Вступ
В багатьох задачах математичного аналізу розглядаються випадки, в яких кожна точка одного простору ставиться у відповідність деякій точці іншого (або того ж самого) простору. Відповідність між двома точками встановлюється за допомогою перетворення або оператора. В задачу теорії операторів входить докладний опис і класифікація різноманітних видів перетворень і їх властивостей, а також розробка символічних методів, що дозволяють мінімалізувати і спростити обчислення. Застосування операційного метода можна порівняти з логарифмуванням, коли 1) від чисел переходять до логарифмів, 2) над логарифмами проводять дії, що відповідають діям над числами, при тому множенню чисел відповідає більш проста операція складання логарифмів і т.д. 3) від найденого логарифма знов повертаються до числа. В операційному методі широко використовується перетворення Лапласа, яке перетворює певний клас функцій-оригіналів f(t) дійсної змінної t в функцію-зображення F(p) комплексної змінної p.
1. Означення перетворення Лапласа. Оригінал і зображення.
Нехай f [ t] -інтегрована на (0,Т) при довільному Т>0 функція, що дорівнює нулю при t>0 : f[t]=0 при t<0. Якщо ця функція при t>0 задовольняє оцінці:
(1.1)то можна розглянути інтеграл
(1.2)Дійсно справджується оцінка
(1.3)При виведенні (1.3) булазастосованаоцінка (1.1). З оцінки (1.3), зокрема,випливає, що
. Функція є аналітичною функцією комплексної змінної в півплощині . Для того щоб це перевірити, знаходимо поки формально: (1.4)Як і при виведенні (1.3), знаходимо
(1.5)Останнє означає що інтеграл рівномірно по Rep>aзбігається і випливає що похідна
існує при , і формула (1.4) справедлива при .Інтеграл (1.2) називається перетворенням Лапласа функції
і позначається - . В цьому випадку функція називається оригіналом, а функція –зображенням.Перетворення Лапласа можна зв’язати з перетворенням Фур’є. Дійсно з (1.2) маємо:
Де
(Перетворення Фур’є із знаком «-»)2. Властивості перетворення Лапласа L
Лінійність.
Доведення:
В силу властивостей інтеграла:
Диференціювання зображення
Для m=1 властивість вже встановлено. Для довільногоmвластивість доводиться аналогічно.
Перетворення Лапласа похідних.
Для m=1 за допомогою інтегрування частинами знаходимо
При цьому ми врахували, що виконуються наступні оцінки:
При
и . Для довільногоmвластивість 2.3 встановлюється за індукцієюЗсув перетворення Лапласа.
Доведення властивості 2.4 очевидно.
Перетворення Лапласа і його подібності.
Зсув оригінала в перетворенні Лапласа.
Доведення. Позначимо
Очевидно, щоg’[t]=f[t], g[+0]=0
Тому за допомогою інтегрування частинами знаходимо
При цьому ми врахували щоg[+0]=0 в силу умови (1.1)
при
, , .при
, , .Звідси знаходимо
Перетворення Лапласа дробуf[t]/t.
Доведення. ПозначивФ[p]=£[f[t]\t][p] . Знайдемо
Останню рівність про інтегруємо по довільному шляху від р до довільної точки z=Rez=∞
Враховуючи, що в силу (1.3) Ф[∞]=0. І отримаємо потрібну властивість (2.8).
Перетворення Лапласа згортки f*g.
Доведення. Позначимо
Очевидно, що
при t→∞При довільному έ>0. Для доведення останньої нерівності ми використовуємо також оцінку.
Звідси при
Таким чином, при Rep>a
Тут ми скористалися теоремою Фуббініі змінили порядок інтегрування.
3. Обчислення перетворення Лапласа основних функцій
1. f[t]=e
. Rep>Reλ, λ2. f[t]=Sin[ωt], ω
RЗа формулами Ейлера маємо
Sin[ωt]=
Тому за допомогою 1 маємо:
3.f[t]=cos[ωt], ω
L[cos[ωt]][p]=Доведення аналогічне.
4. f[t]=Sh[ωt], ω
RЗа означенням гіперболічних функцій Sh[ωt]=
/25.
Доведення аналогічне.
6.
За властивістю 2.2 маємо:
Зокрема
7.