Операционное исчисление играет важную роль при решении прикладных задач, особенно в современной автоматике и телемеханике.
Операционное исчисление — один из методов математического анализа, позволяющий в ряде случаев сводить исследование дифференциальных и некоторых типов интегральных операторов и решение уравнений, содержащих эти операторы, к рассмотрению более простых алгебраических задач.
Методы операционного исчисления предполагают реализацию следующей условной схемы решения задачи.
- От искомых функций переходят к некоторым другим функциям — их изображениям.
- Над изображениями производят операции, соответствующие заданным операциям над самими функциями.
- Получив некоторый результат при действиях над изображениями, возвращаются к самим функциям.
В качестве преобразования, позволяющего перейти от функции к их изображениям, будем применять так называемое преобразование Лапласа.
- Преобразование Лапласа
- Свойства преобразования Лапласа
- Линейность
- Смещение (затухание)
- Запаздывание
- Дифференцирование оригинала
- Дифференцирование изображения
- Интегрирование оригинала
- Интегрирование изображения
- Умножение изображений
- Умножение оригиналов
- Таблица оригиналов и изображений
- Обратное преобразование Лапласа
- Формула Римана-Меллина
- Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем
- Примеры решений задач по операционному исчислению (преобразованию Лапласа)
- Как найти изображение функции
- Как найти оригинал функции
- Как решить ДУ (систему ДУ) операционным методом
- Как решить интегральное уравнение
- Как найти свертку функций
- Помощь с решением заданий
- Статья на тему: «Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем»
- 📺 Видео
Видео:Решение ДУ.Операционный методСкачать

Преобразование Лапласа
Оригиналы и их изображения:
Основными первоначальными понятиями операционного исчисления являются понятия функции-оригинала и функции-изображения.
Пусть f(t) — действительная функция действительного переменного t (под t будем понимать время или координату).
Функция f(t) называется оригиналом, если она удовлетворяет следующим условиям:
- f(t)— кусочно-непрерывная при
т. е. она непрерывна или имеет точки разрыва I рода, причем на каждом конечном промежутке оси t таких точек лишь конечное число.
- Существуют такие числа
что для всех t выполняется неравенство
, т. е. при возрастании t функция f(t) может возрастать не быстрее некоторой показательной функции. Число
называется показателем роста f(t).
Условия 1-3 выполняются для большинства функций, описывающих различные физические процессы.
Первое условие означает, что процесс начинается с некоторого момента времени; удобнее считать, что в момент t = 0. Третьему условию удовлетворяют ограниченные функции (для них можно положить 



Замечание:
Функция f(t) может быть и комплексной функцией действительно переменного, т. е. иметь вид 

Изображением оригинала f(t) называется функция F(p) комплексного переменного 
Операцию перехода от оригинала f(t) к изображению F(p) называют преобразованием Лапласа. Соответствие между оригиналом f(t) и изображением F(p) записывается в виде 

Теорема:
Существование изображения. Для всякого оригинала f(t) изображение F(p) существует (определено) в полуплоскости 

Докажем первую часть теоремы. Пусть 

Учитывая, что 
Отсюда вытекает абсолютная сходимость интеграла (78.1), т. е. изображение F(p) существует и однозначно в полуплоскости
Следствие:
Необходимый признак существования изображения. Если функция F(p) является изображением функции f(t) , то
Это утверждение непосредственно вытекает из неравенства (78.2), когда
Так как F(p) — аналитическая функция в полуплоскости
по любому направлению. Отсюда, в частности, следует, что функции 
Отметим, что из аналитичности функции F(p) следует, что все ее особые точки должны лежать левее прямой 

Теорема:
О единственности оригинала. Если функция F(p) служит изображением двух оригиналов 
(Примем без доказательства.)
Пример:
Найти изображение единичной функции Хевисайда
Решение:
По формуле (78.1) при 
т. e. 
В дальнейшем функцию-оригинал будем кратко записывать в виде f(t) , подразумевал, что
Пример:
Найти изображение функции 
Решение:
Данная функция является оригиналом. По формуле (78.1) имеем
если Re(p — a) > 0. Таким образом,
Пример:
Найти изображение функции f(t) = t.
Решение:
В этом случае преобразование Лапласа имеет вид

