Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
268.pdf
Скачиваний:
78
Добавлен:
24.03.2015
Размер:
469 Кб
Скачать
☆

35

7.Изображение разрывных оригиналов

Найдем изображение так называемой функции Хевисайда, которая обозначается θ(t) и определяется равенством (см. также рис. 2)

(

0, x < 0

θ(t) = (67)

1, x ≥ 0.

Θ(t)

1

0

t

Рис. 2.

Пользуясь определением преобразования Лапласа, находим для σ = Re p > 0

∞

∞

 

1

 

 

θ(t) + Z

θ(t)e−pt dt = Z

e−pt dt =

.

(68)

 

p

0

 

 

 

0

 

 

 

 

Итак,

 

1

 

 

 

 

 

 

 

θ(t) +

,

Re p > 0.

 

 

(69)

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

www.mitht.ru/e-library

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36

Найдем. например, изображение функции

 

 

 

 

 

 

 

f (t) = (e−at ,

x

<

0

≡ θ(t)e−at

,

 

 

 

(70)

 

 

 

0,

x

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≥

 

 

 

 

 

 

 

где a — комплексное число. Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(p) = Z

f (t)e−pt dt = Z

e−(p−a)t dt =

 

1

,

(71)

 

f

 

p

a

0

 

 

0

 

 

 

 

−

 

если Re(p − a) > 0 или Re p > Re a (т.е. правее прямой p = Re a на комплексной плоскости). Итак,

θ(t)e−at +

1

, Re p > Re a.

(72)

 

 

p −a

 

Роль множителя θ(t) в выражении (70) состоит в том, что он “гасит” (т.е. обращает в нуль) функцию при t < 0 . Вообще, если функция f (t) не равна нулю при t < 0 и, следовательно, не является оригиналом, то функция θ(t) f (t) , “погашенная” при t < 0 , уже будет оригиналом. Обычно принято считать, что все функции, которые рассматриваются как оригиналы, снабжены этим множителем θ(t) , хотя сам этот множитель в написании часто опускается. Так, например, мы можем писать tn , e−at , sin wt и т.д., подразумевая при этом соответственно θ(t)tn , θ(t)3−at , θ(t) sin wt и т.д.

Теорему запаздывания оригинала можно переписать теперь так: Если f (t) + f (p) , то

θ(t −τ) f (t −τ) + e−pτ

 

(p).

(73)

f

В качестве примера найдем изображение оригинала функции

f (t) = (t −1)2θ(t −1)

www.mitht.ru/e-library

37

Θ(t)

0

1

t

Рис. 3.

(рис. 3). Здесь f (t) есть функция tn , но “выключенная” с запаздыванием τ = 1 . Так как t2 + p23 , то по теореме запаздывания имеем

2

 

(t −1)2θ(t −1) + p3 e−p.

(74)

Если бы мы в записи функции f (t) опустили бы множитель θ(t −1) , то получили бы функцию (t −1)2 , но, как мы условились, такая функция означает оригинал (t −1)2θ(t) без запаздывания. Изображение этого оригинала будет

 

2

2

1

 

 

(t −1)2θ(t) = (t2

−2t + 1)θ(t) +

 

−

 

+

 

.

(75)

p3

p2

p

Таким образом, недопустимо опускать множители вида θ(t −τ) в записи оригинала, ибо это может привести к ошибкам и недоразумениям.

Рассмотрим далее примеры.

1. Найти изображение функции f (t) , представленной на рис. 4. Эта функция есть импульс интенсивности 3, включенный

www.mitht.ru/e-library

38

f(t)

3

0

2

t

 

Рис. 4.

 

в момент времени t = 0 , следовательно, его можно записать как

 

 

f (t) = 3 −3θ(t −2).

(76)

Получаем

 

 

 

 

1 −e−2p .

 

 

 

3

3

3

 

 

f (p) =

 

−

 

e−2p =

 

(77)

 

p

p

p

2. Оригинал f (t) задан на рис. 5.

Его аналитически можно записать так:

f (t) = 2 −2θ(t −1) + 4θ(t −1) −4θ(t −2) + θ(t −2) −θ(t −3) = = 2 + 2θ(t −1) −3θ(t −2) −θ(t −3). (78)

Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

3

1

 

 

 

f (p) =

 

+

 

e−p −

 

e−2p −

 

e−3p.

(79)

 

p

p

p

p

3. Построить график функции

f (t) = (t2 −5t + 11)θ(t −2)

www.mitht.ru/e-library

39

f(t) 4

3

2

1

0

1

2

3

t

Рис. 5.

и найти ее изображение. Эта функция описывает процесс, включаемый с запаздыванием τ = 2 . Для того, чтобы решить, какой это процесс, нужно заданную функцию представить в виде f (t) = ϕ(t −2)θ(t −2) . Сделаем это так:

f (t) = (t2 −6t + 11)θ(t −2) =

=(t −2)2 −4t −4 −6t + 11 θ(t −2) =

=(t −2)2 −2t + 7 θ(t −2) =

=(t −2)2 −2(t −2) + 3 θ(t −2). (80)

Отсюда следует, что f (t) есть процесс ϕ(t) = t2 −2t + 3 , “включаемый” с запаздыванием τ = 2 . На рис. 6 представлены графики функций ϕ(t) и f (t) .

Так как

ϕ(t) = t2

2

2

3

 

 

−2t + 3 +

 

−

 

+

 

,

(81)

p3

p2

p

www.mitht.ru/e-library

40

 

ϕ(t)

f(t)

 

 

0

2

t

 

Рис. 6.

 

то применяя теорему запаздывания, находим

f (t) = ϕ(t −2)θ(t −2) +

p3

− p2

+ p

 

2

2

3

4. На рис. 7 представлен график функции

 

 

0,

 

t < 0

 

 

 

3,

0

≤

t

≤

4

f (t) =

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

t, 4 < t

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

≤

 

 

 

2

t > 6

 

 

 

0,

 

 

 

e−2p. (82)

(83)

Требуется с помощью единичной функции Хевисайда записать оригинал одним аналитическим выражением и найти изображение этого оригинала. Имеем f (t) = 0 при t < 0 ; в момент времени

www.mitht.ru/e-library

41

f(t)

3

0

4

6 t

 

Рис. 7.

 

t = 0 включается функция, равная 3; в момент t = 4 она выключается и включается функция 9 − 32 t ; в момент времени t = 6 выключается и эта функция. Все это можно записать так:

f (t) = 3θ(t) −3θ(t −4) + 9 − 2t

θ(t −4) − 9 −

2t

=

 

 

 

 

3

 

 

 

3

 

= 3θ(t) + 6 −

2t

 

 

 

2t

 

 

 

θ(t −4) − 9 −

θ(t −6). (84)

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

Для того, чтобы найти изображение этого оригинала, нужно, рассуждая как и в предыдущем примере, представить его в форме

f (t) = 3θ(t) + ϕ1(t −4)θ(t −4) + ϕ2(t −6)θ(t −6). (85)

Имеем:

f (t) = 3θ(t) +

6 −

3

(t −4) −6

θ(t −4)−

2

www.mitht.ru/e-library

42

 

3

(t −6) −9

θ(t −6) =

 

−

9 −

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

= 3θ(t) −

 

(t −4)θ(t

−

4) +

 

 

(t −6)θ(t −6).

(86)

2

2

Так как

ϕ1(t) = −

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t +

−

 

 

,

 

 

 

 

 

2

2p2

 

 

 

(87)

 

ϕ2(t) =

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

t +

,

 

 

 

 

 

 

 

2p2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то, применяя теорему запаздывания, находим

3

 

3

e−4p +

3

e−6p.

f (t) +

 

−

 

 

p

2p2

2p2

5. Найти оригинал по его изображению

f (p) = 1 − 3 e−2p. p2 p2

Имеем:

1 − 3 e−2p + t −3(t −2)θ(t −2). p2 p2

(88)

(89)

(90)

www.mitht.ru/e-library

Соседние файлы в предмете Высшая математика