Элементы теории функций комплексного переменного и операционное исчисление и их приложение в технических задачах. Катрахова А.А., Купцов В.С

2.3.1. Применение вычетов для отыскания обратного преобразования Лапласа

На практике очень часто изображение Лапласа аналитично не только в полуплоскости Re , но и во всей плоскости комплексного переменного p, кроме конечного числа особых точек. В этом случае справедлива следующая теорема:

Для доказательства теоремы построим на плоскости комплексного переменного pзамкнутый контур С , состоящий из

Тогда, силу основной теоремы о вычетах

91

В силу леммы Жордана (см. 1.18.3) при t> 0

∫

∞

Так как

Так же можно доказать, что при t < 0,f(t) = 0.

2.3.2. Оригиналы рациональных изображений

Рассмотрим случай, когда изображение F(p) является правильной дробно-рациональной функцией переменногоp:

(2.32)

где А(р) и В(p) многочлены, причем степень числителя меньше степени знаменателя.Как известно из анализа, функцию (2.32)

92

можно представить в виде суммы простейших дробнорациональных функций, то есть в виде суммы дробей вида

где 4b-a2>0. Оригиналы функций (2.33) находятся с помощью формул (2.3), (2.4), (2.6) - (2.9), (2.12) - (2.15), (2,22).

го находится с помощью вычетов. Оригиналы рациональных изображений находятся как суммы оригиналов простейших дробно-рациональных функций.

2.4 Теорема об умножении изображений. Интеграл Дюамеля

Пусть функции f(t) и g(t) являются оригиналами. Функция

∫

называется сверткой оригиналов и обозначается

операция свертывания оригиналов обладает свойствами коммутативности и ассоциативности:

93

[ ] [ ]

Проверим, например, свойство коммутативности. Имеем

∫

Сделаем в этом интеграле замену переменной

Получим

∫ ∫

∫

Свойства коммутативности и ассоциативности позволяют находить свертку трех и более оригиналов, причем порядок свертываемых функций не играет роли. Легко проверяется, что свертка оригиналов также является оригиналом.

Теорема 1.Если то

При свертывании оригиналов их изображения перемножаются. Доказательство. Пусть

∫

Тогда

∫∫

94

Интеграл в правой части этого равенства является повторным интегралом по неограниченной области D в плоскости

определяемой неравенствами

(рис. 2.10).

Если в повторном интеграле изменить порядок интегрирования, то получим

∫ ∫ ∫ ∫

Во внутреннем интеграле правой части сделаем замену пере-

∫

что и требовалось доказать.

Теорема 1 называется теоремой об умножении изображений. Аналогично доказывается теорема об умножении оригиналов. Теорема 2. Еслиf(t) иg(t)- оригиналы, порядок роста которых соответственно равен , и если

95

∫

Интеграл

∫

называется сверткой изображений.

Таким образом, умножению изображений соответствует свертывание оригиналов, умножению оригиналов соответствует свертывание изображений и деление результата на . Пользуясь теоремой 1, найдем оригинал для изображений

Отсюда следует, что

или

то есть

∫

или

∫

Если воспользоваться коммутативностью свертки, то соотношения (2.34) и (2.35) принимают вид

∫

96

∫

Интеграл в правых частях соотношений (2.34)-(2.37) называется интегралом Дюамеля. В частности, если f (0) = 0,то

∫

а если g(0) = 0, то

∫

2.5. Теоремы о разложении

Для отыскания прямого и обратного преобразования Лапласа очень часто используются следующие две теоремы, которые приводятся здесь без доказательства.

Теорема 1. Если функция F ( p ) аналитична в области |p|>R, удовлетворяет условию

и разлагается вряд Лорана

∑

то функция F ( p ) является изображением для функции

∑

Теорема 2. Если функция f( t ), рассматриваемая как функция комплексного переменного t, аналитична на всей комплексной плоскости, имеет конечный порядок роста при и разлагается в степенной ряд

97

∑

то изображение F ( p ) функции f(t) разлагается в ряд вида

∑

Примеры.

1. Показать, что функция является изображением

√

функции Бесселя

2. Разложить в степенной ряд функцию

По теореме о смещении изображения находим, что

98

2.6.Применения преобразования Лапласа

2.6.1.Решение задачи Коши для линейных дифференциальных уравнений и систем с постоянными коэффициентами.

Применение интеграла Дюамеля

Пусть требуется найти частное решение дифференциального уравнения

удовлетворяющее начальным условиям

Будем предполагать, что решение x(t) и его производные x'(t), x''(t), ... ,x(n-1)(t), а также функция f(t) являются оригиналами. Тогда, применяя преобразование Лапласа к левой и правой частям уравнения (2.38), получим

где - характеристический многочленуравнения (2.38), В(р) - многочлен, степень которого не превышает п -1, зависящий от начальных словий x0 ,x1 ,...,xn - 1 . Из уравнения (2.40) находим, что

Отсюда с помощью обратного преобразования Лапласа находится искомое решение x(t).

Пример. Найти решение задачи Коши

,х(0) = х0, х'(0) = х1.

Применяя преобразование Лапласа, получим

Отсюда следует, что

С помощью таблицы изображений и их оригиналов находим, что

Если начальные условия (2.39) нулевые, то в некоторых случаях решение уравнения (2.38) легче находить с помощью интеграла Дюамеля.

Пусть требуется найти решение уравнения (2.38)

удовлетворяющее начальным условиям

100