Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Оригинал и его изображение

Назначение . Данный сервис предназначен для нахождения онлайн оригинала f(t) по изображению F(p) . Результаты вычисления оформляются в формате Word (см. пример).

  • Решение онлайн
  • Видеоинструкция

Таблица оригиналов и изображений Лапласа

ИзображениеОригинал
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаt
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа1
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаe at
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаsin(ωt)
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаcos(ωt)
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаe -at sin(ωt)
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаe -at cos(ωt)
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаsh(ωt)
Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаch(ωt)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Начальной функцией или оригиналом называют функцию f(t) действительной переменной t , удовлетворяющей следующим условиям:

  1. f(t)=0 при t 0 и s – некоторые вещественные числа, то |f(t)|≤Me st при t≥0.
  2. f(t) — кусочно-непрерывная и интегрируемая на любом конечном отрезке изменения t .

Точная нижняя грань s0 всех чисел s , для которых выполняется неравенство, называется показателем роста функции f(t) .

Видео:Проверить, является ли функция оригиналом; Laplace Transform: The Heaviside step functionСкачать

Проверить, является ли функция оригиналом; Laplace Transform: The Heaviside step function

Теоремы запаздывания и смещения

Теорема смещения: L[e p0t f(t)] = F(p-p0).
Пример . (p+4)/((p+4) 2 +9) = e -4t cos(3t)

Видео:21. Частные производные второго порядка. Часть 4.Скачать

21. Частные производные второго порядка. Часть 4.

Электронная библиотека

Пусть имеется однородное тело V, ограниченное поверхностью S. Как известно, температура тела удовлетворяет уравнению:

Если процесс установившийся (стационарный), т.е. u(x,y,z) не зависит от времени, то . Следовательно, температура u(x,y,z) удовлетворяет уравнению Лапласа:

Функции u, удовлетворяющие уравнению Лапласа называются гармоническими (см. главу 2).

Чтобы температура в теле определялась однозначно из уравнения Лапласа, нужно знать температуру на поверхности S. Таким образом, для уравнения Лапласа краевая задача формулируется так: найти функцию u(x,y,z), удовлетворяющую уравнению (4.71) внутри объема V и принимающую в каждой точке заданные значения:

Эта задача называется задачей Дирихле или первой краевой задачей для уравнения Лапласа (4.71).

Если рассматривать плоский случай, то уравнению Лапласа должна удовлетворять функция u(x,y), а краевые условия должны иметь место на контуре С, ограничивающем односвязную область D плоскости хОу.

Замечание. В практике часто пользуются уравнением Лапласа, записанного в цилиндрических координатах (полярных, если случай плоский).

Если ввести в рассмотрение цилиндрические координаты: , то заменяя x, y, z на r, , z, приходят к функции и * ( r, , z), а уравнение Лапласа этой функции будет иметь вид:

Если функция u не зависит от z, а зависит только от х и у, то функция и * =и * ( r, ) и удовлетворяет уравнению Лапласа:

Найдём решение задачи Дирихле для круга. Пусть в плоскости Х0У задан круг радиусом R с центром в начале координат и на его окружности задана функция , где полярный угол. Требуется найти функцию и( r, ), непрерывную в круге, включая границу, удовлетворяющую внутри круга уравнению Лапласа:

и на окружности круга принимающую заданные значения:

Задачу решаем в полярных координатах. Тогда уравнение (4.75) будет:

Решение ищем методом разделения переменных, полагая

Подставляя в уравнение Лапласа, приходим:

Последнее равенство дает два уравнения:

Общее решение уравнения (4.80) будет:

Общее решение уравнения (4.81):

(решение ищется в форме ).

Запишем решение в виде:

Если k = 0, то должны взять (решение должно быть периодической функцией).

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Как и ранее решение задачи получим, суммируя все uk в (4.84), а следовательно, сумма должна быть периодической функцией от , Для этого k должно принимать целые значения (в самом начале мы взяли , а не , так как числу не отвечало бы периодическим решениям). Функция ограниченна только положительными значениями k = 1, 2,…,n,…, так как в силу произвольности A, B, C, D отрицательные значения k новых частных решений не дают.

