Laplace-transzformáció

A matematika , a Laplace transzformáció egy szerves átalakulás , vagyis a művelet tömörítő függvény ƒ (amelyeket pozitív valós számok és a valós érték) egy új funkció az úgynevezett Laplace-transzformáció a ƒ (hagyományosan jelöljük F és meghatározott és a komplex értékek ) , integrálon keresztül .

Megjegyzés: hagyományosan t jelöljük a ƒ általános paraméterét (így képezzük ƒ ( t )), míg inkább az F átalakításának p- jét jelöljük (ezért F ( p ) -et írunk ).

A Laplace-transzformáció injektív, és számítással (vagy táblázatok segítségével) meg lehet fordítani az átalakítást. A Laplace-transzformáció nagy előnye, hogy az eredeti ƒ ( t ) függvény leggyakoribb műveletei , mint például a deriválás vagy a t változó fordítása , egy (még) egyszerűbb fordítással rendelkeznek az F ( p ) transzformáción . Így :

Ezt az átalakulást először a Laplace által 1774-ben használt formához közeli formában vezették be a valószínűségelmélet keretein belül .

A Laplace-transzformáció általánosítja a Fourier-transzformációt, amelyet a differenciálegyenletek megoldására is használnak  : ez utóbbitól eltérően figyelembe veszi a kiindulási feltételeket, és így felhasználható a mechanikus rezgések elméletében vagy az elektromosságban a kényszerű rendszerek tanulmányozása során. az átmeneti rendszer. Összefog minden olyan függvény számára, amelyek egy exponenciállal súlyozva elfogadják a Fourier-transzformációt; következésképpen a Fourier-transzformációt befogadó függvények mind elismerik a Laplace-transzformációt, de fordítva nem igaz. Általában a levezetéshez kapcsolódó tulajdonságai lehetővé teszik bizonyos differenciálegyenletek egyszerűbb kezelését, ezért széles körben használják az automatikus alkalmazásban .

Az ilyen típusú elemzés során a Laplace-transzformációt gyakran úgy értelmezik, mint egy átmenetet az időtartományból , amelyben a be- és kimenetek az idő függvényei, a frekvenciatartományba , amelyben ugyanazok a bemenetek és kimenetek a "frekvencia" függvényei. (komplex) p . Így; egyszerűen elemezni lehet a rendszer hatását a bemenetre, hogy a kimenetet egyszerű algebrai műveletek alapján adjuk meg (vö. az átviteli függvények elmélete az elektronikában vagy a mechanikában).

Meghatározás

A matematika , különösen a funkcionális elemzés , a transzformáltja Laplace egyoldali egy funkciót ƒ (esetleg széles körben elterjedt, mint például a „  Dirac funkció  ”) egy valós változó t , a pozitív támogatást , a F funkció a változó komplex p , által meghatározott:

Pontosabban, ez a képlet akkor érvényes, ha:

  1. Re ( p )> α , ahol α a konvergencia-abszcissza (az alábbiakban definiálva), –∞ ≤ α ≤ + ∞  ;
  2. és ƒ egy lokálisan integrálható függvény , pozitív támogatással, azaz nulla az I = [0, + ∞ [[0, + ∞ [] intervallumon kívül , vagy általánosabban  az eloszlások „  magja ”, amelyet az I = [ 0, + ∞ [ amelynek korlátozása az I komplementerre ebben a környéken korlátlanul differenciálható függvény (lásd Laplace kétoldalú transzformációjának cikkét ).

Ez egy ilyen csíra, amelyet itt a nyelvvel való visszaélésnek neveznek, általános támogatott funkció pozitív támogatással, és ezekre az általánosított funkciókra a Laplace transzformációja injektív módon alkalmazható.

Az α konvergencia abszcissza a következőképpen definiálható:

vagy valós-β esetén . Ekkor α a β B halmazának alsó határa, amelynek ƒ β edzett eloszlás (tehát α = + ∞, ha B üres).

A „  Dirac funkció  ” ilyen jellegű. A Laplace-transzformáció ér 1 abszcissza konvergencia -∞ .

Ennek az átalakításnak a tulajdonságai nagy hasznát adják a lineáris dinamikai rendszerek elemzésének . A legérdekesebb ezek közül a tulajdonságok közül az, hogy az integrációt és a levezetést p-vel osztássá és szorzattá alakítják át , ugyanúgy, ahogy a logaritmus a szorzást összeadássá alakítja. Így lehetővé teszi a lineáris differenciálegyenletek állandó együtthatóval történő felbontásának csökkentését affin egyenletek felbontására (amelyek megoldásai p racionális függvényei ).