Замечание:
Функция 
Свойства преобразования Лапласа
Находить изображения, пользуясь только определением изображения, не всегда просто и удобно. Свойства преобразования Лапласа существенно облегчают задачу нахождения изображений для большого числа разнообразных функций, а также задачу отыскания оригиналов по их изображениям.
Линейность
Линейной комбинации оригиналов соответствует такая же линейная комбинация изображений, т. е. если
— постоянные числа, то
Используя свойства интеграла, находим
Пример:
Найти изображения функций 
Решение:
Пользуясь свойством линейности, формулой (78.3), находим:
Аналогично получаем формулу
Далее, 

Аналогично получаем формулу
т.е. умножение аргумента оригинала на положительное число 
По формуле (78.1) имеем
(так как безразлично, какой буквой обозначена переменная интегрирования).
Например, пусть 
Смещение (затухание)
т. е. умножение оригинала на функцию 
В силу формулы (78.1) имеем

Благодаря этому свойству можно расширить таблицу соответствия между оригиналами и их изображениями:

Пример:
Найти оригинал по его изображению
Решение:
Преобразуем данную дробь так, чтобы можно было воспользоваться свойством смещения:
(См. формулы (78.9), (78.10) и свойство линейности.)
Запаздывание
т. е. запаздывание оригинала на положительную величину 

Положив 
Поясним термин «запаздывание». Графики функции f(t) и 


Рис. 304
Рис. 305
вправо (см. рис. 304). Следовательно, функции f(t) и 


Свойство запаздывания удобно применять при отыскании изображения функций, которые на разных участках задаются различными аналитическими выражениями; функций, описывающих импульсные процессы.
называется обобщенной единично ной функцией (см. рис 305).
можно записать так:
Пример:
Найти изображение f(t) = t — 1.
Решение:
Для того чтобы быть оригиналом, функция f(t) должна удовлетворять условиям 1-3 (см. п. 78.1). В этом смысле исходную задачу можно понимать двояко.
Если понимать функцию f(t) как
т. е. 


Если же понимать функцию f(t) как
т. е. 

Пример:
Найти изображение функции
Решение:
Данная функция описывает единичный импульс (см. рис. 307), который можно рассматривать как разность двух оригиналов: единичной функции 

Пример:
Найти изображение функции

Решение:
Функция-оригинал изображена на рис. 308. Запишем ее одним аналитическим выражением, используя функции Хевисайда 
Раскроем скобки и приведем подобные слагаемые:
Изображение функции f(t) будет равно
Замечания:
1.Изображение периодического оригинала с периодом, равным Т,
есть
применяется значительно реже.
Дифференцирование оригинала
Если 

По определению изображения находим
Итак, 
Аналогично найдем изображение третьей производной f»‘(t):
Применяя формулу (78.11) (п — 1) раз, получим формулу (78.14).
Замечание. Формулы (78.11)-(78.14) просто выглядят при нулевых начальных условиях: если
т. е. дифференцированию оригинала соответствует умножение его изображения на р.
Рассмотренное свойство дифференцирования оригинала вместе со свойством линейности широко используется при решении линейных дифференциальных уравнений.
Пример:
Найти изображение выражения

Решение:
Пусть 
Дифференцирование изображения
Если 
т. е. дифференцированию изображения соответствует умножение его оригинала на (-t).
Согласно теореме 78.1 существования изображения, F(p) является аналитической функцией в полуплоскости 

Пример:
Найти изображения функций
Решение:
Так как 

Продолжая дифференцирование, получим
С учетом свойства смещения получаем
Согласно формуле (78.5), 

Аналогично, используя формулы (78.6), (78.7) и (78.8), находим
С учетом свойства смещения и формул (78.15) и (78.16), получаем
Интегрирование оригинала
т. е. интегрированию оригинала от 0 до t соответствует деление его изображения на р.
Функция 
Пусть 
(так как 

Интегрирование изображения
Если 



Используя формулу (78.1) и изменяя порядок интегрирования (обоснование законности этой операции опускаем), получаем
Пример:
Найти изображение функции 
Решение:
т. е. 
Умножение изображений
Если 
Можно показать, что функция 
Используя преобразование Лапласа (78.1), можно записать
Область D интегрирования полученного двукратного интеграла определяется условиями 
Изменяя порядок интегрирования и полагая 
Интеграл в правой части формулы (78.17) называется сверткой функции 

Можно убедиться (положив 
Умножение изображений соответствует свертыванию их оригиналов, т. е.
Пример:
Найти оригинал функций
Решение:

Следствие:
Если 
Запишем произведение 
Первое слагаемое в правой части есть произведение изображений, соответствующих оригиналам 

Формула (78.18) называется формулой Дюамеля. На основании свойства переместительности свертки формулу Дюамеля можно записать в виде
Формулу Дюамеля можно применять для определения оригиналов по известным изображениям.
Пример:
Найти оригинал, соответствующий изображению
Решение:
то на основании формулы Дюамеля (78.18) имеем
Умножение оригиналов
где путь интегрирования — вертикальная прямая 
Рассмотренные свойства преобразования Лапласа представляют собой основные правила (аппарат) операционного исчисления. Для удобства пользования перечислим эти свойства.

