Как по изображению найти оригинал примеры

Рассмотрим
простейшие приемы нахождения оригинала
по известному изображению. Один из них
основан на использовании таблицы
изображений, которая в этом случае
рассматривается в обратном порядке, и
правил операционного исчисления. В
первую очередь это относится к теореме
смещения, интегрированию и дифференцированию
изображения и изображению свертки
функций.

Пример
12.
Найти оригинал f(t),
если
.

Решение.
Исходным можно взять соответствие

.

Операции
смещения на а
в области изображений соответствует
операция домножения на

в области оригиналов. Поэтому при а=1
имеем

.

Операции
домножения на

в области изображений соответствует
запаздывание на =2
в области оригиналов. Следовательно,

Пример
13.
Найти оригинал изображения
.

Решение.
Выделим в знаменателе полный квадрат

.

Воспользуемся
равенством
,
а также теоремой смещения. В результате
получим
.

Пример
14.
Найти оригинал, соответствующий
изображению
.

Решение.
Можно поступить так: за исходное взять
соотношение
.

Затем
воспользуемся тем, что делению на р
в области изображений соответствует
операция интегрирования в области
оригиналов:

.

Это же свойство
применим повторно:

.

Заметим,
что оригинал указанного изображения
проще можно было бы найти, если разложить
его на простейшие дроби:

.

Согласно
свойству линейности имеем

.

Пример
15.
Найти оригинал изображения

.

Решение.
Представим изображение в виде

.

Произведению
изображений

и

соответствует свертка их оригиналов

и
.
Поэтому

.

Для
этого изображения оригинал можно найти
проще, если воспользоваться тем, что
операции дифференцирования в области
изображений соответствует операция
домножения на (-t)

в области оригиналов. Поэтому

.

Очень
часто при решении практических задач
возникает необходимость нахождения
оригиналов изображений, которые
представляются в виде дробно рациональной
функции

,

в
которой старшая степень числителя
меньше старшей степени знаменателя
переменной р.

При
нахождении оригинала такой дроби
разлагают ее на сумму простых дробей с
помощью метода неопределенных
коэффициентов, известного из интегрального
исчисления. Затем находят оригиналы
для каждой простой дроби.

Пример
16
.
Найти оригинал, соответствующий
изображению

.

Решение.
Разложим данную дробь на сумму простейших
дробей. Для этого, прежде всего, найдем
корни знаменателя, решив уравнение
.
Проверкой убеждаемся, что

один из его корней. Разделим кубический
многочлен

на двучлен р+1.
В частном получим
.
Дискриминант этого трехчлена –
отрицательный, на действительные
множители он не разлагается. Разложение
данного изображения на простейшие дроби
имеет вид:

.

Отсюда

.

Полагая
в этом равенстве
,
находим
.
Затем приравниваем коэффициенты при
одинаковых степенях р:

,
.

Таким
образом,
.

В
знаменателе второй дроби выделим полный
квадрат, а в числителе – двучлен
:

.

Используя
свойство линейности , переходим в область
оригиналов. Получим

.

Заметим,
что в данном случае, прежде чем приступать
к разложению изображения на простейшие
дроби, было бы полезно воспользоваться
теоремой смещения. Для этого в исходном
изображении выделим двучлен
:

.

Тогда

.

Разложение
полученного изображения на простейшие
дроби проще, чем исходного:

;
; ; .

Оригиналом
будет функция

или
.

Задача
нахождения оригиналов, соответствующих
дробно-рациональным изображениям
упрощается, если воспользоваться
следующей краткой таблицей (табл. 3).

Таблица 3 –
Изображение – оригинал

Изображение

Оригинал

1

2

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

11

0

Продолжение табл.
3

1

2

3

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Примеры решений задач по операционному исчислению (преобразованию Лапласа)

Операционное (символическое) исчисление – это один из методов математического анализа, позволяющий в
некоторых случаях свести исследование и решение дифференциальных, псевдодифференциальных, интегральных уравнений, к более простым алгебраическим задачам.

