\displaystyle n}$ -го порядка):

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f^{(n)}(x)\}=s^{n}\cdot F(s)-s^{n-1}f(0^{+})-s^{n-2}f^{(1)}(0^{+})-\ldots -sf^{(n-2)}(0^{+})-f^{(n-1)}(0^{+}).}$

Изображением по Лапласу интеграла от оригинала по аргументу является изображение оригинала, делённое на свой аргумент:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\left\{\int \limits _{0}^{x}f(t)\,dt\right\}={\frac {F(s)}{s}}.}$

• Дифференцирование и интегрирование изображения

Обратное преобразование Лапласа от производной изображения по аргументу есть произведение оригинала на свой аргумент, взятое с обратным знаком:

${\displaystyle {\mathcal {L}}^{-1}\{F'(s)\}=-xf(x).}$

Обратное преобразование Лапласа от интеграла изображения по аргументу есть оригинал этого изображения, делённый на свой аргумент:

${\displaystyle {\mathcal {L}}^{-1}\left\{\int \limits _{s}^{+\infty }F(s)\,ds\right\}={\frac {f(x)}{x}}.}$

• Запаздывание оригиналов и изображений. Предельные теоремы

Запаздывание изображения:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{e^{ax}f(x)\}=F(s-a);}$

${\displaystyle {\mathcal {L}}^{-1}\{F(s-a)\}=e^{ax}f(x).}$

Запаздывание оригинала:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f(t-a)H(t-a)\}=e^{-as}F(s);}$

${\displaystyle {\mathcal {L}}^{-1}\{e^{-as}F(s)\}=f(x-a)H(x-a).}$

где ${\displaystyle H(x)}$  — функция Хевисайда.

Теоремы о начальном и конечном значении (предельные теоремы):

${\displaystyle f(\infty )=\lim _{s\to 0}sF(s)}$ , если все полюсы функции ${\displaystyle sF(s)}$ находятся в левой полуплоскости.

Теорема о конечном значении очень полезна, так как описывает поведение оригинала на бесконечности с помощью простого соотношения. Это, например, используется для анализа устойчивости траектории динамической системы.

• Другие свойства

Линейность:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{af(x)+bg(x)\}=aF(s)+bG(s).}$

Умножение на число:

${\displaystyle {\mathcal {L}}\{f(ax)\}={\frac {1}{a}}F\left({\frac {s}{a}}\right).}$

Прямое и обратное преобразование Лапласа некоторых функций

Ниже представлена таблица преобразования Лапласа для некоторых функций.

