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

拖放或 點擊 以新增圖片或 PDF

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))

什麼是拉普拉斯變換?

拉普拉斯變換將時間函數 f(t)f(t) 轉換為複頻率函數 F(s)F(s)

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

此變換對於某個使積分收斂的右半平面 Re(s)>σ\operatorname{Re}(s) > \sigma 中的 ss 有定義。

為什麼這很有用:拉普拉斯變換將微分轉換為乘以 ss,把常係數線性 ODE 變成 ss 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:

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)(步階)eass\dfrac{e^{-as}}{s}
δ(ta)\delta(t - a)ease^{-as}

關鍵性質

線性

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

第一平移定理(s 平移)

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

這就是 eatsin(ωt)ω(sa)2+ω2e^{at}\sin(\omega t) \to \frac{\omega}{(s-a)^2 + \omega^2} 的由來。

tt 域中的微分

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)

這就是將 ODE 轉換為代數的關鍵:導數變成 ss 的多項式乘以 F(s)F(s),並把初始條件納入其中。

乘以 tt

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

反拉普拉斯變換

給定 F(s)F(s),求 f(t)f(t) 使得 L{f(t)}=F(s)\mathcal{L}\{f(t)\} = F(s)。標準技巧:

  1. 部分分式:將 F(s)F(s) 分解為符合表格的簡單有理項。
  2. 配方法:對於 1s2+bs+c\frac{1}{s^2 + bs + c} 形式,改寫為 1(sa)2+ω2\frac{1}{(s - a)^2 + \omega^2} 以符合平移後的正弦表格項。
  3. 查表並利用線性合併

用拉普拉斯變換求解 ODE

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

  1. 套用拉普拉斯變換:s2Ys01+3(sY0)+2Y=1s+1s^2 Y - s \cdot 0 - 1 + 3(sY - 0) + 2Y = \frac{1}{s+1}
  2. 解出 YYY(s2+3s+2)=1+1s+1Y(s^2 + 3s + 2) = 1 + \frac{1}{s+1},所以 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}(化簡後)。
  3. 反變換:y(t)=tety(t) = t e^{-t}

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L{f}=sF(s)f(0)\mathcal{L}\{f'\} = sF(s) - f(0)。略去 f(0)f(0) 是最常見的單一錯誤。
  • s 平移的正負號錯誤L{eatf(t)}=F(sa)\mathcal{L}\{e^{at}f(t)\} = F(s - a),而非 F(s+a)F(s + a)。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 u(ta)u(t-a) 與時間平移定理 L{u(ta)f(ta)}=easF(s)\mathcal{L}\{u(t-a)f(t-a)\} = e^{-as}F(s)
  • 未先部分分式便反變換1(s1)(s+2)\frac{1}{(s-1)(s+2)} 無法直接反變換——先分解。
  • 混淆 F(s)F(s)L1{F}\mathcal{L}^{-1}\{F\}F(s)F(s) 是變換,f(t)f(t) 是原函數。ODE 問題務必回到時域作結。

Examples

Step 1: 使用法則 L{eatf(t)}=F(sa)\mathcal{L}\{e^{at} f(t)\} = F(s - a),其中 f(t)=tf(t) = ta=2a = 2
Step 2: L{t}=1/s2\mathcal{L}\{t\} = 1/s^2,所以 F(s)=1/s2F(s) = 1/s^2
Step 3: 套用 s 平移: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: 與表格比較:L{sin(ωt)}=ω/(s2+ω2)\mathcal{L}\{\sin(\omega t)\} = \omega / (s^2 + \omega^2)
Step 2: 此處 ω2=4\omega^2 = 4,所以 ω=2\omega = 2
Step 3: 調整常數:1s2+4=122s2+4\frac{1}{s^2+4} = \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{s^2+4}
Step 4: 因此 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: 部分分式:s(s1)(s+2)=As1+Bs+2\frac{s}{(s-1)(s+2)} = \frac{A}{s-1} + \frac{B}{s+2}
Step 2: 乘開:s=A(s+2)+B(s1)s = A(s+2) + B(s-1)
Step 3:s=1s = 11=3A1 = 3A,所以 A=1/3A = 1/3
Step 4:s=2s = -22=3B-2 = -3B,所以 B=2/3B = 2/3
Step 5: 分別反變換每一項: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

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。

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