Изучая преобразование Лапласа, мы вводим оригинал функции $f(t)$ и ее изображение $F(p)$, находимое по формуле:

$$F(p) = int_0^infty f(t) e^{-pt}dt$$

Для быстроты и удобства решения задач составлена таблица изображений и оригиналов, которая, наряду с теоремами (линейности, подобия, смещения, запаздывания), свойствами и правилами дифференцирования и интегрирования изображения/оригинала, постоянно используется в решении примеров.

В этом разделе вы найдете готовые задания разного типа: восстановление оригинала или изображения функции, нахождение свертки функций, решение ДУ, систем ДУ или интегральных уравнений с помощью преобразования Лапласа и т.д.

Полезная страница? Сохрани или расскажи друзьям

Как найти изображение функции

Задача 1. Найти изображение данного оригинала, или оригинала, удовлетворяющего данному уравнению

$$f(t)=frac{e^{2t}-e^{-3t}}{t}.$$

Задача 2. Пользуясь определением, найти изображение функции $f(t)=3^t$.

Задача 3. Найти изображение функции: $int_0^t cos tau cdot e^{-3tau}dtau. $

Задача 4. Найти изображение оригинала $f(x)$ двумя способами:
1) Вычислив интеграл $F(p) = int_0^infty f(x) e^{-px}dx$;
2) Воспользовавшись таблице изображений и свойствами преобразования Лапласа.
Оригинал задается формулой (курсочно-линейная функция, см. файл).

Как найти оригинал функции

Задача 5. Найти оригинал изображения $F(p)$, где

$$F(p)=frac{2p-1}{(p^2-4p+13)^2}.$$

Задача 6. Найти оригинал изображения

$$F(p)=frac{15p^2+3p+34}{(p^2+4p+8)(p^2-6p+5)}.$$

Задача 7. Найти оригинал для функции с помощью вычетов

$$F^*(p)=frac{1}{e^{4p}-625}.$$

Как решить ДУ (систему ДУ) операционным методом

Задача 8. Найти частное решение дифференциального уравнения с заданными начальными условиями операторным методом

$$x’+x=4e^t, x(0)=2.$$

Задача 9. Найти решение задачи Коши методами операционного исчисления

$$x”+2x’+2x=te^{-t}, quad x(0)=0, x'(0)=0.$$

Задача 10. Методом операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее заданным начальным условиям.

$$x’=x-y,\
y’=x+y,\
x(0)=2, y(0)=1.$$

Задача 11. Методом операционного исчисления найти решение задачи Коши для ДУ 3-го порядка

$$x”’+x”-2x’-5x=5e^t, quad x(0)=0, x'(0)=1, x”(0)=2.$$

Задача 12. Решите задачу Коши для системы дифференциальных уравнений с помощью преобразования Лапласа.

$$frac{dx}{dt}=x-2y,\
frac{dy}{dt}=x+3y,\
x(0)=0, y(0)=1. $$

Задача 13. C помощью формулы Дюамеля найти решение уравнения

$$x”’+x’=tg t, quad x(0)=x'(0)=x”(0)=0.$$

Задача 14. Решить систему ДУ с помощью преобразования Лапласа

$$
x’=-y+z,\
y’=z, quad x(0)=1, \
z’=-x+z;\
y(0)=z(0)=1/2.
$$

Как решить интегральное уравнение

Задача 15. Методом операционного исчисления найти решение интегрального уравнения

$$ y(t)=cos t +int_0^t (t-tau)^2 y(tau)d tau. $$

Задача 16. Решить интегральное уравнение

$$ int_0^t ch (tau) x(t-tau)d tau = t. $$

Как найти свертку функций

Задача 17. Найти свертку функций $f(t)=1$ и $phi(t)=sin 5t$.

Помощь с решением заданий

Если вам нужна помощь с решением задач и контрольных по этой и другим темам математического анализа, обращайтесь в МатБюро. Стоимость подробной консультации от 100 рублей, оформление производится в Word, срок от 1 дня.

Подробнее о решении заданий с преобразованием Лапласа

Дополнительная информация

  • Онлайн-помощь по математическому анализу
  • Дифференциальные уравнения – задачи с решениями
  • Как решать ДУ с помощью операционного исчисления

Содержание

Отыскание оригинала по изображению

Рассмотрим два способа для нахождения оригинала по заданному изображению:

  • Разложение изображения на сумму элементарных дробей, оригиналы для которых можно найти по таблице.