Подставив в равенство (4.85) r = R, получим:

Отсюда видно, что функция должна разлагаться в ряд Фурье в интервале и , должны быть коэффициентами Фурье. Следовательно,

Подставляя в формулу (4.85) значения Аn и Вn из (4.87) и проведя тождественные преобразования (рекомендуется выполнить самостоятельно в качестве упражнения), получим:

Формула (4.88) называется интегралом Пуассона. Этим и завершается решение задачи Дирихле для круга.

Показать, что функция есть гармоническая функция.

Решение. По определению функция u(x,y) называется гармонической в некоторой области, если в каждой точке этой области она удовлетворяет уравнению Лапласа:

Вывод: функция гармоническая.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Видео:показать, что функция удовлетворяет соотношениюСкачать

показать, что функция удовлетворяет соотношению

Преобразование Лапласа с примерами решения и образцами выполнения

Ранее мы рассмотрели интегральное преобразование Фурье

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

с ядром K(t, ξ) = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Преобразование Фурье неудобно тем, что должно быть выполнено условие абсолютной интегрируемости функции f(t) на всей оси t,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Преобразование Лапласа позволяет освободиться от этого ограничения.

Определение:

Функцией-оригиналом будем называть всякую комплекснозначную функцию f(t) действительного аргумента t, удовлетворяющую следующим условиям:

  1. f(t) непрерывна на всей оси t, кроме отдельных точек, в которых f(t) имеет разрыв 1-го рода, причем на каждом конечном интервале оси t таких точек может быть лишь конечное число;
  2. функция f(t) равна нулю при отрицательных значениях t, f(t) = 0 при t 0 и з такие, что для всех t

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Ясно, что если неравенство (1) выполняется при некотором s = s1, то оно будет выполнятся при всяком s2 > s1.

Точная нижняя грань sо всех чисел s, so = infs, для которых выполняется неравенство (1), называется показателем роста функции f(t).

Замечание:

В общем случае неравенство

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

не имеет места, но справедлива оценка

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

где ε > 0 — любое. Так, функция f(t) = t, t ≥ 0, имеет показатель роста so =0. Для нее неравенство |t| ≤ М ∀t ≥ 0 не выполняется, но ∀ε > О, ∀t > 0 верно неравенство Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Условие (1) гораздо менее ограничительное, чем условие (*).

Пример:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

не удовлетворяет условию (*), но условие (1) выполнено при любом s ≥ 1 и М ≥ 1; показатель роста so = 1. Так что f(t) является функцией-оригиналом. С другой стороны, функция

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

не является функцией-оригиналом: она имеет бесконечный порядок роста, sо = +∞. Простейшей функцией-оригиналом является
так называемая единичная функция

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Если некоторая функция φ(t) удовлетворяет условиям 1 и 3 определения 1, но не удовлетворяет условию 2, то произведение f(t) = φ(t) η(t) уже является функцией-оригиналом.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Для простоты записи мы будем, как правило, множитель η(t) опускать, условившись, что все функции, которые мы будем рассматривать, равны нулю для отрицательных t, так что если речь идет о какой-то функции f(t) например, о sin t, cos t, e t и т. д., то всегда подразумеваются следующие функции (рис. 2):

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Определение:

Пусть f(t) есть функция-оригинал. Изображением функции f(t) по Лапласу называется функция F(p) комплексного переменного р = s + iσ, определяемая формулой

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

где интеграл берется по положительной полуоси t. Функцию F(p) называют также преобразованием Лапласа функции f(t); ядро преобразования K(t, р) = e -pt .
Тот факт, что функция f(x) имеет своим изображением F(p), будем записывать так:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найти изображение единичной функции η(t).

Функция Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаявляется функцией-оригиналом с показателем роста s0 = 0. В силу формулы (2) изображением функции η(t) будет функция

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Если р = s + iσ, то при s > 0 интеграл в правой части последнего равенства будет сходящимся, и мы получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

так что изображением функции η(t) будет функция 1/p. Как мы условились, будем писать, что η(t) = 1, и тогда полученный результат запишется так:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема:

Для всякой функции-оригинала f(t) с показателем роста sо изображение F(p) определено в полуплоскости Re p = s > So и является в этой полуплоскости аналитической функцией (рис. 3).

