22362

Свойства преобразования Лапласа

Лекция

Математика и математический анализ

2 Изображения аналитичны не только в области но и всюду кроме . В дальнейшем будем обозначать через оригиналы их изображения: 3 Непосредственно из свойств интегралов получаем: I. линейное пространство функцииоригинала с показателем роста изоморфно пространству изображения. Переходя к изображениям и интегрируя по частям получим .

Русский

2013-08-04

1.75 MB

21 чел.

Свойства преобразования Лапласа.

С использованием формулы (3) предыдущей лекции легко показать, что*

.     (2)

Изображения аналитичны не только в области , но и всюду кроме .

В дальнейшем будем обозначать через  оригиналы, - их изображения:

(3)         , …         

Непосредственно из свойств интегралов получаем:

I. Свойство линейности. Для любых постоянных  и

.      (2)

(Т.е. линейное пространство функции-оригинала с показателем роста  изоморфно пространству изображения).

На основании этого свойства, например, из функции (1) получаем

.      (3)

Аналогично,

.    (4)

II. Теорема подобия. Для любого постоянного

.          (5)

В самом деле, полагая , имеем

.

III. Дифференцирование оригинала. Если функция  непрерывна при  и  или вообще  является оригиналом, то

     (6)

или

,    (7)

где под  понимается правое предельное значение .

Доказательство. Переходя к изображениям и интегрируя по частям, получим

.

В силу того, что  имеем , т.е. первое слагаемое дает () (точнее ), а второе равно , т.е. формула (6) доказана. Применив формулу (6) дважды, получим:

Что и требовалось доказать. 

В частности, если , то

,      (8)

т.е. дифференцирование оригинала сводится к умножению на p его изображения.

IV. Дифференцирование изображения. Дифференцирование изображения сводится к умножению на  оригинала, или вообще

.       (9)

Доказательство. Так как  аналитична в полуплоскости , то ее можно дифференцировать по p, и мы получим:

,

,   (10)

что равносильно формуле (9).

В качестве примера применения свойства IV отметим, что из соотношения (1) вытекает

,       (11)

а из формул (3), (4)

.      (12)

Дальнейшие свойства преобразования Лапласа.

V. Интегрирование оригинала.

Интегрирование оригинала сводится к делению изображения на p:

.     (1)

Доказательство. Прежде всего, легко проверить, что функция  вместе с  является оригиналом, т.е. удовлетворяет условиям 1) – 3).

Тогда в силу формулы (8) предыдущего раздела имеем , откуда . Что и требовалось доказать.

VI. Интегрирование изображения. Если интеграл  сходится, то он служит изображением функции :

       (2)

(интегрирование изображения равносильно делению на t оригинала).

Доказательство. В самом деле, имеем

.

Предполагая, что путь интегрирования  весь лежит в полуплоскости , получим оценку внутреннего интеграла

,

из которой ясна его равномерная сходимость относительно . Поэтому можно изменить порядок интегрирования*:

.

Что и требовалось доказать.

Пример.

Имеем (см. предыдущий раздел)

.

Воспользовавшись свойством VI, получаем

.     (3)

Аналогично

.

VII. Теорема запаздывания. Для любого положительного

      (4)

(Включение оригинала с запаздыванием на  (см. рис.) равносильно умножению изображения на ).

Доказательство:

Так как  при , то, делая замену переменных , получим, Что и требовалось доказать.

Эту теорему удобно применять при отыскании изображения функций, которые на разных участках заданы различными аналитическими выражениями.

Пример №1:

Найти изображение ступенчатой функции (см. рис.). Имеем,

.

По теореме запаздывания:

.

Справа имеем сходящуюся геометрическую прогрессию, т.к. , поэтому

.        (5)

Пример №2:

Периодический прямоугольный импульс (см. рис.) можно записать в виде

,

поэтому по теореме запаздывания

.

III. Теорема смещения. Для любого комплексного

           (6)

(«смещение» изображения на  равносильно умножению оригинала на ).

Доказательство. Имеем:

.

Что и требовалось доказать.

Теорема позволяет по известным изображениям функций находить изображение тех же функций, умноженных на экспоненту. Например:

.

Теоремы умножения.

IX. Теорема умножения изображений. Произведение двух изображений  и  также является изображением, причем

.      (1)

Доказательство. Интеграл в правой части формулы (1) является оригиналом: свойства 1) и 2) очевидны, а для доказательства 3) заметим, что если взять число  равным наибольшему из показателей роста  и , то

.

