Laplaca transformo

En matematiko, la laplaca transformo estas pova teĥniko por analizi linearajn tempo-invariantajn linearajn sistemojn kiel elektrajn cirkvitojn, harmonajn oscilojn, optikajn aparatojn, kaj mekanikajn sistemojn, inter kelkaj aliaj. Sufiĉas transformi diferencialan ekvacion en la Laplacan domajnon por akiri ekvaciojn multe pli facile manipuleblajn. Donanta simplan matematikan funkcionalon priskribon de enigo aŭ eligo de la sistemo, la Laplaca transformo provizas alternativan priskribon, kiu ofte simpligas la procezon de la analizata konduto de la sistemo, aŭ ankoraŭ permesas sintezon de nova sistemo bazita sur aro da specifaĵoj.

La Laplaca transformo estas grava koncepto de la branĉo de matematiko nomita funkcionala analitiko.

La Laplaca transformo havas multajn gravajn aplikojn en fiziko, optiko, elektra inĝenierarto, aŭtomatigita regado, signal-prilaborado, kaj probablo-teorio.

La termino laplaca transformo estas honore al franca matematikisto kaj astronomo Pierre-Simon Laplace, kiu uzis tiun transformon dum sia laboro pri la probablo-teorio, sed la eltrovo originis de svisa matematikisto Leonhard Euler. La transformo de Laplace aperas en ĉiuj kampoj de la matematika fiziko: esplorkampo al kiu Laplace kontribuis altmaniere.

 Formala difino 
En matematiko kaj aparte en analitiko, la Laplaca transformo (aŭ transformo de Laplace) (simbolata ) de funkcio  dependanta de pozitiva reela variablo t ≥ 0 estas la funkcio  de la kompleksa variablo s, difinita per:



La limsigno  estas mallonga skribmaniero de meznombro :
kaj certigas la inkluzivecon de la tuta Diraka delta funkcio  je 0 se estas tia impulso en f(t) je 0.

La parametro s estas kompleksa nombro:

 , kie σ kaj ω estas reelaj nombroj.

Tiu Laplaca transformo estas ankaŭ nomita unuflanka transformo de Laplace, ĉar la integralo koncernas nur pozitivan variablon, kontraŭe al la ambaŭflanka laplaca transformo, pri kiu la reela variablo ne estas limigita al nulo.

La proprecoj de tiu transformo eksplikas kial ĝi estas tiom utila por la analizoj de linearaj dinamikaj sistemoj. La plej interesa propreco estas, ke la malderivaĵo kaj la derivaĵo estas transformataj respektive je divido kaj multipliko per s, sammaniere ke logaritmo transformas multiplikon al adicio. Tiel ĝi permesas solvon de linearaj diferencialaj ekvacioj kun konstantaj koeficientoj per solvo de ekvacioj kun racionalaj funkcioj (t.e. rilatumo de polinomoj) de s).

Rimarko: dum la indikaĵo "s" (Laplaca variablo) estas komune uzata en multaj landoj, la notaĵo "p" estas ankaŭ uzata alie, aparte en Francio kaj Germanio.

Oni difinas ankaŭ la transformon de Laplace-Carson per M. Denis-Papin et A. Kaufmann, Cours de calcul opérationnel appliqué (Kurso pri aplikata kalkulado), Eldonaro Albin Michel, Parizo, 1967 () :

 kio permesas ligi al ĉiu funkcio de variablo  tian bildan funkcion  .

Tia transformo estas prefere uzata de inĝenieroj, ĉar :
 konstanto havas saman konstanton kiel laplacan bildon;
 la unuoj estas konservitaj (samaj antaŭ kaj post transformo);
 pli granda facileco dum matrica kaj tensora kalkulo.

 Regiono de konverĝo 
La Laplaca transformo F(s) tipe ekzistas por ĉiuj kompleksaj nombroj pri kiuj Re{s} > a, kie a estas reela konstanto, kiu dependas de la kreska konduto de f(t), dum la ambaŭflanka transformo estas difinita per du limoj
a < Re{s} < b. La subaro de valoroj de s, por kiu la Laplaca transformo ekzistas, estas nomita la regiono de konverĝo, aŭ la domajno de konverĝo. Pri la duflanka kazo, ĝi estas iam nomita la bendo de konverĝo.

Estas ne specifaj kondiĉoj, kiuj povas sciigii totale ĉu Laplaca transformo de ia funkcio povas esti prenita, oni nur povas diri ĉu la difinanta integralo konverĝas. Estas tamen teoremoj por sciigi ĉu oni povas aŭ ne povas uzi ĝin.

