拉普拉斯变换在求解微分方程中的应用总结归纳
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目录
引言 (1)
1 拉普拉斯变换以及性质 (1)
1.1拉普拉斯变换的定义 (1)
1.2拉普拉斯变换的性质 (1)
2 用拉普拉斯变换求解微分方程的一般步骤 (3)
3 拉普拉斯变换在求解常微分方程中的应用 (3)
3.1初值问题与边值问题 (3)
3.2常系数与变系数常微分方程 (4)
3.3含 函数的常微分方程 (5)
3.4常微分方程组 (6)
3.5拉普拉斯变换在求解非齐次微分方程特解中的应用 (6)
3.6拉普拉斯变换在求解高阶微分方程中的推广 (9)
4 拉普拉斯变换在求解偏微分方程中的应用 (10)
4.1齐次与非齐次偏微分方程 (10)
4.2有界与无界问题 (11)
5 综合比较,归纳总结 (14)
结束语 (15)
参考文献 (15)
英文摘要 (21)
致谢 (16)
拉普拉斯变换在求解微分方程中的应用
物理系0801班学生岳艳林
指导老师韩新华
摘 要:拉普拉斯变换在求解微分方程中有非常重要的作用,本文首先介绍拉普拉斯变换的定义及性质;
其次给出拉普拉斯变换求解微分方程的一般步骤;然后重点举例拉普拉斯变换在求解常微分方程(初值问题与边值问题、常系数与变系数常微分方程、含δ函数的常微分方程、常微分方程组、拉普拉斯变换在求解微分方程特解中的应用、拉普拉斯变换在求解高阶微分方程的推广)与典型偏微分方程(齐次与非齐次偏微分方程、有界与无界问题)中的应用举例;最后综合比较、归纳总结拉普拉斯变换在求解微分方程中的优势以及局限性。
关键词:拉普拉斯变换;拉普拉斯逆变换;常微分方程;偏微分方程;特解 引言
傅里叶变换和拉普拉斯变换是常用的积分变换,但对函数进行傅里叶变换时必须满足狄里希利和在+∞<<∞-t 内绝对可积,但是在物理、无线电技术等实际应用中,许多以时间t 为自变量的函数通常在0t <时不需要考虑或者没有意义,像这样的函数不能取傅里叶变换。为避免上述两个缺点,将函数进行适当改造,便产生了拉普拉斯变换[1]。 1 拉普拉斯变换以及性质 1.1 拉普拉斯变换的定义
设函数()f t 当0t ≥时有定义,而且积分
()st f t e dt +∞
-⎰
(s 是一个复参量)在s 的某一区域内收敛,
则此积分所确定的函数可写为0
()()st F s f t e dt +∞
-=
⎰
.我们称上式为函数()f t 的Laplace 变换式.记为
()[()]F s L f t =,()F s 称为()f t 的Laplace 变换(或称为象函数).
若()F s 是()f t 的Laplace 变换,则称()f t 为()F s 的Laplace 逆变换(或称为象原函数),记为
1()[()]f t L F s -=[2].
Laplace 变换的存在定理 若函数()f t 满足下列条件:
1︒在0t ≥的任一有限区间上分段连续;
2︒当t →+∞时,()f t 的增长速度不超过某一指数函数,亦即存在常数0M >及0c ≥,使得
c ()0f t Me t ≤≤<+∞t,成立(满足此条件的函数,称它的增大是不超过指数级的,c 为它的增长指数).
则()f t 的Laplace 变换0
()st F
f t e dt +∞
-⎰(s )=在半平面Re()s c >上一定存在,右端的积分在1Re()s c c ≥>的半平面内,()F s 为解析函数[2].
1.2 拉普拉斯变换的性质
⑴线性性质 若αβ,是常数,11[()]()L f t F s =, 22[()]()L f t F s =,
则有1212[()()][(t)]+[()]L f t f t L f L f t αβαβ+=,
1111212[()()][(s)]+[()]L F s F s L F L F s αβαβ---+=.
⑵微分性质 若[()]()L f t F s =,则有'[()]()(0)L f t sF s f =-. 高阶推广 若[()]()L f t F s =,则有2'[()]()(0)(0)L f t s F s sf f ''=--.
一般,12'(2)(1)[()]()(0)(0)(0)(0)n n n n n n L f t s F s s f s f sf f ----=---⋅⋅⋅--.
⑶积分性质 若[()]()L f t F s =,则0
1
[()][()]t
L f t dt L F s s
=
⎰. ⑷位移性质 若[()]()L f t F s =,则[()]()(Re())at L e f t F s a s a c =-->. ⑸延迟性质 若[()]()L f t F s =,又0t <时()=0f t ,
则对于任一非负实数τ,
有[()]()s L f t e F s ττ--=,或1[()]()s L e F s f t ττ--=-[2].
⑹相似性性质 若[()]()L f t F s =,则1[()]()s L f at F a a
=
. ⑺卷积性质 若11[()]()L f t F s =,22[()]()L f t F s =,
则11212[()()]()()L f t f t F s F s *=,
其中112120()()()()t
f t f t f f t d τττ*≡-⎰称为)(1t f 与)(2t f 的卷积[3].
由于从定义以及性质求拉普拉斯变换或拉普拉斯逆变换困难且复杂,在控制工程中,常常通过查阅已编好的“拉氏变换对照表”来实现。拉氏变换对照表列出了工程上常用的时间函数及其对应的拉氏变换,可以根据该表查找原函数的象函数,或者从象函数查找原函数。对于表中不能找到的形式,可以把它展开成部分分式,再求拉普拉斯变换或拉普拉斯逆变换。以下是本文将用到的几种常用的拉普拉斯变换函数对[3]:
原函数
象函数
原函数
象函数
1