复变函数:拉普拉斯逆变换、常见性质、解微分方程的一般通法

目录

一、拉普拉斯逆变换

(1)傅里叶变换中的F(w)辅助函数

(2)借助傅里叶逆变换还原成f(t),得到拉普拉斯逆变换公式

二、拉普拉斯变换的常见性质

(1)线性性质

(2)时移性质

(3)频移性质

(4)时域微分性质:1阶微分

(5)时域微分性质:高阶

(6)时域缩放性质

(7)时域积分性质

(8)频域微分性质

三、利用拉普拉斯变换求解常微分方程


一、拉普拉斯逆变换

在学完拉普拉斯正变换后,已经可以把任意函数压缩成为绝对可积形式,从而使用傅里叶变换。但万一题目给我们的是拉普拉斯变换的结果G(w),如何反过来求解原信号函数f(t)呢?这就是拉普拉斯反演公式(也称为拉普拉斯逆变换)的由来。

即类似傅里叶逆变换,将频域转换为时域。在后续我们使用拉普拉斯变换化简微分方程时候就需要用到,所以先来推导一下。

(1)傅里叶变换中的F(w)辅助函数

也就是说:衰减后函数g(t)的傅里叶变换,等价于原函数f(t)的拉普拉斯变换

(2)借助傅里叶逆变换还原成f(t),得到拉普拉斯逆变换公式

其实在写到这里的时候,我产生了一个疑问:为什么傅里叶变换中明明只用了i这样的虚数单位即可,而你拉普拉斯却要用S=σ+iw这样的完整复数呢?

查阅资料后得知,傅里叶变换只能处理σ=0情况的纯虚频率,只能分析绝对可积的信号。**即傅里叶从时域转换得到的频域是一个纯虚频域。**而拉普拉斯既然是傅里叶的推广,必定会将频域升级成完整的复数域。其中实部σ用来帮助信号衰减到可用范围;虚部w则是傅里叶的功能,用来分析频谱组成。

其次,拉普拉斯正变换天然就是关于s的函数(只不过一般我们初学习惯写成S=σ+iw的形式),所以拉普拉斯逆变换也得是对偶形式,同样是关于s的函数。

最后,写成s的形式容易套用复变函数中曾学过的留数定理,从而用极点的留数和来等效替代这个积分结果,方便运算。
还有一点容易记混淆:

拉普拉斯正变换的上下限是(0,+∞)时间;而逆变换的上下限则是(σ-i∞,σ+i∞)频域。

这是因为正变换是对信号源做了变换,而信号本身就规定了从0时刻才产生有;而逆变换则是对频率w积分,天然不与现实中的时间挂钩。其中频域是由正、负两种频域组成的,他们与实数域的频率关系是由欧拉公式决定的,所以不要再认为负频域没有用处啦:

二、拉普拉斯变换的常见性质

拉普拉斯变换在推导各种性质的时候,其实和傅里叶一样,对原函数f(t)改写就只改写这一部分,而e^-st保持不动;对像函数改写就保持原函数不变。最终再利用变量代换得到性质即可。

(1)线性性质

(2)时移性质

时移中正负号保持不变。

(3)频移性质

频移中正负号要取反。

(4)时域微分性质:1阶微分

(5)时域微分性质:高阶

这个式子非常关键,一定要牢记,这就是解常微分方程的原理。

(6)时域缩放性质

(7)时域积分性质

既然时域微分性质是后续用拉普拉斯变换接微分方程的关键,那么它的对立面积分有么有什么用处呢?

由于时域微分性质是S*F(s)+f(0)有关的多项式,则由于积分和微分是对偶形式,所以时域积分性质是F(s)/s-y(0)相关多项式。

不过不同的是,由于此时关于y(0)的在一阶情况下只有一项,且值为0,所以在后续升级成高阶的时候,只需要把S改写成S^n即可,相较于时域微分性质少了后面多项式小尾巴。

(8)频域微分性质

这个性质我感觉用的不多,所以也就不用记忆啦。

三、利用拉普拉斯变换求解常微分方程

关于这个等式右侧的查表法得到的激励公式,是需要大家记忆常见的公式的,因为可能考试并不会直接给你一张表。这个公式本质是用拉普拉斯逆变换+留数定理得到的结果,这其中可能会用到围道积分、约当引理等公式。我们下一篇文章将详细讲解。