 Inversa Laplaca transformo 
La inversa Laplaca transformo estas la transformo de Mellin (aŭ foje nomita integralo de Bromwich}, kiu permesas retrovi tempan funkcion de Laplaca transformo; ĝi estas integralo en la kompleksa ebeno donata per:



kie  estas reela nombro, tiel ke la konturo de integralado estas en la regiono de konverĝo de  kaj tiel ke  por ĉiu singulareco  de  kaj . Se ĉiuj nekontinuaĵoj) estas en la maldekstra duonebeno, tio estas  por ĉiu , tiam  povas esti aro de nuloj, kaj la pli supre inversa integrala formulo pli supre iĝas identa al la inversa transformo de Fourier.

kie  estas elektita por ke la integralo konverĝu, kio implicas ke  estu pli granda ol la reela parto de iu ajn neordinaraĵo de F(s).

Praktike, pri ĝeneralaj kazoj, oni alproksimigas formulojn en la Laplaca universo, kie troviĝas konataj formuloj por uzi la tabelon de inversaj transformoj.

 Duflanka Laplaca transformo 
Kiam oni parolas pri "la Laplaca transformo" sen plia klarigo, la unuflanka transformo estas normale intencita. La Laplaca transformo povas esti alternative difinita kiel la ambaŭflanka Laplaca transformo aŭ duflanka Laplaca transformo per etenditaj limoj de integralado laŭ la tuta reela akso. Se tio estas farita, la komuna unuflanka transformo simple iĝas speciala kazo de la ambaŭflanka transformo, kie la funkcio estas multiplikita per la Hevisida ŝtupara funkcio ("funkcio de Heaviside").

Do la ambaŭflanka transformo de Laplace estas aparta formo de la laplaca transformo, en kiu la integraĵo komenciĝas de minus infinito anstataŭ de nulo :



Ĝia propreco estas simpligi matematikajn rezonojn, por komplementaj antaŭzorgoj, ĉar ĝi konverĝas nur kiam la funkcio malkreskas rapide (t.e. pli rapide ol eksponenta malkresko) ĝis nulo pri negativaj abscisaj valoroj.

Ĝi estas uzata interalie de aŭtomatikistoj Raymond Hanus & Philippe Bogaerts, Introduction à l'automatique (Enduko al aŭtomatiko) - vol 1. Kontinuaj sistemoj, Universitato De Boek , 1996 () kaj ankaŭ uzata en statistiko, kie ĝi helpas difini la probablajn distribuojn.

 Laplaca transformo de derivita funkcio 
Estas oftoportune uzi la diferencialadan proprecon de la Laplaca transformo por trovi la transformon de derivita funkcio. Pri la unuflanka kazo, ĉi tiu rilato estas:



kaj pri la ambaŭflanka kazo, ni havas:



 Aplikoj 
La transformo de Laplace estas ofte uzata en inĝenierado kaj fiziko por solvi diferencialajn ekvaciojn, kaj determini la transfaran funkcion de lineara sistemo. Ekzemple, en elektroniko, kontraŭe al la transformo de Fourier, kiu estas uzata por determini la frekvencan spektron de perioda signalo, ĝi traktas la ekfariĝan reĝimon, kiu okazas antaŭ la permanenta reĝimo (ekzemple: reago de signalo antaŭ kaj post la ŝalto de frekvenco-generatoro).

Jenoj ekzemploj derivitaj de aplikoj en fiziko kaj inĝenierado uzos la sistemon internacian de mezurunuoj . Sistemo Internacia de Unuoj estas bazita sur metroj por distanco, kilogramoj por maso, sekundoj por tempo, kaj amperoj por elektra kurento.

 Ekzemplo #1: Solvante diferencialan ekvacion 

 Ekzemplo #2: Derivante la kompleksan impedancon por kondensatoro 

 Ekzemplo #3: Trovante la tradonan funkcion de impulsa respondo 

 Interrilato al aliaj transformoj 
 Transformo de Fourier 

La kontinua furiera transformo estas ekvivalento al la ambaŭflanka Laplaca transformo kun kompleksa argumento :

Notu ke ĉi tiu esprimo ekskludas la skalantan faktoron , kiu estas ofte inkluzivita en difinoj de la transformo de Fourier.

Ĉi tiu interrilato inter la Laplaca kaj Furiera transformoj estas ofte kutima kaj permesas difini la frekvencan spektron de signalo aŭ de lineara dinamika sistemo.

 Transformo de Mellin 

 Z-transformo 
La Z-transformo estas simple la Laplaca transformo de ideale specimenita signalo (el kiu rezultas la tiele nomitaj specimenoj aŭ samploj) kun la anstataŭo per z de la eksponenta funkcio

kie  estas la specimenara periodo en unuoj de tempo (ekz. sekundoj) kaj  estas la specimenara frekvenco (en specimenoj je sekundo aŭ hercoj)

Konsideru ni

specimenaran impulso-trajnon (ankaŭ nomitan Diraka kombilo, kie  estas la diraka delta funkcio) kaj



specimenaran prezenton de kontinua-tempa funkcio , sekvas ke

  estas la diskretaj specimenoj de .

La Laplaca transformo de la specimenita signalo  estas

Ĉi tiu estas precize la difino de la Z-transformo de la diskreta funkcio 

kun la anstataŭo de .