6. Дифференцирование изображения


Таблица оригиналов и изображений
Составим краткую таблицу, устанавливающую соответствие между некоторыми оригиналами (часто встречающимися на практике) и их изображениями. Достаточно полная таблица оригиналов и изображений, позволяющая по заданному оригиналу находить изображение и наоборот, есть, в частности, в книге «Справочник по операционному исчислению» (авторы В. А. Диткин и П. И. Кузнецов).


Видео:ДУ Операционный методСкачать

Обратное преобразование Лапласа
Теоремы разложения:
Рассмотрим две теоремы, называемые теоремами разложения, позволяющие по заданному изображению F(p) находить соответствующий ему оригинал f(t).
Теорема:
Если функция F(p) в окрестности точки 
является оригиналом, имеющим изображение F(p), т. е.
Примем эту теорему без доказательства.
Пример:
Найти оригинал f(t), если
Решение:
Следовательно, на основании теоремы 79.1
Запишем лорановское разложение функции 

где 
Теорема:
Если 

является оригиналом, имеющим изображение F(p).
Отметим, что дробь 
не может быть изображением.
Разложим правильную рациональную дробь 
где 


Переходя в этом равенстве к пределу при 
Итак, 

Подставляя найденные значения 
Так как по формуле (78.3)
то на основании свойства линейности имеем
Замечание:
Легко заметить, что коэффициенты 
Можно показать, что если 


Теорему 79.2 можно сформулировать следующим образом:
Теорема:
Если изображение 

Формула Римана-Меллина
Общий способ определения оригинала по изображению дает обратное преобразование Лапласа (формула обращения Римана-Меллина), имеющее вид
где интеграл берется вдоль любой прямой 
При определенных условиях интеграл (79.5) вычисляется по формуле
Замечание:
На практике отыскание функции-оригинала обычно проводят по следующему плану: прежде всего следует по таблице оригиналов и изображений попытаться отыскать для заданного изображения F(p) соответствующий ему оригинал; второй путь состоит в том, что функцию F(p) стараются представить в виде суммы простейших рациональных дробей, а затем, пользуясь свойством линейности, найти оригинал; наконец, использовать теоремы разложения, свойство умножения изображений, формулу обращения и т.д.
Пример:
Найти оригинал по его изображению
Решение:
Проще всего поступить так:
(использовали свойство линейности и формулы (78.5) и (78.6)).
Если же использовать теорему 79.2 разложения, то будем иметь:
корни знаменателя 
Пример:
Найти функцию-оригинал, если ее изображение
задано как
Решение:
— простой корень знаменателя, 
Приведем другой способ нахождения f(t). Разобьем дробь
на сумму простейших дробей:
Приведем третий способ нахождения f(t). Представим F(p) как
произведение 

Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем
Пусть требуется найти частное решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами
удовлетворяющее начальным условиям
где 
Будем считать, что искомая функция y(t) вместе с ее рассматриваемыми производными и функция f(t) являются оригиналами.
Пусть 
Полученное уравнение называют операторным (или уравнением в изображениях). Разрешим его относительно Y:
— алгебраические многочлены от p степени п и п-1 соответственно. Из последнего уравнения находим
Полученное равенство называют операторным решением дифференциального уравнения (80.1). Оно имеет более простой вид, если все начальные условия равны нулю, т. е.
В этом случае
Находя оригинал y(t), соответствующий найденному изображению (80.2), получаем, в силу теоремы единственности, частное решение дифференциального уравнения (80.1).
Замечание:
Полученное решение y(t) во многих случаях оказывается справедливым при всех значениях t (а не только при 
Пример:
Решить операционным методом дифференциальное уравнение 
Решение:
Пусть 
Подставляя эти выражения в дифференциальное уравнение, получаем операторное уравнение:
Отсюда 


Пример:
Найти решение уравнения
при условии
Решение:
График данной функции имеет вид, изображенный на рисунке 311.
С помощью единичной функции правую часть данного дифференциального уравнения можно записать одним аналитическим выражением:

Таким образом, имеем
Операторное уравнение, при нулевых начальных условиях имеет вид
то по теореме запаздывания находим:
Аналогично применяется операционный метод для решения систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.
Покажем это на конкретном примере.
Пример:
Решить систему дифференциальных уравнений
Решение:
Система операторных уравнений принимает вид
Решая эту систему алгебраических уравнений, находим:
Переходя от изображений к оригиналам, получаем искомые решения:


С помощью операционного исчисления можно также находить решения линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, уравнений в частных производных, уравнений в конечных разностях (разностных уравнений); производить суммирование рядов; вычислять интегралы. При этом решение этих и других задач значительно упрощается.
Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:




















































Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Видео:Операционное исчисление. Решить неоднородное дифференциальное уравнение 2 порядкаСкачать

Примеры решений задач по операционному исчислению (преобразованию Лапласа)
Операционное (символическое) исчисление – это один из методов математического анализа, позволяющий в некоторых случаях свести исследование и решение дифференциальных, псевдодифференциальных, интегральных уравнений, к более простым алгебраическим задачам.
Изучая преобразование Лапласа, мы вводим оригинал функции $f(t)$ и ее изображение $F(p)$, находимое по формуле:
$$F(p) = int_0^infty f(t) e^dt$$
Для быстроты и удобства решения задач составлена таблица изображений и оригиналов, которая, наряду с теоремами (линейности, подобия, смещения, запаздывания), свойствами и правилами дифференцирования и интегрирования изображения/оригинала, постоянно используется в решении примеров.
В этом разделе вы найдете готовые задания разного типа: восстановление оригинала или изображения функции, нахождение свертки функций, решение ДУ, систем ДУ или интегральных уравнений с помощью преобразования Лапласа и т.д.
Видео:Задача Коши ➜ Частное решение линейного однородного дифференциального уравненияСкачать

Как найти изображение функции
Задача 1. Найти изображение данного оригинала, или оригинала, удовлетворяющего данному уравнению
Задача 2. Пользуясь определением, найти изображение функции $f(t)=3^t$.
Задача 3. Найти изображение функции: $int_0^t cos tau cdot e^dtau. $
Задача 4. Найти изображение оригинала $f(x)$ двумя способами:
1) Вычислив интеграл $F(p) = int_0^infty f(x) e^dx$;
2) Воспользовавшись таблице изображений и свойствами преобразования Лапласа.
Оригинал задается формулой (курсочно-линейная функция, см. файл).
Видео:Операционное исчисление. Решение дифференциального уравнения четвертого порядка.Скачать

Как найти оригинал функции
Задача 5. Найти оригинал изображения $F(p)$, где
Задача 6. Найти оригинал изображения
Задача 7. Найти оригинал для функции с помощью вычетов
Видео:Система дифференциальных уравнений. Операционный методСкачать

Как решить ДУ (систему ДУ) операционным методом
Задача 8. Найти частное решение дифференциального уравнения с заданными начальными условиями операторным методом
Задача 9. Найти решение задачи Коши методами операционного исчисления
Задача 10. Методом операционного исчисления найти частное решение системы дифференциальных уравнений, удовлетворяющее заданным начальным условиям.
Задача 11. Методом операционного исчисления найти решение задачи Коши для ДУ 3-го порядка
Задача 12. Решите задачу Коши для системы дифференциальных уравнений с помощью преобразования Лапласа.
Задача 13. C помощью формулы Дюамеля найти решение уравнения
Задача 14. Решить систему ДУ с помощью преобразования Лапласа
Видео:13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядкаСкачать

Как решить интегральное уравнение
Задача 15. Методом операционного исчисления найти решение интегрального уравнения
$$ y(t)=cos t +int_0^t (t-tau)^2 y(tau)d tau. $$
Задача 16. Решить интегральное уравнение
$$ int_0^t ch (tau) x(t-tau)d tau = t. $$
Видео:14. Операционное исчисление. Система ДУСкачать

Как найти свертку функций
Задача 17. Найти свертку функций $f(t)=1$ и $phi(t)=sin 5t$.
Видео:7. Линейные дифференциальные уравнения первого порядка. Метод Бернулли.Скачать

Помощь с решением заданий
Если вам нужна помощь с решением задач и контрольных по этой и другим темам математического анализа, обращайтесь в МатБюро. Стоимость подробной консультации от 100 рублей , оформление производится в Word, срок от 1 дня.
Видео:Операторный метод решения дифференциальных уравнений | Решение задачСкачать