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Для доказательства существования изображения F(p) в указанной полуплоскости достаточно установить, что несобственный интеграл (2) абсолютно сходится при s > so. Используя (3), получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

что и доказывает абсолютную сходимость интеграла (2). Одновременно мы получили оценку преобразования Лапласа F(p) в полуплоскости сходимости Re р = s > so

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Дифференцируя выражение (2) формально под знаком интеграла по р, находим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Существование интеграла (5) устанавливается так же, как было установлено существование интеграла (2).

Применяя для F'(p) интегрирование по частям, получаем оценку

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

откуда следует абсолютная сходимость интеграла (5). (Внеинтегральное слагаемое Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа— при t → + ∞ имеет предел, равный нулю). В любой полуплоскости Re р ≥ S1 > So интеграл (5) сходится равномерно относительно р, поскольку он мажорируется сходящимся интегралом

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

не зависящим от р. Следовательно, дифференцированиепо р законно и равенство (5) справедливо.

Поскольку производная F'(p) существует, преобразование Лапласа F(p) всюду в полуплоскости Re p = s > sо является аналитической функцией.

Из неравенства (4) вытекает

Следствие:

Если точка р стремится к бесконечности так, что Re р = s неограниченно возрастает, то

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найдем еще изображение функции f(t) =Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа, где а = а + iβ — любое комплексное число.

Показатель роста sо функции f(t) равен а.

Считая Rep = s> а, получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

При а = 0 вновь получаем формулу

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Обратим внимание на то, что изображение функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаявляется аналитической функцией аргумента р не только в полуплоскости Re p > а, но и во всех точках р, кроме точки р = а, где это изображение имеет простой полюс. В дальнейшем мы не раз встретимся с подобной ситуацией, когда изображение F(p) будет аналитической функцией во всей плоскости комплексного переменного р, за исключением изолированных особых точек. Противоречия с теоремой 1 нет. Последняя утверждает лишь, что в полуплоскости Re p > So функция F(p) не имеет особых точек: все они оказываются лежащими или левее прямой Re p = So, или на самой этой прямой.

Замечание:

В операционном исчислении иногда пользуются изображением функции f(t) по Хевисайду, определяемым равенством

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

и отличаюикмся от шоСражения по Лапласу множителем р.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Видео:Проверить является ли функция оригиналом. #laplacetransformСкачать

Проверить является ли функция оригиналом. #laplacetransform

Свойства преобразования Лапласа

В дальнейшем через f(t), φ(t), … будем обозначать функции-оригиналы, а через F(p), Ф(р), … — их изображения по Лапласу,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Из определения изображения следует, что если f(t) = 9 ∀t, то F(p) = 0.

Теорема единственности:

Теорема:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Справедливость утверждения вытекает из свойства линейности интеграла, определяющего изображение:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа— показатели роста функций f(t) и φ(t) соответственно).

На основании этого свойства получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Аналогично находим, что
(4)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема подобия:

Если f(t) — функция-оригинал и F(p) — ее изображение по Лапласу, то для любого постоянного а > 0

Полагая at = т, имеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пользуясь этой теоремой, из формул (5) и (6) получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема:

О дифференцировании оригинала. Пусть f(t) является функцией-оригиналом с изображением F(p) и пусть Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа— также функции-оригиналы, Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласапоказатель роста функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа(k = 0, 1,…, п). Тогда

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Здесь под fk(0) (k = 0,1,… , п — 1) понимается правое предельное значение Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пусть f(t) = F(p). Найдем изображение f'(t). Имеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Интегрируя по частям, получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Внеинтегральное слагаемое в правой части (10) обращается в нуль при t → + ∞, т. к. при Re р = s > Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаимеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

подстановка t = 0 дает -f(0).

