【数学 函数空间】拉普拉斯变换解微分方程步骤

高数篇(二)-- 傅里叶变换 VS 拉普拉斯变换 傅立叶变换以及拉普拉斯变换本质上都是积分变换,而傅立叶变换是拉普拉斯变换的特殊形式,而Z变换是拉普拉斯变换的离散形式。每种变换都有其应用价值,傅立叶变换在信号处理的频域分析中提供了强大的数学工具,而拉普拉斯变换在电子学、控制工程、航空航天等领域提供了建模、分析的数学分析工具;Z变换则将这些变换进而落地为数字实现提供数学理论依据。 阅读详情
AI摘要

本文介绍了使用拉普拉斯变换解微分方程的一般步骤,包括写出微分方程、对两边应用拉普拉斯正变换、求解代数方程得到Y(s)、必要时进行部分分式分解、对Y(s)进行逆变换得到y(t),同时要考虑初始条件以得到完整时域解。

拉普拉斯变换解微分方程

  • 拉普拉斯变换解微分方程的一般步骤如下:
    • 写出微分方程。
    • 对微分方程两边应用拉普拉斯正变换。
    • 求解变换后的代数方程,得到 Y(s)Y(s)Y(s)。
    • 如果需要,进行部分分式分解。
    • 对 Y(s)Y(s)Y(s)进行拉普拉斯逆变换,得到 y(t)y(t)y(t)。
    • 考虑初始条件,得到完整的时域解。

1. 写出微分方程

  • 假设有一个关于函数y(t)y(t)y(t)的微分方程:

dny(t)dtn+an−1dn−1y(t)dtn−1+⋯+a1dy(t)dt+a0y(t)=f(t) \frac{d^n y(t)}{dt^n} + a_{n-1} \frac{d^{n-1} y(t)}{dt^{n-1}} + \dots + a_1 \frac{d y(t)}{dt} + a_0 y(t) = f(t) dtndny(t)​+an−1​dtn−1dn−1y(t)​+⋯+a1​dtdy(t)​+a0​y(t)=f(t)

其中,f(t)f(t)f(t) 是已知的外部输入函数,( y(t) ) 是待求解的函数,( a_0, a_1, \dots, a_{n-1} ) 是常数。

2. 对微分方程两边应用拉普拉斯变换

拉普拉斯变换的定义是:

L{f(t)}=F(s)=∫0∞f(t)e−stdt \mathcal{L} \{ f(t) \} = F(s) = \int_0^\infty f(t) e^{-st} dt L{f(t)}=F(s)=∫0∞​f(t)e−stdt

通过对微分方程两边应用拉普拉斯变换,将微分方程中的每一项都转换为代数方程中的相应项。利用拉普拉斯变换的常用公式:

  • L{dny(t)dtn}=snY(s)−sn−1y(0)−sn−2dy(0)dt−⋯−y(n−1)(0)\mathcal{L} \left\{ \frac{d^n y(t)}{dt^n} \right\} = s^n Y(s) - s^{n-1} y(0) - s^{n-2} \frac{dy(0)}{dt} - \dots - y^{(n-1)}(0)L{dtndny(t)​}=snY(s)−sn−1y(0)−sn−2dtdy(0)​−⋯−y(n−1)(0)

对于每个导数项,拉普拉斯变换会产生相应的sss-域表达式。Y(s)Y(s)Y(s) 是 y(t)y(t)y(t) 的拉普拉斯变换,y(0),y′(0),…y(0), y'(0), \dotsy(0),y′(0),…是初始条件。

  • 假设有一个二阶微分方程:

d2y(t)dt2+3dy(t)dt+2y(t)=f(t) \frac{d^2 y(t)}{dt^2} + 3\frac{d y(t)}{dt} + 2 y(t) = f(t) dt2d2y(t)​+3dtdy(t)​+2y(t)=f(t)

应用拉普拉斯变换后:

s2Y(s)−sy(0)−y′(0)+3(sY(s)−y(0))+2Y(s)=F(s) s^2 Y(s) - s y(0) - y'(0) + 3(s Y(s) - y(0)) + 2 Y(s) = F(s) s2Y(s)−sy(0)−y′(0)+3(sY(s)−y(0))+2Y(s)=F(s)

3. 代数方程求解

将变换后的方程整理成 Y(s)Y(s)Y(s) 的代数方程,通常是一个关于 Y(s)Y(s)Y(s) 的代数方程:

Y(s)(s2+3s+2)−sy(0)−y′(0)−3y(0)=F(s) Y(s) \left( s^2 + 3s + 2 \right) - s y(0) - y'(0) - 3y(0) = F(s) Y(s)(s2+3s+2)−sy(0)−y′(0)−3y(0)=F(s)

