Преобразова́ние Лапла́са
(ℒ) —
интегральное преобразование
, связывающее функцию
комплексного переменного (
изображение
) с функцией
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
Прямое преобразование Лапласа
Преобразованием Лапласа
функции
вещественной переменной
называется функция
комплексной переменной
, такая что:
-
Правая часть этого выражения называется
интегралом Лапласа
.
Функцию
называют оригиналом в преобразовании Лапласа, а функцию
называют изображением функции
.
В литературе связь между оригиналом и изображением часто обозначают так:
и
, причём изображение принято записывать с заглавной буквы.
Обратное преобразование Лапласа
Обратным преобразованием Лапласа
функции
комплексного переменного
называется функция
вещественной переменной, такая что:
-
где
— некоторое вещественное число (см.
). Правая часть этого выражения называется
интегралом Бромвича
.
Двустороннее преобразование Лапласа
Двустороннее преобразование Лапласа — обобщение на случай задач, в которых для функции
участвуют значения
.
Двустороннее преобразование Лапласа определяется следующим образом:
-
Дискретное преобразование Лапласа
Применяется в сфере систем компьютерного управления. Дискретное преобразование Лапласа может быть применено для решётчатых функций.
Различают
-преобразование и
-преобразование.
-
-преобразование
Пусть
— решётчатая функция, то есть значения этой функции определены только в дискретные моменты времени
, где
— целое число, а
— период дискретизации.
Тогда, применяя преобразование Лапласа, получим:
-
-
-преобразование
Если применить следующую замену переменных:
-
получим
-преобразование:
-
Свойства и теоремы
Если
интеграл
Лапласа абсолютно сходится при
, то есть существует
предел
-
то он сходится абсолютно и равномерно для
и
—
аналитическая функция
при
(
— вещественная часть
комплексной переменной
). Точная нижняя грань
множества чисел
, при которых это условие выполняется, называется
абсциссой
абсолютной сходимости
преобразования Лапласа для функции
.
-
Условия существования прямого преобразования Лапласа
Преобразование Лапласа
существует в смысле абсолютной сходимости в следующих случаях:
-
: преобразование Лапласа существует, если существует интеграл
;
-
: преобразование Лапласа существует, если интеграл
существует для каждого конечного
и
для
;
-
или
(какая из границ больше): преобразование Лапласа существует, если существует преобразование Лапласа для функции
(
производная
от
) для
.
Примечание
: это достаточные условия существования.
-
Условия существования обратного преобразования Лапласа
Для существования обратного преобразования Лапласа достаточно выполнение следующих условий:
-
Если изображение
—
аналитическая функция
для
и имеет порядок меньше −1, то обратное преобразование для неё существует и непрерывно для всех значений аргумента, причём
для
.
-
Пусть
, так что
аналитична относительно каждого
и равна нулю для
, и
, тогда обратное преобразование существует и соответствующее прямое преобразование имеет абсциссу абсолютной сходимости.
Примечание
: это достаточные условия существования.
Преобразованием Лапласа
свёртки
двух
оригиналов
является произведение изображений этих оригиналов:
-
Доказательство
Для
свёртки
-
Преобразование Лапласа:
-
Для новой переменной
-
■
-
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:
-
В более общем случае (
производная
-го порядка):
-
Изображением по Лапласу интеграла от оригинала по аргументу является изображение оригинала, делённое на свой аргумент:
-
-
Дифференцирование и интегрирование изображения
Обратное преобразование Лапласа от производной изображения по аргументу есть произведение оригинала на свой аргумент, взятое с обратным знаком:
-
Обратное преобразование Лапласа от интеграла изображения по аргументу есть оригинал этого изображения, делённый на свой аргумент:
-
-
Запаздывание оригиналов и изображений. Предельные теоремы
Запаздывание изображения:
-
-
Запаздывание оригинала:
-
-
где
—
функция Хевисайда
.
Теоремы о начальном и конечном значении (предельные теоремы):
-
, если все полюсы функции
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.
:
-
Умножение на число:
-
Прямое и обратное преобразование Лапласа некоторых функций
Ниже представлена таблица преобразования Лапласа для некоторых функций.
