Оригинал и его изображение
Назначение . Данный сервис предназначен для нахождения онлайн оригинала f(t) по изображению F(p) . Результаты вычисления оформляются в формате Word (см. пример).
- Решение онлайн
- Видеоинструкция
Таблица оригиналов и изображений Лапласа
Изображение | Оригинал |
t | |
1 | |
e at | |
sin(ωt) | |
cos(ωt) | |
e -at sin(ωt) | |
e -at cos(ωt) | |
sh(ωt) | |
ch(ωt) |
Начальной функцией или оригиналом называют функцию f(t) действительной переменной t , удовлетворяющей следующим условиям:
- f(t)=0 при t 0 и s – некоторые вещественные числа, то |f(t)|≤Me st при t≥0.
- f(t) — кусочно-непрерывная и интегрируемая на любом конечном отрезке изменения t .
Точная нижняя грань s0 всех чисел s , для которых выполняется неравенство, называется показателем роста функции f(t) .
Теоремы запаздывания и смещения
Теорема смещения: L[e p0t f(t)] = F(p-p0).
Пример . (p+4)/((p+4) 2 +9) = e -4t cos(3t)
Преобразование Лапласа онлайн
Преобразованием Лапласа некоторой функции называется интегральное преобразование вида:
Функция называется оригиналом, функция — изображением. Причём является функцией комлексной переменной, т.е. .
В качестве примера, найдём изображение функции оригинала .
Для этого нам необходимо воспользоваться приведённой выше формулой и вычислить интеграл:
То, что функция является изображением функции записывается как или .
Важным свойством преобразования Лапласа является то, что если , то
Указанное свойство активно используется при решении дифференциальных уравнений поскольку позволяет сводить последние к алгебраическим.
Наш онлайн калькулятор, построенный на основе системы Wolfram Alpha позволяет найти преобразование Лапласа практически любой, даже очень сложной функции.
Применение преобразования Лапласа к решению
линейных дифференциальных уравнений и систем
1°. Общие сведения о преобразовании Лапласа: оригинал и изображение
Функцией-оригиналом называется комплекснозначная функция действительного переменного , удовлетворяющая следующим условиям:
2) функция интегрируема на любом конечном интервале оси ;
3) с возрастанием модуль функции растет не быстрее некоторой показательной функции, т. е. существуют числа 0″ png;base64,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» /> и такие, что для всех имеем
Изображением функции-оригинала по Лапласу называется функция комплексного переменного , определяемая равенством
при s_0″ png;base64,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» style=»vertical-align: middle;» />. Условие 3 обеспечивает существование интеграла (2).
Преобразование (2), ставящее в соответствие оригиналу его изображение , называется преобразованием Лапласа. При этом пишут .
Свойства преобразования Лапласа
Всюду в дальнейшем считаем, что
I. Свойство линейности. Для любых комплексных постоянных и
II. Теорема подобия. Для любого постоянного 0″ png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAADEAAAAQBAMAAABNQoq8AAAALVBMVEVHcEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAACttl6nAAAADnRSTlMAAcGe2BFbQSGBMfCxcU2qjNsAAADDSURBVBjTY2AgDYgvxCHB5WyyALtM9wW2HUhcDgs4006A8TGyyprjAlCWiwCjCpDNekkzACLQrA6RYnwkwKgHZK42DVFghkq5CcBlAhi4NjOwPSuGGtMJlmJ/xMCgV8DA9JSB6yXc8kg3IMEKkelTAOo2gMv4Iuypm8DA+DoArgVkGiPQbdpgGdY3DDAXQP3DAPKPiAFjkRMbiqsZ1iWwPweGkY+RafYxEL8IJsHA5jklAeSShQysIHtYEaHD2JbKwAAA/gYrl5lLD9QAAAAASUVORK5CYII=» />
III. Дифференцирование оригинала. Если есть оригинал, то
Обобщение: если раз непрерывно дифференцируема на и если есть оригинал, то
IV. Дифференцирование изображения равносильно умножению оригинала на «минус аргумент», т.е.
V. Интегрирование оригинала сводится к делению изображения на
VI. Интегрирование изображения равносильно делению на оригинала:
(предполагаем, что интеграл сходится).