然后解这个代数方程,求出 Y(s)Y(s)Y(s) 的表达式。对于上面的例子,解出 Y(s)Y(s)Y(s):

Y(s)=F(s)+sy(0)+y′(0)+3y(0)s2+3s+2 Y(s) = \frac{F(s) + s y(0) + y'(0) + 3 y(0)}{s^2 + 3s + 2} Y(s)=s2+3s+2F(s)+sy(0)+y′(0)+3y(0)​

4. 应用部分分式分解(如有必要)

如果得到的 Y(s)Y(s)Y(s) 是一个有理函数(分子和分母都是多项式),通常需要使用部分分式分解来将Y(s)Y(s)Y(s) 分解成简单的分式。这对于拉普拉斯反变换非常重要,因为简单的分式更容易找到其逆变换。

  • 例如,如果得到:

Y(s)=1(s+1)(s+2) Y(s) = \frac{1}{(s+1)(s+2)} Y(s)=(s+1)(s+2)1​

  • 可以进行部分分式分解:

1(s+1)(s+2)=As+1+Bs+2 \frac{1}{(s+1)(s+2)} = \frac{A}{s+1} + \frac{B}{s+2} (s+1)(s+2)1​=s+1A​+s+2B​

然后解出 AAA 和 BBB,得到 Y(s)Y(s)Y(s) 的分式形式。

5. 进行拉普拉斯逆变换

一旦得到 Y(s)Y(s)Y(s),就可以通过查找标准的拉普拉斯变换对照表或使用逆变换公式,将 Y(s)Y(s)Y(s) 转换回时域函数 y(t)y(t)y(t)。

  • 例如,如果:

Y(s)=1s+1 Y(s) = \frac{1}{s+1} Y(s)=s+11​

  • 可以使用拉普拉斯变换对照表得出逆变换:

y(t)=e−t y(t) = e^{-t} y(t)=e−t

  • 以下是拉普拉斯变换常见函数的对照表:
函数 f(t)f(t)f(t)拉普拉斯变换 L{f(t)}\mathcal{L}\{f(t)\}L{f(t)}
1111s \frac{1}{s} s1​
ttt1s2 \frac{1}{s^2} s21​
tnt^ntn (n为整数)n!sn+1 \frac{n!}{s^{n+1}} sn+1n!​
eate^{at}eat1s−a \frac{1}{s - a} s−a1​
sin⁡(at)\sin(at)sin(at)as2+a2 \frac{a}{s^2 + a^2} s2+a2a​
cos⁡(at)\cos(at)cos(at)ss2+a2 \frac{s}{s^2 + a^2} s2+a2s​
eatsin⁡(bt)e^{at} \sin(bt)eatsin(bt)b(s−a)2+b2 \frac{b}{(s-a)^2 + b^2} (s−a)2+b2b​
eatcos⁡(bt)e^{at} \cos(bt)eatcos(bt)s−a(s−a)2+b2 \frac{s-a}{(s-a)^2 + b^2} (s−a)2+b2s−a​
δ(t)\delta(t)δ(t)1 1 1
u(t)u(t)u(t) (单位阶跃函数)1s \frac{1}{s} s1​
u(t−a)u(t-a)u(t−a) (延迟单位阶跃函数)e−ass \frac{e^{-as}}{s} se−as​
1t\frac{1}{t}t1​ln⁡(s) \ln(s) ln(s)
eattne^{at} t^neattnn!(s−a)n+1 \frac{n!}{(s-a)^{n+1}} (s−a)n+1n!​

6. 考虑初始条件

在进行拉普拉斯逆变换时,确保考虑初始条件。初始条件(如 y(0)y(0)y(0), y′(0)y'(0)y′(0) 等)在解的过程中通过拉普拉斯变换的公式已经引入,因此最终解中将包含这些初始条件对时域解的影响。

7. 最终解

最后,得到微分方程的解,通常是:

y(t)=L−1{Y(s)} y(t) = \mathcal{L}^{-1} \left\{ Y(s) \right\} y(t)=L−1{Y(s)}

拉普拉斯变换(Laplace Transform) 拉普拉斯变换的定义如下:给定一个实值函数ftf(t)ft,其拉普拉斯变换FsF(s)FsFsLft∫0∞e−stftdtFsLft)}∫0∞​e−stftdt其中sss是一个复变量,ResσResσσ\sigmaσ是一个实数,它取决于函数ftf(t)ft,确保积分收敛。 阅读详情

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