  • Применение теорем разложения.

Разложение $F(p)$ на сумму элементарных дробей и применение основных теорем операционного исчисления

Пример 1.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
begin{split}
F(p)&=displaystylefrac{1}{p(p-1)(p^2+4)}= \
&=-frac{1}{4p}+frac{1}{5(p-1)}+frac{p-4}{20(p^2+4)}=\
&=-frac{1}{4p}+frac{1}{5(p-1)}+frac{p}{20(p^2+4)}-frac{1}{10}frac{2}{(p^2+4)}\
&\
f(t)&=-frac14+frac15e^t+frac{1}{20}mbox{cos},2t-frac{1}{10}mbox{sin},2t.
end{split}
end{equation*}

Пример 2.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{1}{p^3-8}.
end{equation*}
begin{equation*}
begin{split}
F(p)&=displaystylefrac{1}{p^3-8}= \
&=frac{1}{12(p-2)}-frac{p+4}{12(p^2+2p+4)}=\
&=frac{1}{12(p-2)}-frac{p+4}{12((p+1)^2+3^2)}=\
&=frac{1}{12(p-2)}-frac{1}{12}cdotfrac{p+1}{(p+1)^2+(sqrt{3})^2}-frac{sqrt{3}}{12}cdotfrac{sqrt{3}}{(p+1)^2+(sqrt{3})^2}.\
&\
f(t)&=frac{1}{12}e^{2t}-frac{1}{12}e^{-t}(mbox{cos},tsqrt{3}+sqrt{3},mbox{sin},tsqrt{3}).
end{split}
end{equation*}

Пример 3.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
begin{split}
F(p)&=displaystylefrac{1}{p+2p^2+p^3}=displaystylefrac{1}{p(p+1)^2}.
end{split}
end{equation*}
Можно разложить на сумму элементарных дробей, а можно использовать теорему об интегрировании оригинала. Воспользуемся теоремой:
begin{equation*}
t,e^{-t}risingdotseq frac{1}{p^2+1},, Rightarrow ,, intlimits_0^ttau,e^{-tau},dtaurisingdotseq frac{1}{p (p+1)^2}.
end{equation*}
Вычислим интеграл и запишем оригинал $f(t)$:
begin{equation*}
intlimits_0^ttau,e^{-tau},dtau = -(t+1)e^{-t}+1 ,, Rightarrow ,,
end{equation*}
begin{equation*}
displaystylefrac{1}{p(p+1)^2} risingdotseq -(t+1)e^{-t}+1.
end{equation*}

Пример 4.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{e^{-p}}{p+1}.
end{equation*}
Воспользуемся теоремой запаздывания.
begin{equation*}
frac{1}{p+1} risingdotseq e^{-t},, Rightarrow ,,
end{equation*}
begin{equation*}
frac{e^{-p}}{p+1}=frac{e^{-1cdot p}}{p+1} risingdotseq e^{-(t-1)}cdoteta(t-1).
end{equation*}

Применение теорем разложения

Первая теорема разложения

Пусть $F(p)$ — аналитическая в окрестности $z=infty$ функция и в этой окрестности раскладывается в ряд Лорана:
begin{equation*}
F(p)=sumlimits_{k=1}^{infty}displaystylefrac{c_k}{p^k}.
end{equation*}
Тогда
begin{equation*}
F(p)risingdotseq f(t)=sumlimits_{k=1}^{infty}displaystylefrac{c_k}{(k-1)!}t^{k-1}.
end{equation*}

Вторая теорема разложения

Пусть $F(p)$ — дробно-рациональная функция и $p_1, ldots p_n$ — ее полюсы (простые или кратные).
Тогда
begin{equation*}
F(p)risingdotseq f(t)=sumlimits_{k=1}^{n}mbox{res}left(F(p_k)e^{p_kt}right).
end{equation*}