Второе слагаемое справа в (10) равно pF(p). Таким образом, соотношение (10) принимаетвид

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

и формула (8) доказана. В частности, если f(0) = 0, то f'(t) = pF(p). Для отыскания изображения Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласазапишем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

откуда, интегрируя п раз по частям, получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Пользуясь теоремой о дифференцировании оригинала, найти изображение функции f(t) = sin 2 t.

Пусть f(t) = F(p). Тогда

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Но f(0) = О, а f'(0) = 2 sin t cos t = sin 2t = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа. Следовательно, Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа= pF(p), откуда F(p) =Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема 5 устанавливает замечательное свойство интегрального преобразования Лапласа: оно (как и преобразование Фурье) переводит операцию дифференцирования в алгебраическую операцию умножения на р.

Формула включения. Если f(t) и f'(t) являются функциями-оригиналами, то (11)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

В самом деле, f'( Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Так как функция F(p) в полуплоскости Rep = s > so является аналитической, то ее можно дифференцировать по р. Имеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Последнее как раз и означает, что Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Пользуясь теоремой 6, найти изображение функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Как известно, 1 = 1/p. Здесь f(t) = 1, F(p) = 1/p. Отсюда (1/p)’= (-t) • 1, или Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа= t. Вновь применяя теорему 6, найдем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема:

Интегрирование оригинала. Интегрирование оригинала сводится к делению изображения на р: если f(t) = F(p), то

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Нетрудно проверить, что если f(t) есть функция-оригинал, то и φ(t) будет функцией-оригиналом, причем φ(0) = 0. Пусть φ(t) = Ф(р). В силу (14)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

С другой стороны, f(t) =’ F(p), откуда F(p) = рФ(р), т.е. Ф(р) =Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Последнее равносильно доказываемому соотношению (13).

Пример:

Найти изображение функции

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

В данном случае f(t) = cos t, так что F(p) = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа. Поэтому

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема:

Интегрирование изображения. Если f(t) = F(p) и интеграл Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа сходится, то он служит изображением функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Предполагая, что путь интегрирования (р, ∞) лежит в полуплоскости Re p ≥ а> so, мы можем изменить порядок интегрирования (t > 0):

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Последнее равенство означает, что Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаявляется изображением функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Пример:

Найти изображение функции Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Как известно, sin t = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема запаздывания:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Положим ξ = t- τ. Тогда dt = d ξ. При t = τ получаем ξ = 0, при t = + ∞ имеем ξ = + ∞.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Поэтому соотношение (16) принимает вид

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найти изображение функции f(t), заданной графически (рис. 5).

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Запишем выражение для функции f(t) в следующем виде:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Это выражение можно получить так. Рассмотрим функцию f1(t) = η(t) для t ≥ 0 (рис. 6 а) и вычтем из нее функцию

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Разность f(t) — h(t) будет равна единице для t ∈ [0,1) и -1 для t ≥ 1 (рис. 6 b). К полученной разности прибавим функцию

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

В результате получим функцию f(t) (рис. 6 в), так что

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Отсюда, пользуясь теоремой запаздывания, найдем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема смещения:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема позволяет по известным изображениям функций находить изображения тех же функций, умноженных на показательную функцию Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа, например,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Свертка функций. Теорема умножения

Пусть функции f(t) и φ(t) определены и непрерывны для всех t. Сверткой (f *φ)(t) этих функций называется новая функция от t, определяемая равенством

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

(если этот интеграл существует).

Для функций-оригиналов f(t) и φ(t) операция свертки всегда выполнима, причем
(17)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

В самом деле, произведение функций-оригиналов f( τ ) φ(t — τ), как функция от τ, является финитной функцией, т.е. обращается в нуль вне некоторого конечного промежутка (в данном случае вне отрезка 0 ≤ τ ≤ t). Для финитных непрерывных функций операция свертки выполнима, и мы получаем формулу (17).