VII. Теорема запаздывания. Для любого положительного числа
VIII. Теорема смещения (умножение оригинала на показательную функцию). Для любого комплексного числа
IX. Теорема умножения (Э. Борель). Произведение двух изображений и также является изображением, причем
Интеграл в правой части (14) называется сверткой функций и и обозначается символом
Теорема XI утверждает, что умножение изображений равносильно свертыванию оригиналов , т.е.
Отыскание оригиналов дробно-рациональных изображений
Для нахождения оригинала по известному изображению , где есть правильная рациональная дробь, применяют следующие приемы.
1) Эту дробь разлагают на сумму простейших дробей и находят для каждой из них оригинал, пользуясь свойствами I–IX преобразования Лапласа.
2) Находят полюсы этой дроби и их кратности . Тогда оригиналом для будет функция
где сумма берется по всем полюсам функции .
В случае, если все полюсы функции простые, т.е. , последняя формула упрощается и принимает вид
Пример 1. Найти оригинал функции , если
Решение. Первый способ. Представим в виде суммы простейших дробей
и найдем неопределенные коэффициенты . Имеем
Полагая в последнем равенстве последовательно , получаем
Находя оригиналы для каждой из простейших дробей и пользуясь свойствам линейности, получаем
Второй способ. Найдем полюсы функции . Они совпадают с нулями знаменателя . Таким образом, изображение имеет четыре простых полюса . Пользуясь формулой (17), получаем оригинал
Пример 2. Найти оригинал , если .
Решение. Данная дробь имеет полюс кратности и полюс кратности . Пользуясь формулой (16), получаем оригинал
2°. Решение задачи Коши для линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Пусть требуется найти решение дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
Будем считать, что функция и решение вместе с его производньь ми до второго порядка включительно являются функциями-оригиналами. Пусть . По правилу дифференцирования оригиналов с учетом (2) имеем
Применяя к обеим частям (1) преобразование Лапласа и пользуясь свойством линейности преобразования, получаем операторное уравнение
Решая уравнение (20), найдем операторное решение
Находя оригинал для , получаем решение уравнения (18), удовлетворяющее начальным условиям (19).
Аналогично можно решить любое уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами и с начальными условиями при .
Пример 3. Решить дифференциальное уравнение операторным методом
Решение. Пусть , тогда по правилу дифференцирования оригинала имеем
Известно, что поэтому, переходя отданной задачи (21)–(22) к операторному уравнению, будем иметь
Легко видеть, что функция удовлетворяет данному уравнению и начальному условию задачи.
Пример 4. Решить уравнение .
Решение. Так как и по условию , то операторное уравнение будет иметь вид
Отсюда находим операторное решение
Разлагаем правую часть на элементарные дроби:
Переходя к оригиналам, получаем искомое решение .
Пример 5. Решить уравнение .
Решение. Так как и по условию , то операторное уравнение будет иметь вид
и, следовательно, операторное решение
Разложим правую часть на элементарные дроби:
Переходя к оригиналам, получим решение поставленной задачи
3°. Решение систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
Пусть требуется найти решение системы двух уравнений с постоянными коэффициентами
удовлетворяющее начальным условиям
Будем предполагать, что функции , а также и являются функциями-оригиналами.
По правилу дифференцирования оригиналов с учетом (24) имеем
Применяя к обеим частям каждого из уравнений системы (23) преобразование Лапласа, получим операторную систему
Эта система является линейной алгебраической системой двух уравнений с двумя неизвестными и . Решая ее, мы найдем и , а затем, переходя к оригиналам, получим решение системы (23), удовлетворяющее начальным условиям (24). Аналогично решаются линейные системы вида
Пример 6. Найти решение системы дифференциальных уравнений операторным методом
удовлетворяющее начальному условию .
Решение. Так как и , то операторная система будет иметь вид
Решая систему, получаем
Разлагаем дроби, стоящие в правых частях, на элементарные:
Переходя к оригиналам, получим искомое решение
http://mathforyou.net/online/transform/laplace/
http://mathhelpplanet.com/static.php?p=reshenie-du-i-sistem-operatornym-metodom