Отсюда следует, что интеграл (1) не превосходит некоторой константы, умноженной на , где  сколь угодно мало.

Рассмотрим теперь изображение интеграла (1)

.

Справа стоит двукратный интеграл, распространенный на сектор S плоскости . Т.к. при  этот двукратный интеграл абсолютно сходится, то в нем можно изменить порядок интегрирования, и мы получим (заменяя t на )

.

Что и требовалось доказать.

Интеграл в правой части формулы (1) называется сверткой функций  и  и обозначается символом

.         (2)

Теорема IX утверждает, что умножение изображения равносильно свертыванию оригиналов:

.                  (3)

Свертка оригиналов обладает свойством симметрии (формулу (1)), т.к. левая часть (3) не меняется при перемене ролей

.

X. Теорема умножения оригиналов. Пусть даны два оригинала  и  с показателями роста  и . Их произведение также является оригиналом, причем

,         (4)

где  и .

Доказательство. В самом деле, произведение , очевидно, удовлетворяет условиям 1) - 3) для оригиналов. Его изображение

.

Возьмем  и заменим  по формуле обращения:

.

Если считать еще , то будем иметь , ибо , и внутренний интеграл можно заменить через .

Теорема доказана.

Заметим, что т.к. a можно взять сколь угодно близким к , то изображение функции  определено в плоскости , где  - показатель роста этой функции.

Теоремы разложения.

XI. Первая теорема разложения. Если  правильна в бесконечно удаленной точке и имеет в ее окрестности  лорановское разложение

,               (1)

то оригиналом  служит (умноженная на ) функция

.          (2)

При этом  является целой функцией.

Доказательство. Напомним (см. предыдущую лекцию), что если  регулярна в бесконечно удаленной точке, то . Положим  и . Функция  аналитична в круге ; следовательно, неравенства Коши дают .

Из полученных неравенств для любого комплексного  имеем:

.

Отсюда следует, во-первых, что ряд (2) сходится для всех комплексных t, т.е. является целой функцией и, во-вторых, что  для положительных t. Таким образом, функция  действительно является оригиналом. В силу равномерной сходимости ряда (2) в любом конечном круге мы можем умножить его на , проинтегрировать почленно по t от 0 до любого . Если при этом , то можно почленно интегрировать от 0 до . Так как  (см. предыдущую лекцию), то мы получаем нужное разложение (1). Что и требовалось доказать.

Замечание. Можно доказать и обратное утверждение если оригинал имеет вид , где  - целая функция, имеющая конечный порядок, т.е. удовлетворяющая неравенству , то ее изображение  правильно в бесконечно удаленной точке.

XII. Вторая теорема разложения. Пусть функция : 1) мероморфна и правильна в некоторой полуплоскости ; 2) существует система окружностей , на которой   стремится к нулю равномерно относительно ; 3) для любого  абсолютно сходится . Тогда оригиналом  служит (умноженная на ) функция

,           (3)

где сумма вычетов берется по всем особым точкам  функции  в порядке неубывания их модулей.

Доказательство. В рассматриваемых условиях применима теорема 4 предыдущей лекции, согласно которой  является изображением функции

.          (4)

Оборачиваем через  замкнутый контур, составленный из отрезка  и дуги  и проходимый против часовой стрелки. Т.к. по лемме Жордана при

,

то при  вместо (4) имеем

.      (5)

Применяя теорему Коши о вычетах, получаем, что

,

где сумма берется по всем особым точкам , лежащим внутри , а это и есть нужный результат.

Следствие. Если функция  дробно рациональна, причем степень многочлена  в числителе меньше степени многочлена  в знаменателе, то оригиналом ее служит (умноженная на ) функция

,       (6)

где  - полюсы , а  - их кратности, сумма берется по всем полюсам.

Доказательство. То, что  служит изображением, немедленно следует из свойства линейности преобразования Лапласа и формул из предыдущей лекции () на основании теоремы о разложении дробно рациональной функции на простейшие дроби. Справедливость формулы (6) следует из леммы Жордана, которая применима, т.к.  при .Поэтому справедлива и формула (3), в которой ряд заменен конечной суммой. Остается воспользоваться формулой для вычисления вычетов в плюсах, и мы получим искомую формулу (6).

Напомним, что 1 и  на самом деле равно  и  соответственно


.

* Из приведенного рассуждения следует сходимость интеграла .

