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

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Math Input
Laplace transform of e^(2t)*sin(3t)
Laplace transform of t^2
inverse Laplace of 1/(s^2 + 4)
inverse Laplace of s/((s-1)(s+2))

ラプラス変換とは何か?

ラプラス変換は、時間の関数 f(t)f(t) を複素周波数の関数 F(s)F(s) に変換します。

F(s)=L{f(t)}=0estf(t)dtF(s) = \mathcal{L}\{f(t)\} = \int_0^\infty e^{-st} f(t)\,dt

この変換は、積分が収束する右半平面 Re(s)>σ\operatorname{Re}(s) > \sigmass 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 ss の掛け算に変え、定数係数の線形常微分方程式を ss 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。

f(t)f(t)F(s)=L{f(t)}F(s) = \mathcal{L}\{f(t)\}
111s\dfrac{1}{s}
tnt^nn!sn+1\dfrac{n!}{s^{n+1}}
eate^{at}1sa\dfrac{1}{s - a}
sin(ωt)\sin(\omega t)ωs2+ω2\dfrac{\omega}{s^2 + \omega^2}
cos(ωt)\cos(\omega t)ss2+ω2\dfrac{s}{s^2 + \omega^2}
u(ta)u(t - a)(ステップ)eass\dfrac{e^{-as}}{s}
δ(ta)\delta(t - a)ease^{-as}

重要な性質

線形性

L{af(t)+bg(t)}=aF(s)+bG(s)\mathcal{L}\{a f(t) + b g(t)\} = a F(s) + b G(s)

第1移動定理(s 移動)

L{eatf(t)}=F(sa)\mathcal{L}\{e^{at} f(t)\} = F(s - a)

これにより eatsin(ωt)ω(sa)2+ω2e^{at}\sin(\omega t) \to \frac{\omega}{(s-a)^2 + \omega^2} となります。

tt 領域での微分

L{f(t)}=sF(s)f(0)\mathcal{L}\{f'(t)\} = sF(s) - f(0)

L{f(t)}=s2F(s)sf(0)f(0)\mathcal{L}\{f''(t)\} = s^2 F(s) - s f(0) - f'(0)

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 F(s)F(s) 倍の ss の多項式になります。

tt の掛け算

L{tf(t)}=F(s)\mathcal{L}\{t f(t)\} = -F'(s)

逆ラプラス変換

F(s)F(s) が与えられたとき、L{f(t)}=F(s)\mathcal{L}\{f(t)\} = F(s) となる f(t)f(t) を求めます。標準的な手法:

  1. 部分分数分解F(s)F(s) を表に合う単純な有理式に分解する。
  2. 平方完成1s2+bs+c\frac{1}{s^2 + bs + c} の形は 1(sa)2+ω2\frac{1}{(s - a)^2 + \omega^2} に書き換えて、移動した正弦の表項目に合わせる。
  3. 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

y+3y+2y=ety'' + 3y' + 2y = e^{-t}y(0)=0,y(0)=1y(0) = 0, y'(0) = 1 の場合:

  1. ラプラス変換を適用:s2Ys01+3(sY0)+2Y=1s+1s^2 Y - s \cdot 0 - 1 + 3(sY - 0) + 2Y = \frac{1}{s+1}
  2. YY について解く:Y(s2+3s+2)=1+1s+1Y(s^2 + 3s + 2) = 1 + \frac{1}{s+1} なので Y=s+2(s+1)(s2+3s+2)=1(s+1)2Y = \frac{s + 2}{(s+1)(s^2+3s+2)} = \frac{1}{(s+1)^2}(簡約後)。
  3. 逆変換:y(t)=tety(t) = t e^{-t}

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L{f}=sF(s)f(0)\mathcal{L}\{f'\} = sF(s) - f(0)f(0)f(0) を抜かすのが最も多い誤りです。
  • s 移動での符号誤りL{eatf(t)}=F(sa)\mathcal{L}\{e^{at}f(t)\} = F(s - a) であり、F(s+a)F(s + a) 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 u(ta)u(t-a) と時間移動定理 L{u(ta)f(ta)}=easF(s)\mathcal{L}\{u(t-a)f(t-a)\} = e^{-as}F(s) を使います。
  • 部分分数分解なしの逆変換1(s1)(s+2)\frac{1}{(s-1)(s+2)} は直接逆変換できません — まず分解してください。
  • F(s)F(s)L1{F}\mathcal{L}^{-1}\{F\} の混同F(s)F(s) は変換、f(t)f(t) 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

Step 1: 規則 L{eatf(t)}=F(sa)\mathcal{L}\{e^{at} f(t)\} = F(s - a)f(t)=tf(t) = ta=2a = 2 で使う
Step 2: L{t}=1/s2\mathcal{L}\{t\} = 1/s^2 なので F(s)=1/s2F(s) = 1/s^2
Step 3: s 移動を適用:L{te2t}=1/(s2)2\mathcal{L}\{t e^{2t}\} = 1/(s-2)^2
Answer: 1(s2)2\dfrac{1}{(s - 2)^2}

Step 1: 表と比較:L{sin(ωt)}=ω/(s2+ω2)\mathcal{L}\{\sin(\omega t)\} = \omega / (s^2 + \omega^2)
Step 2: ここで ω2=4\omega^2 = 4 なので ω=2\omega = 2
Step 3: 定数を調整:1s2+4=122s2+4\frac{1}{s^2+4} = \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{s^2+4}
Step 4: したがって L1{1/(s2+4)}=12sin(2t)\mathcal{L}^{-1}\{1/(s^2+4)\} = \frac{1}{2}\sin(2t)
Answer: 12sin(2t)\dfrac{1}{2}\sin(2t)

Step 1: 部分分数分解:s(s1)(s+2)=As1+Bs+2\frac{s}{(s-1)(s+2)} = \frac{A}{s-1} + \frac{B}{s+2}
Step 2: 展開:s=A(s+2)+B(s1)s = A(s+2) + B(s-1)
Step 3: s=1s = 1 とおく:1=3A1 = 3A なので A=1/3A = 1/3
Step 4: s=2s = -2 とおく:2=3B-2 = -3B なので B=2/3B = 2/3
Step 5: 各項を逆変換:13et+23e2t\frac{1}{3}e^t + \frac{2}{3}e^{-2t}
Answer: 13et+23e2t\dfrac{1}{3}e^t + \dfrac{2}{3}e^{-2t}

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。

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