A Laplace-transzformációt a mérnökök széles körben használják differenciálegyenletek megoldására és egy lineáris rendszer átviteli függvényének meghatározására . Például az elektronikában , ellentétben a Fourier-bontással, amelyet egy periodikus vagy akármelyik jel spektrumának meghatározására használnak , figyelembe veszi az állandó rendszert megelőző átmeneti rezsim létezését (példa: az alak alakjának figyelembevétele) a jel frekvenciagenerátor bekapcsolása előtt és után).

Elég, ha a differenciálegyenletet átültetjük a Laplace tartományba, hogy sokkal könnyebben kezelhető egyenletet kapjunk.

Például az egyenáramú gép tanulmányozása során:

a frekvenciatartományban válik

Laplace területén. Ez csak nulla kezdeti feltétel esetén érvényes: i (0) = 0 .

Itt használtuk a Laplace-transzformáció tulajdonságait, amelyeket az alábbiakban ismertetünk.

Megjegyzés: az „ s  ” jelölést  (Laplace változó) gyakran használják az angolszász országokban, míg a „ p  ” jelölést  különösen Franciaországban és Németországban használják.

A fentiekkel megegyező feltételek mellett meghatározzuk a Laplace- Carson- transzformációt is :

amely lehetővé teszi egy képfüggvény társítását egy változó bármely funkciójával .

Ezt az átalakítást néhány mérnök használja, mert:

Inverzió

A Laplace-transzformáció inverzióját a komplex sík integráljának segítségével hajtjuk végre. A maradék tétel használatával bebizonyítjuk a Bromwich - Mellin képletet  :

ahol γ úgy van megválasztva, hogy:

Ha ez az utolsó feltétel nem teljesül, a fenti képlet továbbra is használható, ha van olyan n egész szám , amely:

| p - n F ( p ) | olyan gyorsan 0-ra hajlamos, mint

azaz amikor:

mert | p | a végtelenségig hajlamos, | F ( p ) | polinom határolja | p |.

Ha a fenti integrálban F ( p ) -et p - n F ( p ) -re cseréljük , az egyenlőség bal oldalán találunk egy pozitív támogatást tartalmazó általánosított függvényt, amelynek n rendű deriváltja (az eloszlások értelmében) az általánosított függvény (szintén pozitív támogatással) keresték.

A gyakorlatban azonban a Bromwich-Mellin képletet kevesen használják, és a Laplace-transzformációk inverzjeit a Laplace-transzformációs táblázatokból számítják ki.

Tulajdonságok

Linearitás

A Laplace-transzformáció lineáris, vagyis bármi legyen is az f , g, valamint két a és b komplex szám  :

.

Ez a linearitás nyilvánvalóan az integráléból következik.

Folytonosság

Ha folytonos és ha a nem megfelelő integrál konvergál, akkor minden valós számra jól definiálható, és folyamatosan be van kapcsolva . Különösen ,.

Sőt, Abel-szabály érvényes itt egységesen képest x .

Holomorfia

A Laplace-transzformáció a jelentése Holomorf és származéka, n -edik jelentése ( lásd infra ).

Származék Laplace-transzformációja

Az f deriváltjára alkalmazva a Laplace-transzformáció egy additív konstansig megfelel a transzformáció p-vel való szorzásának :

. Demonstráció

Vagy kiszámításához:

Azáltal integráló részekkel , kapjuk:

vagy végül:

Lépésről lépésre vagy megismétlődéssel lehet megmutatni egymást követő levezetések esetén:

Ez az utolsó kifejezés írható mindenki számára ,

Figyeljük meg, hogy egy általánosított függvény fent megadott definíciója alapján, pozitív támogatással (a csíra fogalmának alkalmazásával), a mennyiségek általában nem nulla.

Ha viszont f pozitív funkciójú szokásos függvény, akkor a 0 - értékét mindenhol 0 + -ra kell cserélni .

Pontosabban írjuk meg, hol van a Heaviside egységlépése, és g egy folyamatosan differenciálható függvény (a szokásos értelemben) 0-os szomszédságban. Ezután Leibniz szabálya szerint

val vel

Mivel , ezért .

Nekünk is van, mert .

Most és . Definíció szerint azért , mert a monolaterális átalakulásról van szó. Így végre megkapjuk

Ezt az érvelést folytatva megkapjuk, ha g osztályú a [0, + ∞ [ ,

A mindenki számára .