Нетрудно проверить, что операциясвертки коммутативна,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема умножения:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Нетрудно проверить, что свертка (f * φ)(t) функций-оригиналов есть функция-оригинал с показателем роста s* = mах, где s1, s2

показатели роста функций f(t) и φ(t) соответственно. Найдем изображение свертки,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Воспользовавшись тем, что

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Меняя порядок интегрирования в интеграле справа (при Re р = s > s* такая операция законна) и применяя теорему запаздывания, получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Таким образом, из (18) и (19) находим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

— умножению изображений отвечает свертывание оригиналов,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найти изображение функции

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Функция ψ(t) есть свертка функций f(y) = t и φ(t) = sin t. В силу теоремы умножения

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Задача:

Пусть функция f(t), периодическая с периодом Т, есть функция-оригинал. Показать, что ее изображение по Лапласу F[p) дается формулой

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

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

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

Отыскание оригинала по изображению

Задача ставится так: дана функция F(p), надо найти функцию f(t). изображением которой является F(p).

Сформулируем условия, достаточные для того, чтобы функция F(p) комплексного переменного р служила изображением.

Теорема:

Если аналитическая в полуплоскости Rep = s > so функция F(p)

1) стремится к нулю при |р| —» +в любой полуплоскости Re р = а > So равномерно относительно arg р;

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

сходится абсолютно, то F(p) является изображением некоторой функции-оригинала f<t).

Задача:

Может ли функция F(p) = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаслужить изображением некоторой функции-оригинала? Укажем некоторые способы отыскания оригинала по изображению.

Отыскание оригинала с помощью таблиц изображений

Прежде всего стоит привести функцию F(p) к более простому, «табличному» виду. Например, в случае, когда F(p) — дробно-рациональная функция аргумента р,ее разлагают на элементарные дроби и пользуются подходящими свойствами преобразования Лапласа.

Пример:

Найти оригинал для

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Запишем функцию F(p) в виде:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пользуясь теоремой смещения и свойством линейности преобразования Лапласа, получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найти оригинал для функции

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Запишем F(p) в виде

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Отсюда f(t) = t — sin t.

Использование теоремы обращения и следствий из нее

Теорема обращения:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

где интеграл берется вдоль любой прямой Re p = s > So и понимается в смысле главного значения, т. е. как

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Формула (1) называется формулой обращения преобразования Лапласа, или формулой Меллина. В самом деле, пусть, например, f(t) — кусочно-гладкая на каждом конечном отрезке [0, а] функция-оригинал-с показателем роста so. Рассмотрим функцию φ(t) = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа, где s>so — любое.

Функция φ(t) удовлетворяет условиям применимости интегральной формулы Фурье, и, следовательно, справедлива формула обращения преобразования Фурье,

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

(φ(t) ≡ 0 при t Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

откуда получаем формулу обращения преобразования Лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Как следствие из теоремы обращения получаем теорему единственности.

Теорема:

Две непрерывные функции f(t) и φ(t), имеющие одно и то же изображение F(p), тождественны.
Непосредственное вычисление интеграла обращения (1) обычно затруднительно. Отыскание оригинала по изображению упрощается при некоторых дополнительных ограничениях на F(p).

Теорема:

Пусть изображение F(p) — дробно-рациональная функция с полюсами р1, p2….pп. Тогда оригиналом для F(p) будет функция f(t) η(t), где

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пусть изображение F(p) — дробно-рациональная функция, F(p) = Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа, где А(р), В(р) — многочлены относительно р (взаимно простые), причем степень числителя А(р) меньше степени знаменателя В(р), т. к. для всякого изображения должно выполняться предельное соотношение

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пусть корни знаменателя В(р), являющиеся полюсами изображения F(p), суть р1, р2, …, рп, а их кратности равны r1, r2, …, rп соответственно.

Если число s, фигурирующее в формуле (1), взять большим всех Re pk (k = 1,2,…, п), то по формуле обращения, которая в этих условиях применима, получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Рассмотрим замкнутый контур ГR (рис.7), состоящий из дуги CR окружности радиуса R с центром в начале координат и стягивающей ее хорды АВ (отрезка прямой Re р = s), и проходимый в положительном направлении, причем радиус R настолько велик, что все полюсы F(p) лежат внутри ГR.