№	Функция	Временная область ${\displaystyle x(t)={\mathcal {L}}^{-1}\{X(s)\}}$	Частотная область ${\displaystyle X(s)={\mathcal {L}}\{x(t)\}}$	Область сходимости для причинных систем
1	дельта-функция	${\displaystyle \delta (t)\ }$	${\displaystyle 1\ }$	${\displaystyle \forall s\ }$
1a	запаздывающая дельта-функция	${\displaystyle \delta (t-\tau )\ }$	${\displaystyle e^{-\tau s}\ }$
2	запаздывание ${\displaystyle n}$ -го порядка с частотным сдвигом	${\displaystyle {\frac {(t-\tau )^{n}}{n!}}e^{-\alpha (t-\tau )}\cdot H(t-\tau )}$	${\displaystyle {\frac {e^{-\tau s}}{(s+\alpha )^{n+1}}}}$	${\displaystyle s>0}$
2a	степенная ${\displaystyle n}$ -го порядка	${\displaystyle {\frac {t^{n}}{n!}}\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {1}{s^{n+1}}}}$	${\displaystyle s>0}$
2a.1	степенная ${\displaystyle q}$ -го порядка	${\displaystyle {\frac {t^{q}}{\Gamma (q+1)}}\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {1}{s^{q+1}}}}$	${\displaystyle s>0}$
2a.2	функция Хевисайда	${\displaystyle H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {1}{s}}}$	${\displaystyle s>0}$
2b	функция Хевисайда с запаздыванием	${\displaystyle H(t-\tau )\ }$	${\displaystyle {\frac {e^{-\tau s}}{s}}}$	${\displaystyle s>0}$
2c	«ступенька скорости»	${\displaystyle t\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {1}{s^{2}}}}$	${\displaystyle s>0}$
2d	${\displaystyle n}$ -го порядка с частотным сдвигом	${\displaystyle {\frac {t^{n}}{n!}}e^{-\alpha t}\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {1}{(s+\alpha )^{n+1}}}}$	${\displaystyle s>-\alpha }$
2d.1	экспоненциальное затухание	${\displaystyle e^{-\alpha t}\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {1}{s+\alpha }}}$	${\displaystyle s>-\alpha \ }$
3	экспоненциальное приближение	${\displaystyle (1-e^{-\alpha t})\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {\alpha }{s(s+\alpha )}}}$	${\displaystyle s>0\ }$
4	синус	${\displaystyle \sin(\omega t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {\omega }{s^{2}+\omega ^{2}}}}$	${\displaystyle s>0\ }$
5	косинус	${\displaystyle \cos(\omega t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {s}{s^{2}+\omega ^{2}}}}$	${\displaystyle s>0\ }$
6	гиперболический синус	${\displaystyle \mathrm {sh} \,(\alpha t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {\alpha }{s^{2}-\alpha ^{2}}}}$	${\displaystyle s>|\alpha |\ }$
7	гиперболический косинус	${\displaystyle \mathrm {ch} \,(\alpha t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {s}{s^{2}-\alpha ^{2}}}}$	${\displaystyle s>|\alpha |\ }$
8	экспоненциально затухающий синус	${\displaystyle e^{-\alpha t}\sin(\omega t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {\omega }{(s+\alpha )^{2}+\omega ^{2}}}}$	${\displaystyle s>-\alpha \ }$
9	экспоненциально затухающий косинус	${\displaystyle e^{-\alpha t}\cos(\omega t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle {\frac {s+\alpha }{(s+\alpha )^{2}+\omega ^{2}}}}$	${\displaystyle s>-\alpha \ }$
10	корень ${\displaystyle n}$ -го порядка	${\displaystyle {\sqrt[{n}]{t}}\cdot H(t)}$	${\displaystyle s^{-(n+1)/n}\cdot \Gamma \left(1+{\frac {1}{n}}\right)}$	${\displaystyle s>0}$
11	натуральный логарифм	${\displaystyle \ln \left({\frac {t}{t_{0}}}\right)\cdot H(t)}$	${\displaystyle -{\frac {t_{0}}{s}}[\ln(t_{0}s)+\gamma ]}$	${\displaystyle s>0}$
12	функция Бесселя первого рода порядка ${\displaystyle n}$	${\displaystyle J_{n}(\omega t)\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {\omega ^{n}\left(s+{\sqrt {s^{2}+\omega ^{2}}}\right)^{-n}}{\sqrt {s^{2}+\omega ^{2}}}}}$	${\displaystyle s>0\ }$ ${\displaystyle (n>-1)\ }$
13	модифицированная функция Бесселя первого рода порядка ${\displaystyle n}$	${\displaystyle I_{n}(\omega t)\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {\omega ^{n}\left(s+{\sqrt {s^{2}-\omega ^{2}}}\right)^{-n}}{\sqrt {s^{2}-\omega ^{2}}}}}$	${\displaystyle s>|\omega |\ }$
14	функция Бесселя второго рода нулевого порядка	${\displaystyle Y_{0}(\alpha t)\cdot H(t)\ }$	${\displaystyle -{\frac {2\mathrm {arsh} (s/\alpha )}{\pi {\sqrt {s^{2}+\alpha ^{2}}}}}}$	${\displaystyle s>0\ }$
15	модифицированная функция Бесселя второго рода, нулевого порядка	${\displaystyle K_{0}(\alpha t)\cdot H(t)}$
16	функция ошибок	${\displaystyle \mathrm {erf} (t)\cdot H(t)}$	${\displaystyle {\frac {e^{s^{2}/4}\mathrm {erfc} (s/2)}{s}}}$	${\displaystyle s>0}$
Примечания к таблице: ${\displaystyle H(t)\ }$  — функция Хевисайда; ${\displaystyle \delta (t)\ }$  — дельта-функция; ${\displaystyle \Gamma (z)\ }$  — гамма-функция; ${\displaystyle \gamma \ }$  — постоянная Эйлера — Маскерони; ${\displaystyle t\ }$  — вещественная переменная; ${\displaystyle s\ }$  — комплексная переменная; ${\displaystyle \alpha \ }$ , ${\displaystyle \beta \ }$ , ${\displaystyle \tau \ }$ и ${\displaystyle \omega \ }$  — вещественные числа; ${\displaystyle n\ }$  — целое число. Причинная система — система, в которой импульсная передаточная функция ${\displaystyle h(t)\ }$ равна нулю для любого момента времени ${\displaystyle t<0\ }$ .

Применения преобразования Лапласа

Преобразование Лапласа находит широкое применение во многих областях математики (операционное исчисление), физики и техники:

• Решение систем дифференциальных и интегральных уравнений — с помощью преобразования Лапласа легко переходить от сложных понятий математического анализа к простым алгебраическим соотношениям.^[2]
• Расчёт передаточных функций динамических систем, таких, к примеру, как аналоговые фильтры.
• Расчёт выходных сигналов динамических систем в теории управления и обработке сигналов — так как выходной сигнал линейной стационарной системы равен свёртке её импульсной характеристики с входным сигналом, преобразование Лапласа позволяет заменить эту операцию на простое умножение.
• Расчёт электрических схем. Производится путём решения дифференциальных уравнений, описывающих схему операторным методом.
• Решение нестационарных задач математической физики.

Связь с другими преобразованиями

Библиография

• Ван дер Поль Б., Бремер Х.  Операционное исчисление на основе двустороннего преобразования Лапласа. — М.: Издательство иностранной литературы, 1952. — 507 с.
• Диткин В. А., Прудников А. П.  Интегральные преобразования и операционное исчисление. — М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1974. — 544 с.
• Диткин В. А., Кузнецов П. И.  Справочник по операционному исчислению: Основы теории и таблицы формул. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951. — 256 с.
• Карслоу Х., Егер Д.  Операционные методы в прикладной математике. — М.: Издательство иностранной литературы, 1948. — 294 с.
• Кожевников Н. И., Краснощёкова Т. И., Шишкин Н. Е.  Ряды и интегралы Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразования Лапласа. — М.: Наука, 1964. — 184 с.
• Краснов М. Л., Макаренко Г. И.  Операционное исчисление. Устойчивость движения. — М.: Наука, 1964. — 103 с.
• Микусинский Я.  Операторное исчисление. — М.: Издательство иностранной литературы, 1956. — 367 с.
• Романовский П. И.  Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразования Лапласа. — М.: Наука, 1980. — 336 с.

См. также

• Первая теорема разложения
• Вторая теорема разложения
• Преобразование Фурье
• D с чертой-преобразование
• Дифференциальные уравнения

Ссылки

	Преобразование Лапласа на Викискладе

• Преобразование Лапласа и его некоторые свойства (dsplib.org)
• Преобразование Лапласа на сайте exponenta.ru

Примечания