ラプラス変換計算機
AI による step-by-step の解説付きでラプラス変換と逆ラプラス変換を求めます
ドラッグ&ドロップ、または クリック して画像や PDF を追加
ラプラス変換とは何か?
ラプラス変換は、時間の関数 を複素周波数の関数 に変換します。
この変換は、積分が収束する右半平面 の について定義されます。
なぜ便利か:ラプラス変換は微分を の掛け算に変え、定数係数の線形常微分方程式を の代数方程式に変えます。代数を解いてから、逆ラプラス変換をとって時間領域での答えを得ます。
ラプラス変換は不連続な入力やインパルス入力(ステップ関数、ディラックのデルタ)も巧みに扱えるため、制御理論、信号処理、電気工学で不可欠です。
ラプラス変換の計算方法
基本的な変換対
中核となる表を暗記しましょう。
| (ステップ) | |
重要な性質
線形性:
第1移動定理(s 移動):
これにより となります。
領域での微分:
これが常微分方程式を代数に変えるものです。導関数は初期条件を組み込んだ 倍の の多項式になります。
の掛け算:
逆ラプラス変換
が与えられたとき、 となる を求めます。標準的な手法:
- 部分分数分解: を表に合う単純な有理式に分解する。
- 平方完成: の形は に書き換えて、移動した正弦の表項目に合わせる。
- 線形性を使って参照・結合する。
ラプラス変換で常微分方程式を解く
、 の場合:
- ラプラス変換を適用:
- について解く: なので (簡約後)。
- 逆変換:。
すっきりして機械的です — 同じ問題を定数変化法で解くと2倍の手間がかかります。
よくある間違い
- 初期条件を忘れる:。 を抜かすのが最も多い誤りです。
- s 移動での符号誤り: であり、 ではありません。符号が重要です。
- 不連続点の取り扱い誤り:ステップ入力には単位ステップ関数 と時間移動定理 を使います。
- 部分分数分解なしの逆変換: は直接逆変換できません — まず分解してください。
- と の混同: は変換、 は元の関数です。常微分方程式の問題は必ず時間領域で終えてください。
Examples
Frequently Asked Questions
ラプラス変換は、積分 ∫₀^∞ e^(-st)f(t) dt が収束するときに存在します。これには通常、t → ∞ で f が指数関数より速く増大しないことと、Re(s) が関数の指数位数を超えることが必要です。
ラプラス変換は核 e^(-st)(s は複素数)で [0, ∞) を積分し、初期値問題や指数関数的に増大する入力を扱います。フーリエ変換は核 e^(-iωt) で (-∞, ∞) を積分し、無限遠で減衰する関数の定常状態の周波数成分を扱います。
ℒ{f'} = sF(s) - f(0) なので、t での微分は s 領域での s の掛け算になります。定数係数の線形常微分方程式は s の多項式方程式になり、代数的に解けます。
分子の次数が分母の次数より小さい有理関数 F(s) の場合は、部分分数分解と標準的な表を使えば求められます。非有理の F(s) の場合、逆変換には周回積分(ブロムウィッチ積分)が必要だったり、閉じた形を持たなかったりします。
Related Solvers
Try AI-Math for Free
Get step-by-step solutions to any math problem. Upload a photo or type your question.
Start Solving