拉普拉斯变换的性质
拉普拉斯变换的性质
为了叙述方便, 在下面的性质中, 均假设所涉及的拉氏变换存在, 且满足拉普拉斯变换的定义。
- 线性性质:设 为常数,且有 , ,则有
- 相似性质:设 ,则对任一常数 有
- 微分性质:
- 导数的像函数:设 ,则有
- 其中, 应理解为
- 像函数的导数:设 ,则有
- 导数的像函数:设 ,则有
- 积分性质:
- 积分的像函数:设 ,则有
- 像函数的积分:设 ,则有
- 积分的像函数:设 ,则有
- 延迟性质:设 ,当 时, ,则对任一非负实数 有
- 必须注意的是本性质对 的要求,即当 时 。此时 在 时为零,故 应理解为 ,而不是 。因此完整的写法应为
- 相应地就有
- 位移性质:设 ,则有
- 周期函数的像函数:设 是 内以 为周期的函数,且 在一个周期内逐段光滑,则
- 卷积定理:设 , ,则有
- 时域卷积定理:
- 频域卷积定理:
例题
例题:求 的拉氏变换.
解:
由 及 ,有$$\mathcal {L} [ \cos \omega t ] = \frac {1}{2} (\mathcal {L} [ \mathrm{e}^{\mathrm{j} \omega t} ] + \mathcal {L} [ \mathrm{e}^{- \mathrm{j} \omega t} ]) = \frac {1}{2} \left (\frac {1}{s - j \omega} + \frac {1}{s + j \omega}\right) = \frac {s}{s^{2} + \omega^ {2}}.$$
同样可得
例题:已知 ,求
解:
由 及 ,有$$\mathcal {L}^{- 1} [ F (s) ] = 2 \mathcal {L}^{- 1} \left[ \frac {1}{s + 1} \right] + 3 \mathcal {L}^{- 1} \left[ \frac {1}{s - 2} \right] = 2 \mathrm{e}^{- t} + 3 \mathrm{e}^{2 t}.$$
例题:求解常微分方程$$y^{\prime \prime}(t)+ \omega^ {2} y(t)= 0, \quad y (0) = 0, \quad y^{\prime} (0) = \omega .$$
解:
对方程两边取拉氏变换, 并利用线性性质及 有$$s^{2} Y (s) - s y (0) - y^{\prime} (0) + \omega^ {2} Y (s) = 0,$$
其中 ,代入初值即得$$Y (s) = \frac {\omega}{s^{2} + \omega^ {2}}.$$
根据Laplace 变换#^90d59的结果, 有
例题:求 的拉氏变换 ( 且为正整数).
解法一:直接利用定义求解.
可得递推关系 ,又由 有$$\mathcal {L} \left[ t^{m} \right] = \frac {m !}{s^{m + 1}}.$$
解法二:利用导数的像函数性质求解.
设 ,则 且 ,由微分性质有 ,即 $$\mathcal {L} \left[ t^{m} \right] = \frac {1}{s^{m}} \mathcal {L} \left[ m! \right] = \frac {m !}{s^{m + 1}}.$$
例题:求函数 的拉氏变换.
解:
由于已知 ,根据 有$$\mathcal {L} \left[ t \sin \omega t \right] = - \frac {\mathrm{d}}{\mathrm{d} s} \left (\frac {\omega}{s^{2} + \omega^ {2}}\right) = \frac {2 \omega s}{\left (s^{2} + \omega^ {2}\right)^{2}}.$$
例题:求函数 的拉氏变换.
解:
例题:求函数 的拉氏变换.
解:
由 及 有$$\mathcal {L} \left[ \frac {\sin t}{t} \right] = \int_{s}^{\infty} \frac {1}{1 + s^{2}} \mathrm{d} s = \operatorname{arccot} s$$
即 $$\int_{0}^{+ \infty} \frac {\sin t}{t} \mathrm{e}^{- s t} \mathrm{d} t = \operatorname{arccot} s$$
在上式中, 如果令 有 $$\int_{0}^{+ \infty} \frac {\sin t}{t} \mathrm{d} t = \frac {\pi}{2}$$
例题:计算积分 (1) (2)
解:
(1)由 ,有$$\int_{0}^{+ \infty} \mathrm{e}^{- 3 t} \cos 2 t \mathrm{d} t = \frac {s}{s^{2} + 4} \Big |_{s = 3} = \frac {3}{1 3}$$
(2) 由有$$\begin{array}{r l} \mathcal {L} \left[ \frac {1 - \cos t}{t} \right] & = \int_{s}^{\infty} \mathcal {L} [ 1 - \cos t ] \mathrm{d} s \ & = \int_{s}^{\infty} \frac {1}{s (s^{2} + 1)} \mathrm{d} s = \frac {1}{2} \ln \frac {s{2}}{s + 1} \Bigg |_{s}^{\infty} = \frac {1}{2} \ln \frac {s^{2} + 1}{s^{2}}, \end{array}$$
即$$\int_{0}^{+ \infty} \frac {1 - \cos t}{t} \mathrm{e}^{- s t} \mathrm{d} t = \frac {1}{2} \ln \frac {s^{2} + 1}{s^{2}},$$
令 得$$\int_{0}^{+ \infty} \frac {1 - \cos t}{t} \mathrm{e}^{- t} \mathrm{d} t = \frac {1}{2} \ln 2.$$
例题:设 ,求
解:
由于 , 根据 有 $$\mathcal {L} \left[ f \left (t - \frac {\pi}{2}\right) \right] = \mathcal {L} \left[ \sin \left (t - \frac {\pi}{2}\right) \right] = \mathrm{e}^{- \frac {\pi}{2} s} \mathcal {L} [ \sin t ] = \frac {1}{s^{2} + 1} \mathrm{e}^{- \frac {\pi}{2} s}.$$
按照前面的解释, 则应有$$\begin{array}{r l} \mathcal {L}^{- 1} \left[ \frac {1}{s^{2} + 1} \mathrm{e}^{- \frac {\pi}{2} s} \right] & = \sin \left (t - \frac {\pi}{2}\right) u \left (t - \frac {\pi}{2}\right) \ & = \left{ \begin{array}{l l} - \cos t, & t > \frac {\pi}{2}, \ 0, & t < \frac {\pi}{2}. \end{array} \right. \end{array}$$
例题:求 .
解:
由 ,有$$\mathcal {L}^{- 1} \left[ \frac {1}{s - 1} \mathrm{e}^{- s} \right] = \mathrm{e}^{t - 1} u (t - 1) = \left{ \begin{array}{l l} \mathrm{e}^{t - 1}, & t > 1, \ 0, & t < 1. \end{array} \right.$$
例题:求全波整流后的正弦波 的像函数.
解:
的周期为 , 故有$$\begin{array}{r l} \mathcal {L} [ f(t)] & = \frac {1}{1 - \mathrm{e}^{- s T}} \int_{0}^{T} \mathrm{e}^{- s t} \sin \omega t \mathrm{d} t \ & = \frac {1}{1 - \mathrm{e}^{- s T}} \cdot \frac {\mathrm{e}^{- s t} (- s \sin \omega t - \omega \cos \omega t)}{s^{2} + \omega^ {2}} \Bigg |_{0}^{T} \ & = \frac {\omega}{s^{2} + \omega^ {2}} \cdot \frac {1 + \mathrm{e}^{- s T}}{1 - \mathrm{e}^{- s T}} = \frac {\omega}{s^{2} + \omega^ {2}} \mathrm{cth} \frac {s \pi}{2 \omega}. \end{array}$$
例题:已知 , 求
解:
由于 ,故有