№
|
Функция
|
Временная область
|
Частотная область
|
Область сходимости
для
причинных
систем
|
1
|
дельта-функция
|
|
|
|
1a
|
запаздывающая дельта-функция
|
|
|
|
2
|
запаздывание
-го порядка с частотным сдвигом
|
|
|
|
2a
|
степенная
-го порядка,
|
|
|
|
2a.1
|
степенная
-го порядка,
|
|
|
|
2a.2
|
функция Хевисайда
|
|
|
|
2b
|
функция Хевисайда с запаздыванием
|
|
|
|
2c
|
«ступенька скорости»
|
|
|
|
2d
|
-го порядка с частотным сдвигом
|
|
|
|
2d.1
|
|
|
|
|
3
|
экспоненциальное приближение
|
|
|
|
4
|
синус
|
|
|
|
5
|
косинус
|
|
|
|
6
|
гиперболический синус
|
|
|
|
7
|
гиперболический косинус
|
|
|
|
8
|
экспоненциально затухающий
синус
|
|
|
|
9
|
экспоненциально затухающий
косинус
|
|
|
|
10
|
корень
-го порядка
|
|
|
|
11
|
натуральный логарифм
|
|
|
|
12
|
функция Бесселя
первого рода
порядка
,
|
|
|
|
13
|
модифицированная функция Бесселя
первого рода
порядка
,
|
|
|
|
14
|
функция Бесселя
второго рода
нулевого порядка
|
|
|
|
15
|
модифицированная функция Бесселя
второго рода
нулевого порядка
|
|
|
|
16
|
функция ошибок
|
|
|
|
Примечания к таблице:
|
Применения преобразования Лапласа
Преобразование Лапласа находит широкое применение во многих областях
математики
(
операционное исчисление
),
физики
и
техники
:
Процедура решения дифференциального уравнения с использованием преобразования Лапласа состоит в следующем:
-
По заданному входному воздействию с помощью таблиц соответствий находят изображение.
-
По д.у. составляют передаточную функцию.
-
Находят изображение величины пунктов 1 и 2.
-
Определяют оригинал.
Связь с другими преобразованиями
Фундаментальные связи
Практически все
интегральные преобразования
имеют схожую природу и могут получаться одно из другого через выражения соответствия. Многие из них являются частными случаями других преобразований. Далее даны формулы, связывающие преобразования Лапласа с некоторыми другими функциональными преобразованиями.
Преобразование Лапласа — Карсона (иногда называют просто преобразование Карсона, иногда, не совсем корректно, используют преобразование Карсона, называя его преобразованием Лапласа) получается из преобразования Лапласа путём домножения изображения на комплексную переменную:
-
Преобразование Карсона широко используется в теории электрических цепей, так как при таком преобразовании размерности изображения и оригинала совпадают, поэтому коэффициенты передаточных функций имеют физический смысл.
Двустороннее преобразование Лапласа
связано с односторонним с помощью следующей формулы:
-
Непрерывное преобразование Фурье эквивалентно двустороннему преобразованию Лапласа с комплексным аргументом
:
-
В свою очередь, преобразование Лапласа
является преобразованием Фурье от функции
, где
— функция Хевисайда. Частоту
преобразования Фурье связывает с комплексным параметром преобразования Лапласа равенство
:
-
Благодаря домножению на затухающую экспоненту
, многие неограниченные на
функции становятся достаточно быстро затухающими, чтобы к ним было применимо преобразование Фурье. Неограниченный рост на
предотвращает функция Хевисайда
, которая зануляет функцию при отрицательных
.
Примечание:
в этих выражениях опущен масштабирующий множитель
, который часто включается в определения преобразования Фурье.
Связь между преобразованиями Фурье и Лапласа часто используется для того, чтобы определить частотный
спектр
сигнала
или
динамической системы
.
Преобразование Меллина
Преобразование Меллина
и обратное преобразование Меллина связаны с двусторонним преобразованием Лапласа простой заменой переменных. Если в преобразовании Меллина
-
положим
, то получим двустороннее преобразование Лапласа.
Z-преобразование
-преобразование
— это преобразование Лапласа решётчатой функции, производимое с помощью замены переменных:
-
где
— период
дискретизации
, а
—
частота дискретизации
сигнала.
Связь выражается с помощью следующего соотношения:
-
Преобразование Бореля
Интегральная форма
идентична преобразованию Лапласа, существует также
, с помощью которого использование преобразования Лапласа распространяется на более широкий класс функций.
См. также
Примечания
-
В отечественной литературе обозначается также через
. См., например,
Диткин В. А., Кузнецов П. И.
Справочник по операционному исчислению: Основы теории и таблицы формул. —
М.
: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951. — 256 с.
-
Жевержеев В. Ф., Кальницкий Л. А., Сапогов Н. А.
Специальный курс высшей математики для втузов. — М.,
Высшая школа
, 1970. — с. 231
-
Ващенко-Захарченко М. Е.
Символическое исчисление и приложение его к интегрированию линейных дифференциальных уравнений. — Киев, 1862.
-
// Информационные технологии и вычислительные системы. — 2018-03-20. —
ISSN
. —
doi
:
.
Литература
-
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.
Ссылки
Ссылки на внешние ресурсы
|
|
|
Словари и энциклопедии
|
|
В библиографических каталогах
|
|