拉普拉斯變換

拉普拉斯變換是應用數學中常用的一種積分變換，又名拉氏轉換，其符號為formula_1。拉氏變換是一個線性變換，可將一個有實數變數formula_2的函式轉換為一個變數為複數formula_3的函式：formula_4拉氏變換在大部份的應用中都是對射的，最常見的formula_5和formula_6組合常印製成表，方便查閱。拉普拉斯變換得名自法國天文學家暨數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯，他在機率論的研究中首先引入了拉氏變換。拉氏變換和傅立葉變換有關，不過傅立葉變換將一個函式或是訊號表示為許多弦波的疊加，而拉氏變換則是將一個函式表示為許多矩的疊加。拉氏變換常用來求解微分方程及積分方程。在物理及工程上常用來分析線性非時變系統，可用來分析電子電路、諧振子、光學儀器及機械裝置。在這些分析中，拉氏變換可以作時域和頻域之間的轉換，在時域中輸入和輸出都是時間的函式，在頻域中輸入和輸出則是複變角頻率的函式，單位是弧度每秒。對於一個簡單的系統，拉氏變換提供另一種系統的描述方程，可以簡化分析系統行為的時間。像時域下的線性非時變系統，在頻域下會轉換為代數方程，在時域下的摺積會變成頻域下的乘法。正式定義.對於所有實數formula_7，函式formula_5的拉普拉斯變換是函式formula_6，定義為：formula_10其中頻率引數formula_3是一個複數：formula_12 formula_13和formula_14為實數。除了formula_15，有時我們也使用 formula_16 或 formula_17 來表示拉普拉斯變換。formula_18 是一個運算子號。這個積分的具體含義取決於被積函式的型別。它存在的一個必要條件是在 formula_19 在 formula_20 上區域性可積。對於在無窮大處衰減的區域性可積函式或指數型函式，這積分可以被理解成勒貝格積分。然而，在很多應用中，我們有必要將其視作在 formula_21 處條件收斂的反常積分。更一般的，這個積分可以在較弱的意義上理解，在下面會去處理。可以用勒貝格積分定義拉普拉斯變換為一個有限博雷爾測度 formula_22formula_23以上定義的一個特殊情況是 formula_22 為機率測度，或者更具體地說，是狄拉克δ函式時。在運算微積分中，拉普拉斯變換的測度常常被視作由分佈函式 formula_19 帶來的測度。在這種情況下，為了避免混淆，一般寫作formula_26其中積分下限 formula_27 是formula_28的簡化符號。這個極限強調任何位於 0 的質點都被拉普拉斯變換完全捕獲。雖然在使用勒貝格積分時，我們沒有必要取這個極限，但它讓我們更自然地與建立聯絡。拉普拉斯逆變換.兩個相異的可積函式，只有在其差的勒貝格測度為零時，才會有相同的拉普拉斯變換。因此以轉換的角度而言，存在其反轉換。包括可積分函式在內，拉普拉斯變換是單射對映，將一個函式空間對映到其他的函式空間。典型的函式空間包括有界連續函式、函式空間L∞(0, ∞)、或是更廣義，在 (0, ∞) 區間內的緩增廣義函式。有許多不同的名稱，如維奇積分、傅立葉-梅林積分、梅林逆公式，是一個複數積分：formula_29其中formula_30是一個使formula_6的積分路徑在收斂域內的實數。另一個拉普拉斯逆變換的公式是由而來。在實務上一般會配合查表，將函式的拉普拉斯變換分換為許多已知函式的拉普拉斯變換，再利用觀察的方式產生其拉普拉斯逆變換。在微分方程中會用到拉普拉斯逆變換，會比用傅利葉轉換的處理方式要簡單。性質和定理.函式formula_5和formula_33的拉普拉斯變換分別為formula_6和formula_35：formula_36下面的表格是一系列單邊拉普拉斯變換的性質：formula_37，要求 formula_38 為真分式，即分子的最高次小於分母的最高次，否則使用多項式除法將formula_38分解formula_40，要求 formula_41 的所有極點都在左半複平面或原點為單極點。