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

По теореме Коши о вычетах при любом R, удовлетворяющем указанному условию, будем иметь

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Второе слагаемое слева в равенстве (5) стремится к нулю при R → ∞. Это следует из леммы Жордана, если в ней заменить р на iz и учесть, что F(p) → 0 при Re p → + ∞. Переходя в равенстве (5) к пределу при R → ∞, мы получим слева

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

а справа — сумму вычетов по всем полюсам функции F(p)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Замечание:

Воспользовавшись формулой для вычисления вычетов, найдем, что

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Если все полюсы p1, р2,…, рn — простые, то

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

и формула (6) принимает вид

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Найти оригинал для функции

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Функция F(p) имеет простые полюсы р1 = i. p2 = -i. Пользуясь формулой (7), находим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Теорема:

Пусть изображение F(p) является аналитической функцией в бесконечно удаленной точке р =, причем ее разложение в окрестности |р| > R бесконечно удаленной точки имеет вид

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Тогда оригиналом для F(p) будет функция f(t) η<t), где

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Видео:Частные производные функции многих переменныхСкачать

Частные производные функции многих переменных

Приложения преобразования Лапласа (операционного исчисления)

Решение линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Дано линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами
(1)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

(ао, а1, а2 — действительные числа) и требуется найти решение уравнения (1) для t > 0, удовлетворяющее начальным условиям

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Будем считать, что f(t) есть функция-оригинал. Тогда x(t) — также функция-оригинал. Пусть

f(t) = F(p), x(t) = X(p).

По теореме о дифференцировании оригинала имеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Перейдем в уравнении (1) от оригиналов к изображениям. Имеем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Это уже не дифференциальное, а алгебраическое уравнение относительно изображения Х(р) искомой функции. Его называют операторным уравнением. Решая его, найдем операторное решение задачи (1)-(2) —

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Оригинал для Х(р) будет искомым решением х(t) задачи (1)-(2).

Общий случай линейного дифференциального уравнения n-го порядка (n ≥ 1) с постоянными коэффициентами от случая п = 2 принципиально ничем не отличается.

Приведем общую схему решения задачи Коши

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Здесь Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаозначает применение к 1 преобразование Лапласа, Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа— применение к III обратного преобразования Лапласа.

Пример:

Решить задачу Коши

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

По теореме о дифференцировании изображения

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Формула Дюамеля

В приложениях операционного исчисления к решению дифференциальных уравнений часто пользуются следствием из теоремы умножения, известным под названием формулы Дюамеля.

Пусть f(t) и φt) — функции-оригиналы, причем функция f(t) непрерывна на [0, + ∞), a φ(t) — непрерывно дифференцируема на [0,+ ∞). Тогда если f(t) = F(p), φ<t) = Ф(р),то по теореме умножения получаем, что

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Нетрудно проверить, что функция ψ(t) непрерывно дифференцируема на [0, + ∞), причем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Отсюда, в силу правила дифференцирования оригиналов, учитывая, что ψ(0) = 0, получаем формулу Дюамеля
(4)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Покажем применение этой формулы.

Пусть требуется решить линейное дифференциальное уравнение n-го порядка (n ≥ 1) с постоянными коэффициентами

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

при нулевых начальных условиях

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

(последнее ограничение несущественно: задачу с ненулевыми начальными условиями можно свести к задаче с нулевыми условиями заменой искомой функции).

Если известно решение x(t) дифференциального уравнения с той же левой частью и правой частью, равной единице,

L[x(t)] = l (7)

при нулевых начальных условиях

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

то формула Дюамеля (4) позволяет сразу получить решение исходной задачи (5)-(6).

В самом деле, операторные уравнения, отвечающие задачам (5)-(6) и (7)-(8), имеют соответственно вид

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

где F(p) — изображение функции f(t). Из (9) и (10) легко находи

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Отсюда по формуле Дюамеля

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

или, поскольку x1(0) = 0, (11)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Пример:

Решить задачу Коши

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Рассмотрим вспомогательную задачу

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Применяя операционный метод, находим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

По формуле (11) получаем решение x(t) исходной задачи:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Интегрирование систем линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами

Интегрирование систем осуществляется так же, как и решение одного линейного дифференциального уравнения — путем перехода от системы дифференциальных уравнений к системе операторных уравнений. Решая последнюю как систему линейных алгебраических уравнений относительно изображений искомых функций, получаем операторное решение системы. Оригинал для негобудетрешением исходной системы дифференциальных уравнений.