Példa

Bármelyiket . Tehát és . Megvan és

. Ebből kifolyólag, Alkalmazás a Heaviside függvény deriváltjára

A Heaviside függvény értéke 0, ha t <0, 1 értéke t > 0 (értéke 0-ban nincs jelentősége). Mivel ez a funkció megszakítás nélküli, a szokásos értelemben nem levezethető. Másrészt származéka az eloszlások értelmében a Dirac „függvény” . Ő jön

mivel

Megjegyezzük, hogy ha cserélni, a képlet a levezetés szabály ƒ (0 - ) szerint ƒ (0 + ), találunk , ami hamis (mi jön vissza később). Egyes forrásoknál előfordulhat ez a hiba.

Hasonlóképpen néha a következő definíciót látjuk a Laplace-transzformációról:

A még pontatlanság ezen határt. Ha f függvény a kifejezés szokásos értelmében, pozitív alátámasztással, akkor ez egy Lebesgue-integrál, amely egybeesik a megfelelővel , mivel nulla mértékű; ebben az esetben kétértelműség nélkül is lehet írni . Nem ugyanaz, ha f „általánosított függvény”, vagyis Gelfand és Silov (in) eloszlása , ha ennek az eredeténél nem nulla a tömeg. A prototípus a Dirac eloszlás. Algebra szempontból ez az eloszlás a semleges elem a pozitívan támogatott eloszlások konvolúciós algebrájában ; és mivel a Laplace-transzformáció átalakítja a konvolúciós terméket hétköznapi termékké, ezért rendelkeznünk kell a Laplace-transzformációval . Ez azonban csak akkor lesz igaz, ha . Valójában 0-val egyenlő Laplace-transzformációt kapnánk. Ez annál inkább aberráns lenne, mivel a Laplace-transzformáció nem lenne injektív, mivel .  

Szorzás t hatványával

Az időtartományban való szorzás a jel kivételével megfelel a transzformáció n- edik deriváltjának :

. Demonstráció

(1) Tegyük fel, hogy f helyileg integrálható pozitív támogatással. Az f Laplace-transzformációját tehát - ahol a konvergencia-abszcissza jelenti - a

.

A funkció az Holomorf . Bármelyik és . Ekkor és összehasonlító növekedésekkel a függvény integrálható a [0, + ∞ [ . A függvény tehát holomorf, és deriváltját úgy kapjuk meg, hogy megkülönböztetjük az összegjel alatt  :

.

Ez bizonyítja az eredményt n = 1 esetben . Az általános eset indukcióval következik.

(2) Ez az eredmény akkor is érvényes, ha f pozitív eloszlású eloszlás.

Az inverz képlet ( n = -1 esetén ):

és érvényes, feltéve, hogy f olyan alakú, ahol g általánosított függvény pozitív támogatással. Az eredmény bemutatásának egyik módját az alábbiakban adjuk meg.

Demonstráció .

Integráció

Az integrál Laplace-transzformációja ( 0- nál eltűnő f primitívje ) megfelel az 1 / p szorzásnak  :

és ha ƒ pozitív támogatású függvény, folytonos a [0, + ∞ [felett , akkor a > 0  :

Végső érték

Tegyük fel, hogy f lokálisan integrálható pozitív támogatással. Ha az időtartomány határa létezik és véges, akkor:

(Vegye figyelembe, hogy ez az egyetlen tulajdonság, ahol 0 + jelenik meg a változónál .)

Demonstráció

Bármelyiket . Ennek a véges határnak a megléte azt jelenti, hogy a Laplace-transzformáció konvergencia-abszcisszája az .

Megvan  ; A Laplace transzformáltja IS , és természetesen . Kivonunk a , Mi tehát csökken az esetben egy függvény, ismét megjegyezte F , oly módon, hogy .

Ezután minden , van úgy, hogy minden , . Nekünk van

Vegyük . Nekünk van

és következésképpen

Ezért van egy igazi olyan, aminek és

Másrészről,

tehát léteznek olyanok, amelyek számára és

Ezért ha és

ami azt eredményezi, hogy amikor 0 + -ra hajlamos .

A feltüntetett hipotézisek elengedhetetlenek, amit a következő ellenpéldák mutatnak:

  • A függvény a + limit határértékként ismeri el, amikor t + + felé hajlik . Laplace-transzformációja és . Ennek az utolsó határnak a valóságban nincs iránya, mert az F konvergencia abszcisszája 1, ezért a 0 nem tartozik a konvergencia mező tapadásához.
  • A függvény nem fogad el korlátot, ha t + ∞-re hajlik . Laplace-transzformációja: F konvergencia-abszcisszája 0 és (ez az utolsó határ azonban ezúttal helyes).
  • Ha van racionális függvény, akkor létezik és véges, és csak akkor, ha az összes pólus a nyitott bal félsík és az origó egyesüléséhez tartozik, akkor a 0-on lévő pólus, ha létezik, egyszerű.

