拉普拉斯變換計算機
以 AI 驅動的逐步解題,求拉普拉斯變換與反拉普拉斯變換
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什麼是拉普拉斯變換?
拉普拉斯變換將時間函數 轉換為複頻率函數 :
此變換對於某個使積分收斂的右半平面 中的 有定義。
為什麼這很有用:拉普拉斯變換將微分轉換為乘以 ,把常係數線性 ODE 變成 的代數方程式。你解出代數,再取反拉普拉斯變換得到時域中的答案。
拉普拉斯變換也能優雅地處理不連續與脈衝輸入(步階函數、狄拉克 delta),這使它在控制理論、訊號處理與電機工程中不可或缺。
如何計算拉普拉斯變換
基本變換對
熟記核心表格:
| (步階) | |
關鍵性質
線性:
第一平移定理(s 平移):
這就是 的由來。
域中的微分:
這就是將 ODE 轉換為代數的關鍵:導數變成 的多項式乘以 ,並把初始條件納入其中。
乘以 :
反拉普拉斯變換
給定 ,求 使得 。標準技巧:
- 部分分式:將 分解為符合表格的簡單有理項。
- 配方法:對於 形式,改寫為 以符合平移後的正弦表格項。
- 查表並利用線性合併。
用拉普拉斯變換求解 ODE
對於 ,:
- 套用拉普拉斯變換:
- 解出 :,所以 (化簡後)。
- 反變換:。
乾淨而機械——同樣的問題用參數變換法要花兩倍的工夫。
應避免的常見錯誤
- 忘記初始條件:。略去 是最常見的單一錯誤。
- s 平移的正負號錯誤:,而非 。正負號很重要。
- 不連續處理錯誤:對於步階輸入,使用單位步階函數 與時間平移定理 。
- 未先部分分式便反變換: 無法直接反變換——先分解。
- 混淆 與 : 是變換, 是原函數。ODE 問題務必回到時域作結。
Examples
Frequently Asked Questions
當積分 ∫₀^∞ e^(-st)f(t) dt 收斂時,拉普拉斯變換存在。這通常要求 f 在 t → ∞ 時的成長不快於指數,且 Re(s) 超過函數的指數階。
拉普拉斯變換在 [0, ∞) 上以核 e^(-st)(s 為複數)積分;它處理初值問題與指數成長的輸入。傅立葉變換在 (-∞, ∞) 上以核 e^(-iωt) 積分;它處理在無窮處衰減函數的穩態頻率內容。
因為 ℒ{f'} = sF(s) - f(0),t 域中的微分變成 s 域中乘以 s。常係數線性 ODE 變成 s 的多項式方程式,你可以用代數方法求解。
對於分子次數小於分母次數的有理 F(s),可以——利用部分分式與標準表格。對於非有理的 F(s),反變換可能需要圍道積分(布羅姆維奇積分)或沒有封閉形式。
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