Статья на тему: «Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем»
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
«Актуальность создания школьных служб примирения/медиации в образовательных организациях»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Операционный метод решения линейных дифференциальных уравнений и их систем
Операционный метод приобрел большое значение при решении линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Эффективность применения операционного исчисления при решении линейных обыкновенных дифференциальных уравнений состоит в удобстве и простоте вычислений. Прежде всего это относится к решению систем таких уравнений [4, с. 131].
Рассмотрим обыкновенное дифференциальное уравнение n-го порядка с постоянными коэффициентами

где коэффициенты 
x(0)= 




где 
Операционный метод решения состоит в том, что мы считаем как искомую функцию x(t), так и правую часть f(t) оригиналами и переходим от уравнения (1) , связывающего оригиналы, к уравнению, связывающему их изображения X(p) и F(p), тогда x(t) ≑ X(p) , а f(t) ≑ F(p) . Воспользуемся теоремой о дифференцировании оригинала:


Применяя свойство линейности получаем вместо уравнения (1) алгебраическое соотношение, которое назовем изображением, или операторным уравнением:





В результате мы получили уже не дифференциальное, а алгебраическое уравнение относительно неизвестного изображения X(p).
где 

Из последнего уравнения находим

Полученное равенство называют операторным решением дифференциального уравнения (1). Остается по полученному изображению X(p) найти оригинал x(t) , применяя для этого соответствующие правила операционного исчисления. Найденный оригинал x(t) будет являться частным решением дифференциального уравнения (1) [3, с. 128].
Пример: найдем решение дифференциального уравнения операционным методом 

Подставим эти выражения в дифференциальное уравнение, получим операторное уравнение: 
Для нахождения оригинала разложим дробь на простейшие
A(p+1)+B(p-3)(p+1)+C 
Ap+A+B 

Составим систему уравнений:
Решив ее, получаем
Итак X(p)= 
x(t)= 
Системы линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами можно решать операционными методами совершенно так же, как и отдельные уравнения; все отличие заключается лишь в том, что вместо одного изображающего уравнения приходим к системе таких уравнений, причем система эта в отношении изображений искомых функций будет линейно алгебраической. При этом никаких предварительных преобразований исходной системы дифференциальных уравнений производить не требуется [3, с. 134].
Метод решения таких систем покажем на примере.
Пример: решить систему дифференциальных уравнений
при начальных условиях x(0)=2 , y(0)=0.
Подставим эти выражения в систему дифференциальных уравнений, система операторных уравнений принимает вид:
Решая эту систему уже алгебраических уравнений , находим:
X(p)= 
Y(p)=
Раскладывая найденные изображения на простые дроби находим:
X(p)= 
Y(p)= 
Переходя от изображений к оригиналам, получаем искомые решения:
x(t)=
y(t)= 
Таким образом операционный метод позволяет в ряде случаев значительно упростить процедуру нахождения решения линейных дифференциальных уравнений и их систем.
1.Араманович И.Г., Лунц Г.Л., Эльсгольц Л.Э. Функции комплексного переменного. Операционное исчисление. Теория устойчивости. -М., Главная редакция физико-математической литературы, 1968 г., — стр. 416. — Избранные главы высшей математики для инженеров и студентов втузов. — 263—268 с.
2.Диткин В.А., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Физматгиз, 1961. — 127—132 с.
3.Шостак Р.Я. Операционное исчисление. Краткий курс. Изд. второе, доп.Учебное пособие для вузов М. «Высшая школа», 1972 — 126—139 с.
4.Штокало И.3. Операционное исчисление (обобщения и приложения) Киев, Издательство «Наукова Думка», 1972 —131—144 с.
📺 Видео
Решение диф.уравнений операторным методомСкачать

Линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентамиСкачать

Операционный метод для задачи КошиСкачать

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать

2. Дифференциальные уравнения с разделяющимися переменными. Часть 1.Скачать

12 Операционное исчисление. Решить однородное ДУ 2 порядка.Скачать

Решение системы дифференциальных уравнений методом ЭйлераСкачать

Метод Лапласа решения ДУСкачать



т. е. она непрерывна или имеет точки разрыва I рода, причем на каждом конечном промежутке оси t таких точек лишь конечное число.
что для всех t выполняется неравенство
, т. е. при возрастании t функция f(t) может возрастать не быстрее некоторой показательной функции. Число
называется показателем роста f(t).





















































































































































