Kezdő érték

Ha véges konvergencia-abszcisza van, és ha létezik az időtartomány korlátja, akkor:

(Vegye figyelembe, hogy ez az egyetlen tulajdonság, ahol 0 + jelenik meg a változónál .)

Demonstráció

Bármelyiket . Megvan  ; A Laplace transzformáltja IS , és természetesen . Kivonunk a , Mi tehát csökken az esetben egy függvény, ismét megjegyezte F , oly módon, hogy .

Bármelyiket . Ez létezik a feltételezést , hogy minden t úgy, hogy mi van . Másrészről,

val vel

Legyen egy valódi, szigorúan nagyobb, mint a és a konvergencia abszcisszája . Nekünk van

ahol a megfelelő integrál konvergens, tehát mikor . Ezért van olyan igazi , hogy amint és .

Másrészről,

és ez a kifejezés arra törekszik, amikor , ezért létezik olyan valós , mint amint és . Végül, és mi

Most önkényesen kicsi, ezért ez a kifejezés hajlamos a 0-ra, amikor és .

Konvolúció

A Laplace-transzformáció a konvolúciós terméket termékké változtatja:

Periodikus függvény Laplace-transzformációja

Ha ƒ null függvény t <0 esetén, t > 0 esetén pedig periodikus T periódussal , akkor a esetén

Demonstráció

Chasles relációját használjuk az integrál lebontására minden időszakban:

Változót hajtunk végre, hogy az integrálok visszatérjenek a [0, T ] értékre

Mivel ƒ periodikus, egyszerűsíteni tudjuk az integrálokat azáltal, hogy

Csoportosítjuk a feltételeket:

Ez a geometriai sorozat konvergál (mivel e - pT <1 ). Akkor jön

Összefoglaló táblázat a Laplace-transzformáció tulajdonságairól

Az egyoldalú Laplace-transzformáció tulajdonságai
Időtartomány "P" domain Hozzászólások
Linearitás Az integráció alapvető szabályainak eredményei.
A transzformáció származéka az F. első származéka .
A transzformáció n sorrendű származékai Általánosabb forma, F ( p ) n- edik származéka .
A függvény első deriváltja az időtartományban Feltételezzük, hogy a ƒ differenciálható, és származtatottja exponenciálisan 0 felé hajlik. Alkatrészekkel történő integrációval kapható .
Második származék ƒ feltételezzük, hogy kétszer differenciálható, a második derivált konvergáló exponenciálisan a végtelenig.
A N n-edik származéka Feltételezzük, hogy ƒ n- szer differenciálható, n- edik deriváltal, amelynek végtelenül exponenciális konvergenciája van.
A Laplace-transzformáció integrálása
Integráció a Heaviside lépésfüggvénye. Az üzemeltető ( u  *  f ) ( t ) a konvolúciós termék a u ( t ) és a ƒ ( t ).
Az időskála kitágulása
Eltolás o Ezt a tulajdonságot néha csillapítási tételnek (vagy modulációs tételnek ) nevezik .
Időtartomány-váltás u ( t ) a Heaviside lépésfüggvénye ( lépésfüggvény )
Szorzás Az integrációt a Re (σ) = c függőleges vonal mentén hajtjuk végre, amely teljes egészében az F konvergencia sugarán belül helyezkedik el.
Convolution termék ƒ ( t ) és g ( t ) kiterjesztésre kerül a konvolúciós termék meghatározásához.
Komplex ragozás
Korrelációs függvény
Periodikus funkció ƒ ( t ) a T periódus periodikus függvénye oly módon, hogy . Ez az időtartomány-eltolódás tulajdonságából és a geometriai sorozatból származik.
 

Néhány szokásos átalakítás

A monolaterális Laplace-transzformáció csak pozitív támogatással rendelkező (esetleg általánosított) funkciókra érvényes. Éppen ezért ennek a táblának az időbeli függvényei többszörösek (vagy azzal vannak összeállítva) , a funkciólépés egységek (Heaviside) .

