6-2拉普拉斯变换的反演

拉普拉斯变换的基本性质、变换及反变换1.表A-1 拉氏变换的基本性质2．表A-2 常用函数的拉氏变换和z变换表3． 用查表法进行拉氏反变换用查表法进行拉氏反变换的关键在于将变换式进行部分分式展开，然后逐项查表进行反变换。

设)(s F 是s 的有理真分式1110111)()()(a s a s a s a b s b s b s b s A s B s F n n n n m m m m ++++++++==---- （m n >） 式中系数n n a a a a ,,...,,110-，m m b b b b ,,,110- 都是实常数；n m ,是正整数。

按代数定理可将)(s F 展开为部分分式。

分以下两种情况讨论。

① 0)(=s A 无重根这时，F(s)可展开为n 个简单的部分分式之和的形式。

∑=-=-++-++-+-=ni ii n n i i s s c s s c s s c s s c s s c s F 12211)( （F-1）式中，n s s s ,,,21 是特征方程A(s)＝0的根。

i c 为待定常数，称为F(s)在i s 处的留数，可按下式计算： )()(lim s F s s c i s s i i-=→ （F-2）或iss i s A s B c ='=)()( （F-3）式中，)(s A '为)(s A 对s 的一阶导数。

根据拉氏变换的性质，从式（F-1）可求得原函数[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==∑=--n i i i s s c L s F L t f 111)()(＝ts n i i ie c -=∑1(F-4)②0)(=s A 有重根设0)(=s A 有r 重根1s ，F(s)可写为())()()()(11n r rs s s s s s s B s F ---=+=nn i i r r r r r r s s c s s c s s c s s c s s c s s c -++-++-+-++-+-++-- 11111111)()()( 式中，1s 为F(s)的r 重根，1+r s ，…, n s 为F(s)的n-r 个单根；其中，1+r c ，…, n c 仍按式(F-2)或(F-3)计算，r c ，1-r c ，…, 1c 则按下式计算：)()(lim 11s F s s c r s s r -=→)]()([lim111s F s s dsdc r s s r -=→-)()(lim !11)()(1s F s s dsd j c r j j s s jr -=→- (F-5))()(lim )!1(11)1()1(11s F s s dsd r c r r r s s --=--→原函数)(t f 为 [])()(1s F Lt f -=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++-++-+-++-+-=++---n n i i r r r r r r s s c s s c s s c s s c s s c s s c L 111111111)()()( t s nr i i t s r r r r ie c e c t c t r c t r c ∑+=---+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++-+-=1122111)!2()!1(（F-6）。

拉普拉斯变换的反演公式
拉普拉斯变换是一种重要的数学工具，它可以将一个函数从时间域转换到频率域。

在工程学、物理学、数学和其他领域中，拉普拉斯变换被广泛应用。

在这篇文章中，我们将探讨拉普拉斯变换的反演公式。

拉普拉斯变换的反演公式是指，如果我们知道一个函数的拉普拉斯变换，那么我们可以通过反演公式将其转换回时间域。

具体来说，如果我们有一个函数f(t)，它的拉普拉斯变换为F(s)，那么反演公式可以表示为：
f(t) = (1/2πi) ∫γ [F(s) e^(st) ds]
其中，γ是一个逆时针围绕所有极点的曲线，i是虚数单位，e是自然对数的底数，s是复变量。

这个公式的意义是，我们可以通过对F(s)进行逆拉普拉斯变换，得到原始函数f(t)。

这个过程可以看作是将一个函数从频率域转换回时间域的过程。

需要注意的是，拉普拉斯变换的反演公式并不总是适用。

如果函数F(s)有无穷多个极点，或者它的极点不在γ内部，那么反演公式就不成立。

此外，如果F(s)的极点在γ上，那么反演公式也需要进行修正。

在实际应用中，我们通常会使用一些数值方法来计算拉普拉斯变换的反演。

这些方法包括数值逆拉普拉斯变换、快速逆拉普拉斯变换等。

这些方法可以帮助我们更快、更准确地计算反演公式。

拉普拉斯变换的反演公式是一个非常重要的数学工具，它可以帮助我们将一个函数从频率域转换回时间域。

在实际应用中，我们需要注意反演公式的适用条件，并使用适当的数值方法来计算反演。

拉普拉斯变换的反演公式
拉普拉斯变换的反演公式是：
$$f(t) = \frac{1}{2\pi i}\lim_{T\rightarrow
\infty}\int_{\gamma-iT}^{\gamma+iT} F(s) e^{st} ds$$ 其中 $F(s)$ 是 $f(t)$ 的拉普拉斯变换，$\gamma$ 是实轴上的
一个足够大的实数。