Пример 5.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{p}{(p+1)(p+2)(p+3)(p+4)}
end{equation*}
Обозначим
$$H(p)=F(p)e^{pt}.$$
Все особые точки $H(p)$ — простые полюсы:
$$p_1=-1,,, p_2=-2,,, p_3=-3,,, p_4=-4.$$
begin{equation*}
begin{split}
mbox{res}left(H(p_1)right)&=-frac16e^{-t}, \
mbox{res}left(H(p_2)right)&=e^{-2t}, \
mbox{res}left(H(p_3)right)&=-frac32e^{-3t}, \
mbox{res}left(H(p_4)right)&=frac23e^{-4t}.
end{split}
end{equation*}
Тогда по второй теореме разложения получаем:
begin{equation*}
f(t)=-frac16e^{-t}+e^{-2t}-frac32e^{-3t}+frac23e^{-4t}.
end{equation*}

Пример 6.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{1}{(p-a)(p-b)^2}
end{equation*}
По второй теореме разложения:
begin{equation*}
f(t)=frac{te^{bt}}{b-a}-frac{e^{bt}}{(b-a)^2}+frac{e^{at}}{(b-a)^2}.
end{equation*}

Пример 7.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.
begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{p^3}{(p^2+1)^2}
end{equation*}
Обозначим
$$H(p)=F(p)e^{pt}.$$
Особые точки $H(p)$ — полюсы второго порядка:
$$p_1=i,,, p_2=-i.$$
begin{equation*}
begin{split}
mbox{res}left(H(p_1right))&=frac{e^{it}(2+it)}{4}, \
mbox{res}left(H(p_2right))&=frac{e^{-it}(2-it)}{4}.
end{split}
end{equation*}
Тогда по второй теореме разложения:
begin{equation*}
f(t)=frac14left(2e^{it}+2e^{-it}+i,te^{it}-i,te^{-it}right)=mbox{cos},t-frac12,t,mbox{sin},t.
end{equation*}

Пример 8.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.

begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{p}{p^2+1}.
end{equation*}
Разложим $F(p)$ в ряд Лорана в окрестности $z=infty$:
begin{equation*}
F(p)=frac{p}{p^2}sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^n}{p^{2n}}=sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^n}{p^{2n+1}}.
end{equation*}
И по первой теореме разложения получим:
begin{equation*}
f(t)=sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^nt^{2n}}{(2n)!}=mbox{cos},t.
end{equation*}

Пример 9.
Найти оригинал $f(t)$ для заданного изображения $F(p)$.

begin{equation*}
F(p)=displaystylefrac{1}{p^2}mbox{cos}displaystylefrac{1}{p}.
end{equation*}
Разложим $F(p)$ в ряд Лорана в окрестности $z=infty$:
begin{equation*}
F(p)=frac{1}{p^2}sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^n}{(2n)!p^{2n}}=sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^n}{(2n)!p^{2n+2}}.
end{equation*}
По первой теореме разложения:
begin{equation*}
f(t)=sumlimits_{n=0}^{infty}displaystylefrac{(-1)^n}{(2n)!(2n+1)!}t^{2n+1}.
end{equation*}

Свойства преобразования Лапласа

Находить изображения, пользуясь только определением изображения, не всегда просто и удобно. Свойства преобразования Лапласа существенно облегчают задачу нахождения изображений для большого числа разнообразных функций, а также задачу отыскания оригиналов по их изображениям.

Линейность

Линейной комбинации оригиналов соответствует такая же линейная комбинация изображений, т. е. если Свойства преобразования Лапласа, Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа — постоянные числа, то Свойства преобразования Лапласа.

Используя свойства интеграла, находим

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.4.

Найти изображения функций Свойства преобразования Лапласа (Свойства преобразования Лапласа — любое число), Свойства преобразования Лапласа.

Решение:

Пользуясь свойством линейности, формулой (78.3), находим:

Свойства преобразования Лапласа

т.е.

Свойства преобразования Лапласа

Аналогично получаем формулу

Свойства преобразования Лапласа

Далее, Свойства преобразования Лапласа, т. е.

Свойства преобразования Лапласа

Наконец, Свойства преобразования Лапласа, т.е.