由於終值定理無需經過部分分式分解或其他困難的代數就能給出長期的行為，它就很有用。如果 formula_42 在右側面或虛軸上有極點，如當 formula_43 或 formula_44 時，這個公式的行為就是未定義的。與冪級數的關係.拉普拉斯變換可以看成是冪級數的一個連續模擬。如果 "a"("n") 是正整數 "n" 的一個離散函式，那麼與 "a"("n") 相關的冪級數為formula_45其中 "x" 是實變數。將對 "n" 的加和替換成對 "t" 的積分，則此冪級數的連續形式為formula_46其中離散型函式 "a"("n") 被替換成連續型的 "f"("t")。改變冪的基底 "x" 為 "e" 得formula_47要使這個積分對任何有界函式 "f" 都收斂，就需要滿足formula_48。使用−"s"log "x"代換就能得到拉普拉斯變換：formula_49換句話說，拉普拉斯變換是冪級數的一個連續模擬，只是把離散引數 "n" 換成了連續變數 "t" ， "x" 換成了 "e"−"s"。與矩的關係.函式 "f" 的"矩"為formula_50如果 "f" 的前 "n" 階矩絕對收斂，則透過反覆在積分符號內取微分，就得到formula_51。這在機率論裡是有特別重要的意義的，其中隨機變數 "X" 的矩是formula_52。下面的關係成立：formula_53證明函式導數的拉普拉斯變換.很方便用拉普拉斯變換的微分性質來求函式導數的變換。從拉普拉斯變換的基本表示式就可以推導如下：formula_54匯出formula_55而在雙邊的情形下，formula_56一般化的結果是formula_57其中 "f"("n") 表示 "f" 的 "n"階導數，可以由歸納假設得出。計算廣義積分.令formula_58，則formula_59或formula_60令 "s" → 0，假定可以改變取極限順序，就得到性質formula_61即便在不可以交換，此計算依然有暗示性。例如，形式上按此計算得到formula_62這個性質的正確性可以用其他方法證明。它是傅汝蘭尼積分的一個例子。例子還有狄利克雷積分。與其他變換的聯絡.與傅立葉變換關係.連續傅立葉變換相當於計算令 formula_63 或 "formula_64" 的雙邊拉普拉斯變換：formula_65與z變換的聯絡."z" 變換表示式為：formula_66其中 formula_67。比較兩者表示式有：formula_68拉普拉斯變換簡表.下表提供了許多常用單變數函式的拉普拉斯變換。 對於定義和解釋，請末的"註釋" 。由於拉普拉斯變換是一個線性運算元：formula_69formula_70使用這個線性性質 ，以及各種三角、雙曲、和複數 的性質，可以從其他拉普拉斯變換得到一些拉普拉斯變換，這會比直接透過使用定義更快。單邊拉普拉斯變換取時域為非負實數的函式作為輸入，這就是下表中所有時域函式都乘以單位階躍函式 u("t") 的原因。表中涉及時間延遲 τ 的條目必須是因果的 。因果系統是 "t" = 0 之前的衝激響應 "h"("t") 都為零的一個系統。在一般情況下，因果系統的收斂區域和反因果系統是不相同的。\變換及其性質的應用例項.拉普拉斯變換在物理學和工程中是常用的；線性時不變系統的輸出可以透過卷積單位脈衝響應與輸入訊號來計算，而在拉氏空間中執行此計算將卷積透過轉換成乘法來計算。後者是更容易解決，由於它的代數形式。拉普拉斯變換也可以用來解決微分方程，這被廣泛應用於電氣工程。拉普拉斯變換把線性差分方程化簡為代數方程，這樣就可以透過代數規則來解決。原來的微分方程可以透過施加逆拉普拉斯變換得到其解。英國電氣工程師奧利弗·黑維塞第一次提出了一個類似的計劃，雖然沒有使用拉普拉斯變換；以及由此產生的演算被譽為黑維塞演算。在工程學上的應用.應用拉普拉斯變換解常變數齊次微分方程，可以將微分方程化為代數方程，使問題得以解決。在工程學上，拉普拉斯變換的重大意義在於：將一個訊號從時域上，轉換為複頻域上來表示，對於分析系統特性，系統穩定有著重大意義；在線性系統，控制自動化上都有廣泛的應用。