拉普拉斯变换的时间微分性质

拉普拉斯变换

拉普拉斯变换是一种数学工具，用于将时域中的微分方程转换为频域或s域中的代数方程。

数学上，如果$\mathrm{\mathit{x\left ( \mathit{t} \right )}}$是时域函数，则其拉普拉斯变换定义为：

$$\mathrm{\mathit{L\left [ x\left ( \mathrm{t} \right ) \right ]}\mathrm{=} \mathit{X\left ( s \right )}\mathrm{=}\int_{-\infty }^{\infty}\mathit{x\left ( \mathrm{t} \right )e^{-st}\; dt}\; \; ...\left ( 1 \right )}$$

公式 (1) 给出了函数 $\mathrm{\mathit{x\left ( \mathit{t} \right )}}$ 的双边拉普拉斯变换。但对于因果信号，则应用单边拉普拉斯变换，其定义为：

$$\mathrm{\mathit{L\left [ x\left ( \mathrm{t} \right ) \right ]}\mathrm{=} \mathit{X\left ( s \right )}\mathrm{=}\int_{\mathrm{0}}^{\infty}\mathit{x\left ( \mathrm{t} \right )e^{-st}\; dt}\; \; ...\left ( 2 \right )}$$

拉普拉斯变换的时间微分性质

陈述 – 拉普拉斯变换的时间微分性质指出，如果：

$$\mathrm{\mathit{x\left ( t \right )\overset{LT}{\leftrightarrow}X\left ( s \right )}}$$

那么：

$$\mathrm{\mathit{\frac{d}{dt}x\left ( t \right )\overset{LT}{\leftrightarrow}sX\left ( s \right )-x\left ( \mathrm{0^{-}}\right )}}$$

证明

根据拉普拉斯变换的定义，我们有：

$$\mathrm{\mathit{L\left [ x\left ( \mathrm{t} \right ) \right ]}\mathrm{=}\int_{\mathrm{0^{-}} }^{\infty}\mathit{x\left ( \mathrm{t} \right )e^{-st}\; dt}}$$

$$\mathrm{\mathit{\therefore L\left [\frac{d}{dt} x\left ( \mathrm{t} \right ) \right ]}\mathrm{=}\int_{\mathrm{0^{-}} }^{\infty}\mathit{\left [ \frac{dx\left ( \mathrm{t} \right )}{dt} \right ]e^{-st}\; dt}}$$

$$\mathrm{\mathit{\because \int_{a}^{b} u\: dv\mathrm{=}\left [ u\cdot v \right ]_{a}^{b}-\int_{a}^{b} v\cdot\: du}}$$

在本例中：

$$\mathrm{\mathit{u\mathrm{=}e^{-st}\: \mathrm{and}\: dv\mathrm{=}\left [ \frac{dx\left ( t \right )}{dt} \right ]dt}}$$

$$\mathrm{\mathit{\Rightarrow du\mathrm{=}-se^{-st}\: \mathrm{and}\: v\mathrm{=}x\left ( t \right )}}$$

$$\mathrm{\mathit{\therefore L\left [ \frac{d}{dt}x\left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}\int_{\mathrm{0}^{-}}^{\infty }e^{-st}\: dx\left ( t \right )\mathrm{=}\left [ e^{-st}x\left ( t \right ) \right ]_{\mathrm{0^{-}}}^{\infty }-\int_{\mathrm{0}^{-}}^{\infty }x\left ( t \right )\left ( -se^{-st} \right )dt }}$$

$$\mathrm{\mathit{\Rightarrow L\left [ \frac{d}{dt}x\left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}\left [ \mathrm{0}-x\left ( \mathrm{0^{-}} \right ) \right ]\mathrm{+ }s\int_{\mathrm{0^{-}}}^{\infty }x\left ( t \right )e^{-st}dt}}$$

$$\mathrm{\mathit{\therefore L\left [ \frac{d}{dt}x\left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}sX\left ( s \right )-x\left ( \mathrm{0^{-}} \right ) }}$$

或者也可以表示为：

$$\mathrm{\mathit{\frac{d}{dt}x\left ( t \right )\overset{LT}{\leftrightarrow}sX\left ( s \right )-x\left ( \mathrm{0^{-}} \right )}}$$

注意

• 二阶导数的拉普拉斯变换得到如下结果：

  $$\mathrm{\mathit{\frac{d^{\mathrm{2}} x\left ( t \right )}{dt^{\mathrm{2}}}\overset{LT}{\leftrightarrow}s^{\mathrm{2}}X\left ( s \right )-sx\left ( \mathrm{0^{-}} \right )-\frac{dx\left ( \mathrm{0^{-}} \right )}{dt}}}$$

  其中，$\mathrm{\mathit{\frac{dx\left ( \mathrm{0^{-}} \right )}{dt}}}$ 是在 $\mathrm{\mathit{t\mathrm{=}\mathrm{0}}}$ 时对 $\mathrm{\mathit{x\left ( \mathit{t} \right )}}$ 求导的结果。

• 对于 n^th 阶导数，拉普拉斯变换定义为：

$$\mathrm{\mathit{\frac{d^{n} x\left ( t \right )}{dt^{n}}\overset{LT}{\leftrightarrow}s^{n}X\left ( s \right )-s^{\left ( n-\mathrm{1} \right )}x\left ( \mathrm{0^{-}} \right )-\cdot \cdot \cdot \cdot-\frac{d^{\left ( n-\mathrm{1} \right )}x\left ( \mathrm{0^{-}} \right )}{dt^{\left ( n-\mathrm{1} \right )}}}}$$

数值示例

使用拉普拉斯变换的时域微分性质，求以下给定函数的拉普拉斯变换：

• $\mathrm{\mathit{x\left ( t \right )\mathrm{=}\delta \left ( t \right )}}$

• $\mathrm{\mathit{x\left ( t \right )\mathrm{=}\frac{d}{dt}\delta \left ( t \right )}}$

解 (1)

给定函数为：

$$\mathrm{\mathit{x\left ( t \right )\mathrm{=}\delta \left ( t \right )}}$$

$$\mathrm{\mathit{\because \delta \left ( t \right )\mathrm{=}\frac{d}{dt}u \left ( t \right )\: \mathrm{and}\: L\left [ u\left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}\frac{\mathrm{1}}{s}}}$$

因此，使用拉普拉斯变换的时间微分性质 $\mathrm{\mathit{\left [ \mathrm{i.e.,}\mathit{\frac{d}{dt}x\left ( t \right )\overset{LT}{\leftrightarrow}sX\left ( s \right )-x\left ( \mathrm{0^{-}} \right )} \right ]}}$，我们得到：

$$\mathrm{\mathit{L \left [ \delta \left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}L\left [ \frac{d}{dt}u \left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}sL\left [ u\left ( t \right ) \right ]-\mathrm{0}\mathrm{=}s\times \frac{\mathrm{1}}{s}\mathrm{=}\mathrm{1}}}$$

解 (2)

给定函数为：

$$\mathrm{\mathit{x\left ( t \right )\mathrm{=}\frac{d}{dt}\delta \left ( t \right )}}$$

$$\mathrm{\mathit{\because L\left [ \delta \left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}\mathrm{1}}}$$

使用拉普拉斯变换的时间微分性质，我们得到：

$$\mathrm{\mathit{L\left [ \frac{d}{dt}\delta \left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}sL\left [ \delta \left ( t \right ) \right ]\mathrm{=}s\times \mathrm{1}\mathrm{=}\mathrm{1}}}$$

Manish Kumar Saini

更新于: 2022年1月7日

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