Свойства преобразования Лапласа

Аналогично получаем формулу

Свойства преобразования Лапласа

Подобие

Если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа , т. е. умножение аргумента оригинала на положительное число Свойства преобразования Лапласаприводит к делению изображения и его аргумента на это число.

По формуле (78.1) имеем

Свойства преобразования Лапласа

(так как безразлично, какой буквой обозначена переменная интегрирования).

Например, пусть Свойства преобразования Лапласа. Тогда

Свойства преобразования Лапласа

Смещение (затухание)

Если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, т. е. умножение оригинала на функцию Свойства преобразования Лапласа влечет за собой смещение переменной Свойства преобразования Лапласа.

В силу формулы (78.1) имеем

Свойства преобразования Лапласа

Благодаря этому свойству можно расширить таблицу соответствия между оригиналами и их изображениями:

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.5.

Найти оригинал по его изображению

Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Преобразуем данную дробь так, чтобы можно было воспользоваться свойством смещения:

Свойства преобразования Лапласа

(См. формулы (78.9), (78.10) и свойство линейности.)

Запаздывание

Если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, т. е. запаздывание оригинала на положительную величину Свойства преобразования Лапласа приводит к умножению изображения оригинала без запаздывания на Свойства преобразования Лапласа.

Положив Свойства преобразования Лапласа, получим

Свойства преобразования Лапласа

Поясним термин «запаздывание». Графики функции Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа имеют одинаковый вид, но график функции Свойства преобразования Лапласа сдвинут на Свойства преобразования Лапласа единиц вправо (см. рис. 304). Следовательно, функции Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа описывают один и тот же процесс, но процесс, описываемый функцией Свойства преобразования Лапласа, начинается с опозданием на время Свойства преобразования Лапласа.

Свойства преобразования Лапласа

Свойство запаздывания удобно применять при отыскании изображения функций, которые на разных участках задаются различными аналитическими выражениями; функций, описывающих импульсные процессы.

Функция Свойства преобразования Лапласа называется обобщенной единичной функцией (см. рис 305).

Так как Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа.

Запаздывающую функцию

Свойства преобразования Лапласа

можно записать так: Свойства преобразования Лапласа.

Пример №78.6.

Найти изображение Свойства преобразования Лапласа.

Решение:

Для того чтобы быть оригиналом, функция Свойства преобразования Лапласа должна удовлетворять условиям 1-3 (см. п. 78.1). В этом смысле исходную задачу можно понимать двояко.

Если понимать функцию Свойства преобразования Лапласа как

Свойства преобразования Лапласа

т. е. Свойства преобразования Лапласа (см. рис. 306, а), то, зная, что Свойства преобразования Лапласа (см. формулу (78.4)), Свойства преобразования Лапласа и, используя свойство линейности, находим

Свойства преобразования Лапласа

Если же понимать функцию Свойства преобразования Лапласа как

Свойства преобразования Лапласа

т. е. Свойства преобразования Лапласа (см. рис. 306, б), то, используя свойство запаздывания, находим Свойства преобразования Лапласа.

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.7.

Найти изображение функции

Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Данная функция описывает единичный импульс (см. рис. 307), который можно рассматривать как разность двух оригиналов: единичной функции Свойства преобразования Лапласа и обобщенной единичной функции Свойства преобразования Лапласа. Поэтому Свойства преобразования Лапласа.

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.8.

Найти изображение функции

Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Функция-оригинал изображена на рис. 308. Запишем ее одним аналитическим выражением, используя функции Хевисайда Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа:

Свойства преобразования Лапласа

т.е.

Свойства преобразования Лапласа

Раскроем скобки и приведем подобные слагаемые:

Свойства преобразования Лапласа

Изображение функции Свойства преобразования Лапласа будет равно

Свойства преобразования Лапласа

Замечания.

  1. Изображение периодического оригинала с периодом, равным Свойства преобразования Лапласа, есть Свойства преобразования Лапласа.
  2. Свойство опережения Свойства преобразования Лапласа
    применяется значительно реже.

