- •Тема 16 элементы операционного исчисления
- •1 Определение преобразования Лапласа. Оригиналы и их изображения.
- •2 Существование изображения. Необходимый признак существования изображения. Единственность оригинала.
- •3. Свойства преобразования Лапласа.
- •Вопросы для самоконтроля
- •1 Теоремы разложения.
- •2 Формула Римана-Меллина .
- •3 Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и систем.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •4 Таблица оригиналов и их изображений
2 Формула Римана-Меллина .
Теорема 5 (формула Римана-Меллина). Пусть функция является оригиналом и имеет показатель роста , а – ее изображением. Тогда в любой точке , где оригинал непрерывен, справедлива формула Римана-Меллина
,
причем интегрирование производится вдоль любой прямой, интеграл понимается в смысле главного значения.
Без доказательства.
Определение 2. Формула Римана-Меллина
является обратной к формуле и называется обратным преобразованием Лапласа.
Теорема 6. Пусть – функция комплексного переменного , обладающая следующими свойствами:
1) функция , первоначально заданная в полуплоскости и удовлетворяющая в ней условиям:
а) – аналитическая функция в полуплоскости ,
б) в области
функция
стремится к нулю при
равномерно относительно
;
в) для всех
,
,
сходится
несобственный интеграл
,
где
–
некоторое положительное число, может
быть аналитически продолжена на всю
комплексную плоскость
;
2) аналитическое
продолжение функции
в полуплоскость
удовлетворяет условиям леммы Жордана.
Тогда имеет место следующее соотношение
,
где
и
– особые точки (полюсы, существенно
особые точки) функции, являющейся
аналитическим продолжением
в полуплоскость
,
.
Без доказательства.
Пример.
Найти оригинал
функции
.
Решение.
Аналитическим продолжением функции
в левую полуплоскость
является функция
,
удовлетворяющая условиям леммы Жордана
и имеющая две особые точки – полюсы
первого порядка
и
.
Поэтому при
и
имеем
.
3 Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и систем.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ К РЕШЕНИЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ.
Постановка задачи: Требуется найти решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами
,
удовлетворяющее начальным условиям Коши
,
,
,
,
где
,
,
,
– заданные числа, функция
вместе с ее рассматриваемыми производными
и функция
являются оригиналами.
Решение.
Пусть
,
.
Пользуясь свойствами дифференцирования
оригинала и линейности, перейдем от
оригиналов к изображениям:
Разрешая это
операторное уравнение относительно
,
получим:
.
Положим
,
.
Тогда
.
Полученное решение называется операторным решением искомого дифференциального уравнения.
Определяя оригинал , соответствующий найденному изображению , получаем искомое решение.
Замечания.
1.Полученное
решение
во многих случаях оказывается справедливым
при всех
,
а не только при
.
2. При нулевых начальных условиях решение операторного уравнения примет вид
.
Пример.
Решить уравнение
при начальных условиях
,
,
.
Решение. Имеем . Тогда
,
,
.
Подставляя в дифференциальное уравнение и преобразовывая, получим
.
По таблице оригиналов находим
,
,
.
Тогда получаем
.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО ИСЧИСЛЕНИЯ К РЕШЕНИЮ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ.
Постановка задачи. Требуется найти решение системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами
,
,
,
.
удовлетворяющее начальным условиям Коши
,
,
,
,
где
,
,
,
– заданные числа, функции
,
,
,
вместе со своими первыми производными
и функции
,
,
,
являются оригиналами.
Решение.
Пусть
,
,
.
Применяя преобразование Лапласа к
каждому уравнению системы и учитывая
правила дифференцирования оригинала,
получим
,
,
,
,
или
,
,
,
.
Данная система называется системой операторных уравнений.
Пусть
есть определитель
системы операторных уравнений и
– алгебраические дополнения элементов,
находящихся на пересечении
-1
строки и
-го
столбца. Если определитель
,
то применяя правило Крамера, получим
,
.
Для нахождения решения исходной системы определяются оригиналы, соответствующие полученным изображениям.
Если определитель
,
то система операторных уравнений решения
не имеет, следовательно, и исходная
система не имеет решения.
Пример. Найти решение системы дифференциальных уравнений
,
,
удовлетворяющее
начальным условиям
и
.
Решение.
Пусть
и
.
Применяя преобразование Лапласа к
данной системе, получим систему
операторных уравнений
Определитель данной системы
.
Тогда решение относительно изображений есть
,
.
Переходя от найденных изображений к оригиналам, получим при
,
.
При помощи операционного исчисления можно находить решения линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, уравнениями в частных производных, уравнений в конечных разностях, проводить суммирование рядов. Вычислять интегралы. При этом решение этих и других задач значительно упрощается.