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34801. Реализация и защита свободы совести и вероисповедания в РФ 432 KB
  Необходимость формирования правового механизма реализации права на свободу совести и вероисповедания связана с реальностью, когда соприкосновение со сферой религии отнюдь не исцеляет души, а ломает судьбы. И государство обязано проследить, чтобы свобода одних не оборачивалась болью для других///
34802. Пантеизм как специфическая черта натурфилософии возрождения. Диалектика ренессанса (Кузанский Бруно) социально-политическая модель Макиавелли 36.5 KB
  прямо не отрицая существования Бога она отождествляла его с природой. Теософия мудрость от Бога. Если учесть что познание от Бога а Бог непознаваем значит Бог предел познания. Бог это предел за которым нет знания но есть вера есть осознание Бога.
34803. Научная революция нового времени. Бэкон о естественной философии. Индуктивный метод. Источники заблуждений. Критика «идолов» 47 KB
  Бэкон о естественной философии. Бэкон Англия; С. В философии этого периода появляются два подхода к понятию субстанция: онтологическое понимание субстанции как предельного основания бытия основоположник Френсис Бэкон 1561 1626; гносеологическое осмысление понятия субстанция его необходимость для научного знания основоположник Джон Локк 16321704. Бэкон; рационализм Р.
34804. Рационализм декарта. Очевидность как критерий истины. Учение о врожденных истинах 44 KB
  С точки зрения Декарта непосредственные чувственные восприятия не подвергнутые анализу и проверке в свете разума могут вводить в заблуждение и не являться сами по себе гарантами достоверного познания. Скепсис Декарта скепсис методологический который должен привести к первичной достоверности. Философия Декарта является защитой не Божественного разума а нашего собственного земного человеческого.
34805. Учение о субстанции спинозы и Лейбница. Рационализм и проблема свободы 26 KB
  Субстанция одна она есть причина самой себя. Эта единая субстанция не нуждается ни в чем другом для того чтобы существовать. Природа творящая есть Бог единая субстанция. Субстанция обладает двумя главными атрибутами свойствами: 1 мышлением; 2 протяжением распространенностью Посредством этих свойств человеческий ум воспринимает субстанцию в ее конкретности.
34806. Эмпиризм: гоббс и локк. Скептицизм Юма. Субъективный идеализм Беркли 35 KB
  Юм выводит все идеи из чувственных впечатлений. Юм пытается доказать что субстанция и причинность не объективно существующие сущности не априорные идеи но что они по своему эмпирическому содержанию представляют собой исключительно ассоциации которые образуются благодаря привычным сочетаниям впечатлений. Среди постепенно появляющихся идей о вещах мы начинаем замечать определенное сходство которое позволяет дать этим понятиям одно и то же название оставляя в стороне возможные качественные и количественные различия и приобретаем...
34807. Философские идеи эпохи просвещения. Правовой идеал просвещения. Коллизия частного интереса и общей справедливости. Просветительная трактовка человека 37 KB
  Просветительная трактовка человека Выдающимися мыслителями философии Просвещения были Вольтер и Руссо Вольтер по праву считается основателем французского Просвещения. Огромное влияние на общественную жизнь Европы оказал другой представитель Просвещения Руссо. Руссо призывает к свободе. Отсюда такой интерес Руссо к принципу частной собственности с возникновением которой он связывает исчезновение первоначального равенства и чистоты общественных нравов.
34808. Кант: от субстанции у субъекту, от бытия к деятельности. Рассудок и проблема объективности познания. Явление «вещь в себе». Природа и свобода 29.5 KB
  Канта Философия Канта вершина всей истории философии до XX в. Все творчество Канта делится на два периода докритический и критический. В первый период основное внимание Кант уделял вопросам естествознания и философии природы. В нем излагается знаменитая гипотеза возникновения Вселенной из туманности что означает отказ от идеи первотолчка хотя Кант и признавал Бога в качестве создателя мира.
34809. Абсолютный идеализм и диалектический метод Гегеля. Противоречие системы и метода 41 KB
  Диалектическая философия Гегеля Романтики иенской школы Фихте Шеллинг Гегель подвергали пересмотру кантовское понятие трансцендентального субъекта. Согласно романтикам главным недостатком кантовского субъекта является его неисторический характер во многом обязанный тому что Кант противопоставил истинное знание доставляемое точными науками тем формам знания которые нам дают миф искусство язык. В качестве такого субъекта предстала особенно у Гегеля история человечества в целом. Теперь формы трансцендентальной субъективности...