Дифференцирование оригинала

Если Свойства преобразования Лапласа и функции Свойства преобразования Лапласа являются оригиналами, то

Свойства преобразования Лапласа

По определению изображения находим

Свойства преобразования Лапласа

Итак, Свойства преобразования Лапласа. Пользуясь полученным результатом, найдем изображение второй производной Свойства преобразования Лапласа:

Свойства преобразования Лапласа

Аналогично найдем изображение третьей производной Свойства преобразования Лапласа:

Свойства преобразования Лапласа

Применяя формулу (78.11) Свойства преобразования Лапласа раз, получим формулу (78.14).

Замечание. Формулы (78.11)—(78.14) просто выглядят при нулевых начальных условиях: если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа; если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, и, наконец, если Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, т. е. дифференцированию оригинала соответствует умножение его изображения на Свойства преобразования Лапласа.

Рассмотренное свойство дифференцирования оригинала вместе со свойством линейности широко используется при решении линейных дифференциальных уравнений.

Пример №78.9.

Найти изображение выражения

Свойства преобразования Лапласа

если Свойства преобразования Лапласа.

Решение:

Пусть Свойства преобразования Лапласа. Тогда, согласно формулам (78.11) — (78.13), имеем

Свойства преобразования Лапласа

Следовательно,

Свойства преобразования Лапласа

Дифференцирование изображения

Если Свойства преобразования Лапласа, то

Свойства преобразования Лапласа

т. e. дифференцированию изображения соответствует умножение его оригинала на Свойства преобразования Лапласа.

Согласно теореме 78.1 существования изображения, Свойства преобразования Лапласа является аналитической функцией в полуплоскости Свойства преобразования Лапласа. Следовательно, у нее существует производная любого порядка. Дифференцируя интеграл (78.1) по параметру Свойства преобразования Лапласа (обоснование законности этой операции опустим), получим

Свойства преобразования Лапласа

т.е. Свойства преобразования Лапласа. Тогда Свойства преобразования Лапласа, Свойства преобразования Лапласа и вообще Свойства преобразования Лапласа.

Пример №78.10.

Найти изображения функций Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Так как Свойства преобразования Лапласа, то, в силу свойства дифференцирования изображения, имеем Свойства преобразования Лапласа, т. е.

Свойства преобразования Лапласа

Далее находим Свойства преобразования Лапласа, т.е. Свойства преобразования Лапласа. Продолжая дифференцирование, получим

Свойства преобразования Лапласа

С учетом свойства смещения получаем

Свойства преобразования Лапласа

Согласно формуле (78.5), Свойства преобразования Лапласа. Следовательно,

Свойства преобразования Лапласа

т. e. Свойства преобразования Лапласа, или

Свойства преобразования Лапласа

Аналогично, используя формулы (78.6), (78.7) и (78.8), находим

Свойства преобразования Лапласа

С учетом свойства смещения и формул (78.15) и (78.16), получаем

Свойства преобразования Лапласа

Интегрирование оригинала

Если Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, т. е. интегрированию оригинала от 0 до Свойства преобразования Лапласа соответствует деление его изображения на Свойства преобразования Лапласа.

Функция Свойства преобразования Лапласа является оригиналом (можно проверить).

Пусть Свойства преобразования Лапласа. Тогда по свойству дифференцирования оригинала имеем

Свойства преобразования Лапласа

(так как Свойства преобразования Лапласа). А так как

Свойства преобразования Лапласа

то Свойства преобразования Лапласа. Отсюда Свойства преобразования Лапласа, т. е. Свойства преобразования Лапласа.

Интегрирование изображения

Если Свойства преобразования Лапласа и интеграл Свойства преобразования Лапласа сходится, то Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа, т. e. интегрированию изображения от Свойства преобразования Лапласа до Свойства преобразования Лапласа соответствует деление его оригинала на Свойства преобразования Лапласа.

Используя формулу (78.1) и изменяя порядок интегрирования (обоснование законности этой операции опускаем), получаем

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.11.

Найти изображение функции Свойства преобразования Лапласа; найти изображение интегрального синуса Свойства преобразования Лапласа.

Решение:

Так как Свойства преобразования Лапласа, то Свойства преобразования Лапласа, т.е. Свойства преобразования Лапласа. Применяя свойство интегрирования оригинала, получаем Свойства преобразования Лапласа.

Умножение изображений

Если Свойства преобразования Лапласа, то

Свойства преобразования Лапласа

Можно показать, что функция Свойства преобразования Лапласа является оригиналом.

Используя преобразование Лапласа (78.1), можно записать

Свойства преобразования Лапласа

Свойства преобразования Лапласа

Область Свойства преобразования Лапласа интегрирования полученного двукратного интеграла определяется условиями Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа (см. рис. 309).

Изменяя порядок интегрирования и полагая Свойства преобразования Лапласа, получим

Свойства преобразования Лапласа

Интеграл в правой части формулы (78.17) называется сверткой функции Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа и обозначается символом Свойства преобразования Лапласа, т. е.

Свойства преобразования Лапласа

Можно убедиться (положив Свойства преобразования Лапласа), что свертывание обладает свойством переместительности, т. е. Свойства преобразования Лапласа.

Итак, умножение оригиналов равносильно их свертыванию, т. е.

Свойства преобразования Лапласа

Пример №78.12.

Найти оригинал функций

Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Так как Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа то

Свойства преобразования Лапласа

т.е.

Свойства преобразования Лапласа

Аналогично получаем

Свойства преобразования Лапласа

Следствие 78.2. Если Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа также является оригиналом, то

Свойства преобразования Лапласа

Запишем произведение Свойства преобразования Лапласа в виде

Свойства преобразования Лапласа

или

Свойства преобразования Лапласа

Первое слагаемое в правой части есть произведение изображений, соответствующих оригиналам Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа. Поэтому на основании свойства умножения изображений и линейности можно записать Свойства преобразования Лапласа или

Свойства преобразования Лапласа

Формула (78.18) называется формулой Дюамеля.

На основании свойства переместительности свертки формулу Дюамеля можно записать в виде

Свойства преобразования Лапласа

Формулу Дюамеля можно применять для определения оригиналов по известным изображениям.

Пример №78.13.

Найти оригинал, соответствующий изображению

Свойства преобразования Лапласа

Решение:

Так как

Свойства преобразования Лапласа

то на основании формулы Дюамеля (78.18) имеем

Свойства преобразования Лапласа

Умножение оригиналов

Свойства преобразования Лапласа

Если Свойства преобразования Лапласа и Свойства преобразования Лапласа, то

Свойства преобразования Лапласа

где путь интегрирования — вертикальная прямая Свойства преобразования Лапласа (см. рис. 310) (примем без доказательства).

Резюме

Рассмотренные свойства преобразования Лапласа представляют собой основные правила (аппарат) операционного исчисления. Для удобства пользования перечислим эти свойства.

  1. Линейность: Свойства преобразования Лапласа.
  2. Подобие: Свойства преобразования Лапласа.
  3. Смещение: Свойства преобразования Лапласа.
  4. Запаздывание: Свойства преобразования Лапласа.
  5. Дифференцирование оригинала:
    Свойства преобразования Лапласа
  6. Дифференцирование изображения
    Свойства преобразования Лапласа
  7. Интегрирование оригинала: Свойства преобразования Лапласа.
  8. Интегрирование изображения: Свойства преобразования Лапласа.
  9. Умножение изображений: Свойства преобразования Лапласа Свойства преобразования Лапласа.
  10. Умножение оригиналов: Свойства преобразования Лапласа.

Таблица оригиналов и изображений

Составим краткую таблицу, устанавливающую соответствие между некоторыми оригиналами (часто встречающимися на практике) и их изображениями. Достаточно полная таблица оригиналов и изображений, позволяющая по заданному оригиналу находить изображение и наоборот, есть, в частности, в книге «Справочник по операционному исчислению» (авторы В. А. Диткин и П. И. Кузнецов).

Таблица оригиналов и изображений

Свойства преобразования Лапласа

Свойства преобразования Лапласа

На этой странице размещён полный курс лекций с примерами решения по всем разделам высшей математики:

  • Решение задач по высшей математике

Другие темы по высшей математике возможно вам они будут полезны:

Добавить комментарий