此公式表示了将函数 $F(s)$ 变换回原函数 $f(t)$ 的方法，它
是拉普拉斯变换的核心之一。

进一步的拓展包括：
1. 周期函数的拉普拉斯变换。

在这种情况下，反演公式中的
$T$ 应该是函数周期的长度。

2. 非常数系数常微分方程的解法。

使用拉普拉斯变换后，微分方
程转变为一个代数方程，可以通过求解该代数方程得到原函数 $f(t)$。

3. 与傅里叶变换的关系。

拉普拉斯变换实际上是傅里叶变换的一个拓展，可以在一些情况下使用傅里叶变换来替代拉普拉斯变换，例如当函数是因果函数（即在 $t<0$ 时等于 $0$）时。

4. 实际应用中的数值计算。

拉普拉斯变换和反演公式都可以用来进行数值计算。

由于计算区域需要取到无穷远，因此需要合适的数值方法来进行计算。

常见的方法包括复平面积分方法和数值逆拉普拉斯变换方法。

§3 拉普拉斯变换[拉普拉斯变换及其反演公式] )(t f 的拉普拉斯变换⎰∞-==0d )()]([)(t e t f t f s L t s ϕ (s 是复数，s =ωσi +)拉普拉斯变换的反演公式⎰∞+∞--==i i st s e s L i s L t f σσπϕd )(21)]([)(1)0,0(≥≥σt 积分沿着任一直线Res=a >σ来取，a 是)(t f 的增长指数，同时，积分理解为在主值意义下的.[拉普拉斯变换的存在条件] 如果)(t f 满足下面三个条件，那末它的拉普拉斯变换存在.(i) 实变量的复值函数)(t f 和)('t f 在)0(≥t 上除掉有第一类间断点（在任一有限区间上至多有有限多个）外连续；(ii) 当t <0时，)(t f =0;(iii) )(t f 是有限阶的，也就是说可以找到常数0≥a 和A >0,使得t a Ae t f ≤)( )0(≥t这里数a 称为)(t f 的增长指数，)(t f 是有界函数时，可取a =0.如果满足上面三个条件，那末L ( s )是半平面Res>a 上的解析函数.而反演公式在)(t f 的连续点处成立.[拉普拉斯变换的性质])]([)](([t f a t f a ϕϕ= (a 是常数))]([)]([)]()([t g b t f a t bg t af ϕϕϕ+=+ (a ,b 是常数) )]([)]([)]()([t g t f t g t f ϕϕϕ∙=* 式中⎰⎰-=-=*ttu u g u t f u u t g u f t g t f 0d )()(d )()()()(称为函数)(t f 和g ( t )的褶积（或卷积）.[拉普拉斯变换的主要公式表］［拉普拉斯变换表］dt )()]([)(0st e t f t f s L -∞⎰==ϕ )0Re (≥=σs⎰∞+∞--==i i st e s L is L t f σσπϕds )(21)]([)(1 )0,0(≥≥σt拉普拉斯变换表I拉普拉斯变换表II[二重拉普拉斯变换及其反演公式] 函数f (x ,y)的二重拉普拉斯变换为⎰⎰∞∞--=00d d),(),(yxeyxfqsL y q x s二重拉普拉斯变换的反演公式为⎰⎰∞+∞-∞+∞-+-=i i i i y q x s s q e q s L y x f σσσσπ''2d d ),(41),( 其中ππππσσ<<-<<-==q s q s arg ,arg ;Re ',Re .。

第十二章拉普拉斯变换及逆变换拉普拉斯(Laplace)变换是分析和求解常系数线性微分方程的一种简便的方法，而且在自动控制系统的分析和综合中也起着重要的作用。

我们经常应用拉普拉斯变换进行电路的复频域分析。

本章将扼要地介绍拉普拉斯变换（以下简称拉氏变换）的基本概念、主要性质、逆变换以及它在解常系数线性微分方程中的应用。

第一节拉普拉斯变换（3）拉氏变换是将给定的函数通过广义积分转换成一个新的函数，它是一种积分变换。

一般来说，在科学技术中遇到的函数，它的拉氏变换总是存在的。

例12.1求斜坡函数()f t at =（0t ≥，a 为常数）的拉氏变换。

解：0000[]()[]pt ptpt pt a a a L at ate dt td e e e dt p p p +∞+∞+∞---+∞-==-=-+⎰⎰⎰二、单位脉冲函数及其拉氏变换在研究线性电路在脉冲电动势作用后所产生的电流时，要涉及到我们要介绍的脉冲函数，在原来电流为零的电路中，某一瞬时(设为0t =)进入一单位电量的脉冲，现要确定电路上的电流()i t ，以()Q t 表示上述电路中的电量，则 由于电流强度是电量对时间的变化率，即t t Q t t Q dt t dQ t i t ∆∆∆)()(lim)()(0-+==→，所以，当0t ≠时，()0i t =；当0t =时，0000→→→→εεεε，即1)]([=t L δ。

例12.3现有一单位阶跃输入0,()1,t u t t <⎧=⎨≥⎩，求其拉氏变换。

解：00011[()]()1[]pt pt pt L u t u t e dt e dt e p p+∞+∞---+∞===-=⎰⎰，(0)p >。

例12.4求指数函数()at f t e =（a 为常数）的拉氏变换。

解：()001[]atat ptp a t L e e e dt e dt p a+∞+∞---===-⎰⎰，()p a >，即类似可得22[sin ](0)L t p p ωωω=>+；22[cos ](0)pL t p p ωω=>+。