Komparante la lastajn du ekvaciojn, ni trovas la interrilaton inter la Z-transformo kaj la Laplaca transformo de la specimenita signalo:

.

 Borela transformo 

 Fundamentaj interrilatoj 

 Proprecoj kaj teoremoj 
 Lineareco 


 Derivaĵo 
Kalkulu ni:

Per poparta integralado oni obtenas :

finfine per post sekvantaj derivaĵoj :


kaj pli ĝenerale:


 Frekvenca divido 

kaj pri sekvantaj obloj de t:


 Frekvenca integralo 


 Integralado 




 Skalanta faktoro 


 Teoremo de la fina valoro 
Se limo estas en la tempa domajno, tiam :

 La fina valora teoremo estas utila, ĉar ĝi donas la longtempan konduton sen bezono de parta frakcio aŭ de alia malfacila algebro. 

 Teoremo de la komenca valoro 
Si limo estas al la momento t=0 en la tempa domajno, tiam :


 Frekvenca ŝovo 



 Tempa ŝovo 


Notu:  estas la Hevisida ŝtupara funkcio (funkcio de unuvalora ŝtupo).

 Pri la -a potenco


 Kunfaldaĵo  


Oni devas esti atenta pri sistemoj al kiuj estas difinitaj la funkcioj
 et . Fakte, la kunfaldaĵo kaj la laplaca transformo imponas kondiĉojn ne ĉiam kongruantajn. Pli simple, estas difini ilin sur , kaj multipli ilin antaŭe per la funkcio .

 Perioda funkcio de periodo  


 Oni povas demonstri la formulon tiamaniere:

oni grupigas la termojn :

tial, 

 Tabelo de kelkaj kutimaj Laplacaj transformoj 
La transformo de Laplace validas nur pri valoroj de t pli granda ol 0−, estas kial ĉiuj funkcioj de la sekvanta tabelo estas oblo de u(t) , funkcio de Heaviside (nekontinua funkcio kies valoro estas nul por negativa argumento, kaj unu por pozitiva argumento).

  Funkcio  Tempa domajno    Laplaca transformo    Regiono de konverĝo 1  ideala malfruo      1a  unuo-impulso       2  n-a potenco de malfruo kun frekvenca ŝovo       2a  n-a potenco  ( n entjero )       2a.1  q-a potenco  ( q komplekso )       2a.2  funkcio de Heaviside (unuvalora ŝtupo)       2b  malfruigita ŝtupo       2c  deklivo       2d  malfruo kun frekvenca ŝovo       2d.1  eksponenta malkresko       3  eksponenta asimptotiĝo       4  sinuso       5  kosinuso       6  hiperbola sinuso       7  hiperbola kosinuso       8  eksponenta malkresko  de sinusa ondo       9  eksponenta malkresko  de kosinusa ondo       10  n-a radiko       11  natura logaritmo       12  Funkcio de Bessel  de unua speco,  pri ordo n         13  Aliigita funkcio de Bessel  de unua speco,  pri ordo n       14  Funkcio de eraro      Notes:

  estas la funkcio de Heaviside (unuvalora ŝtupo-funkcio).
  estas la funkcio de Dirac (unuobla impulsa funkcio).
  est la Gamo-funkcio.
  est la konstanto de Eŭlero-Mascheroni.
 , estas reela nombro kiu ĝenerale reprezentas la tempon, sed povas signifi iun ajn alian kvanton.
  estas kompleksa nombro.
 , , , et  estas reelaj nombroj.
  estas entjero.

 Referencoj 

 A. Don/Doña _Polyanin kaj A. V. Manzhirov, Gvidlibro de Integralaj Ekvacioj, CRC Premi, Boca Raton_, (1998, Kategorio:1998). ISBN 0-8493-2876-4
 Vilhelmo _McC. Siebert, Cirkvitoj, Signaloj, kaj Sistemoj, MIT Premi, Kembriĝo (Masaĉuseco), (1986, Kategorio:1986). ISBN 0-262-19229-2

 Vidu ankaŭ 
 Analitiko
 Diferencialaj ekvacioj
 Integrala transformo
 Linearaj tempo-invariantaj sistemoj
 Tradona funkcio
 Transformo de Fourier
 Transformo de Mellin
 Z-transformo
 Pierre-Simon Laplace
 Leonhard EULER

 Eksteraj ligiloj 

 Transformo de Laplace aplikita al elektronikaj cirkvitoj  ()
 Surlinia Kalkulado  de la transformo aŭ la inversa transformo, je Wims.unice.fr
 (Tabeloj de integralaj transformoj) je EqWorld: La Mondo de Matematikaj Ekvacioj.
 Laplaca transformo (Tabelo) je eFunda: Inĝenieradaj Fundamentoj.

Kategorio:Aŭtomata regado
Kategorio:Elektra inĝenierarto
Kategorio:Funkcionala analitiko
Kategorio:Integralaj transformoj
Kategorio:Matematika fiziko
Kategorio:Signal-prilaborado
Kategorio:Specialaj funkcioj