A szokásos Laplace-transzformációk táblázata
Funkció Időtartomány
Laplace-transzformáció
Konvergencia régió
1 Késleltetett Dirac terjesztés
1a A Dirac terjesztése
2 késleltetett exponenciális-monomiális
2a teljesítmény n- edik
2a.1 q- edik teljesítmény
2a.2 egységszint
2b késleltetett lépés
2c rámpa
2d exponenciális-monomiális
2d.1 exponenciális
3 exponenciális megközelítés
4 sinus
5. koszinusz
6. hiperbolikus szinusz
7 hiperbolikus koszinusz
8.
szinuszhullám exponenciális bomlása
9.
egy koszinusz-hullám exponenciális bomlása
10. n-edik gyök
11. logaritmus
12.
Az első típusú Bessel-függvény ,
sorrendben n

13.
az első típusú módosított Bessel-függvény,
n

14 hiba funkció
Megjegyzések:
  • a Heaviside funkcióját képviseli .
  • a Dirac függvényt képviseli .
  • a Gamma funkció .
  • az Euler-Mascheroni állandó .
  • , valós szám, jellemzően az időt
    jelöli , de bármilyen más mennyiséget is jelölhet.
  • komplex szám.
  • valós szám ( ).
  • , , , És valós számok.
  • egész szám.
 

Példa a Laplace-transzformáció villamos energia felhasználására

Az "R, C" nevű áramkört tekintjük, amely egy R értékű elektromos ellenállásból és egy C elektromos kapacitású kondenzátorból áll , sorba helyezve. Minden esetben úgy tekintjük, hogy az áramkört az ideális feszültséggenerátor kapcsainál helyezzük el, amely egy (általában) változó feszültséget szolgáltat u ( t ), csak a dátumok kezdőpontjának választott pillanatban, és hogy a kondenzátort kezdetben terheljük.

Így a kondenzátor q ( t ) töltésére és az áram áramára a következő kezdeti feltételek vonatkoznak:

A kondenzátor feltöltése feszültséglépéssel

A következő u ( t ) feszültséget alkalmazzuk :

és a q ( t ) választ az u ( t ) bemenetre kapcsoló differenciálegyenlet a szokásos villamosenergia-törvények alkalmazásával történik:

vagy ismét úgy, hogy beállítjuk a τ ≡ RC értéket (ennek a mennyiségnek egy időtartama van) és elosztjuk R-vel:

Az utolsó egyenlet tag-tag Laplace-transzformációját vesszük, amely Q ( p ) -t jelöli q ( t ) transzformációjába. Ez jön, figyelembe véve azt a tényt, hogy q (0 - ) = 0:

amelyet a következő formában is meg lehet írni:

az RC rendszer átviteli funkciója és a bemenet Laplace transzformációja.

Ezt az egyenletet azonnal megfordíthatjuk (a fenti táblázatból a 3. bejegyzés számát használjuk α = 1 / τ-val ):

A megoldás fizikai értelmezése nagyon egyszerű: van egy átmeneti rezsim

amely a kondenzátor progresszív töltését, az időskálát adó τ the RC mennyiséget írja le (ez egy példa a rendszer időállandójára ), állandó állapotban

amely megfelel a teljesen feltöltött kondenzátor állapotának az U 0 feszültség alatt . Könnyen kimutatható, hogy a kondenzátor 90% -ban feltöltött ( q = 0,90 Q m ) a T = τ ln (10) ≈ 2,3025 τ periódus végén .

Az (1 - e - t / τ ) kifejezés a rendszer átviteli függvénye az időtartományban.

Láthatjuk a Laplace-transzformáció egyszerű alkalmazhatóságát, amely lehetővé teszi a teljes eltérést az idő térbeli differenciálegyenlet felbontásától a " p  " tér átjárásával . Sőt, az átalakítás során figyelembe veszik a kezdeti feltételeket.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

  1. Bourlès 2010 (12.3.4. Bekezdés), Bourlès és Marinescu 2011 , 7.3.4.1.
  2. Denis-Papin és Kaufmann 1967 .
  3. J.-É. Rombaldi, Javított gyakorlatok és problémák a matematika összesítéséhez , De Boeck Supérieur ,2018( online olvasható ) , p.  193.
  4. Bourlès 2010 , p.  356.
  5. (in) Milton Abramowitz és Irene Stegun , Handbook of Matematikai függvények és képletek, grafikonok, táblázatok és matematikai [ kiadói részletek ] ( olvasható online ), fej. 29. („Laplace-transzformációk”), p. 1020: 29.2.4. és 29.2.5
  6. (in) Milton Abramowitz és Irene Stegun , Handbook of Matematikai függvények és képletek, grafikonok, táblázatok és matematikai [ kiadói részletek ] ( olvasható online ), fej. 29. („Laplace-transzformációk”), p. 1020: 29.1.1.
  7. Schwartz 1965 , VI, 2; 2.
  8. André Desbiens, „  Lineáris rendszerek és ellenőrzési GEL-2005. 3. fejezet: Laplace-transzformáció  ” , az Université Laval-on , p.  33.
  9. Bracewell 2000 , 14.1. Táblázat, p. 385.
  10. A rakatot a szorzással C.

Hivatkozások

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">