Пример:

Найти решение линейной системы

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

удовлетворяющее начальным условиям х(0) = у(0) = I.

Пусть х( Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Решая последнюю относительно Х(р) и У(р), получаем

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Решение исходной задачи Коши

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Решение интегральных уравнений

Напомним, что интегральным уравнением называют уравнение, в котором неизвестная функция входит под знак интеграла. Мы рассмотрим лишь уравнение вида (12)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

называемое линейным интегральным уравнением Вольтерра второго рода с ядром K(t — т), зависящим от разности аргументов (уравнение типа свертки). Здесь φ(t) — искомая функция, f(t) и K(t) — заданные функции.

Пусть f(t) и K(t) есть функции-оригиналы, f(t) =’ F(p), K(t) =’ K(p).

Применяя к обеим частям (12) преобразование Лапласа и, пользуясь теоремой умножения, получим
(13)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

где Ф(р) = φ(t). Из (13)

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Оригинал для Ф(р) будет решением интегрального уравнения (12).

Пример:

Решить интегральное уравнение

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Применяя преобразование Лапласа к обеим частям (14), получим

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Функция Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласаявляется решением уравнения (14) (подстановка Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласав уравнение (14) обращает последнее в тождество по t).

Замечание:

Преобразование Лапласа может быть использовано также при решении некоторых задач для уравнений математической физики.

Видео:ТФКП. Проверить условия Коши-Римана. Выяснить является ли функция аналитической.Скачать

ТФКП. Проверить условия Коши-Римана. Выяснить является ли функция аналитической.

Таблица преобразования Лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Видео:Показать, что функция y=e^(-x)sinx удовлетворяет дифференциальному уравнению. Как решать?Скачать

Показать, что функция y=e^(-x)sinx удовлетворяет дифференциальному уравнению. Как решать?

Дополнение к преобразованию Лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа Проверить что функция удовлетворяет уравнению лапласа

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

Потенциальное поле. Нахождение потенциала векторного поляСкачать

Потенциальное поле.  Нахождение потенциала векторного поля

7.1 Решение уравнения Лапласа в прямоугольникеСкачать

7.1 Решение уравнения Лапласа в прямоугольнике

1 Понятие оригинала и изображенияСкачать

1  Понятие оригинала и изображения

ТФКП. Восстановить аналитическую функцию по её мнимой части.Скачать

ТФКП. Восстановить аналитическую функцию по её мнимой части.

ТФКП. Восстановление аналитической функции по ее известной действительной частиСкачать

ТФКП. Восстановление аналитической функции по ее известной действительной части

Косухин О.Н. - Математический анализ.Часть 2.Семинары - 20. Дифференцирование неявных функцийСкачать

Косухин О.Н. - Математический анализ.Часть 2.Семинары - 20. Дифференцирование неявных функций

5.1 Задача Штурма-ЛиувилляСкачать

5.1 Задача Штурма-Лиувилля

Операционный метод для задачи КошиСкачать

Операционный метод для задачи Коши

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятияСкачать

Дифференциальные уравнения, 1 урок, Дифференциальные уравнения. Основные понятия

Курс по ИДУ: Функция Грина и задача Штурма-Лиувилля | Занятие 4Скачать

Курс по ИДУ: Функция Грина и задача Штурма-Лиувилля | Занятие 4

Решение простых уравнений. Что значит решить уравнение? Как проверить решение уравнения?Скачать

Решение простых уравнений. Что значит решить уравнение? Как проверить решение уравнения?

Математика без Ху!ни. Теория вероятностей, комбинаторная вероятность.Скачать

Математика без Ху!ни. Теория вероятностей, комбинаторная вероятность.
Поделиться или сохранить к себе: