变换
在上文中得出了对于形如 的函数分析量纲时
那么对于最熟知的两种变换——拉普拉斯变换和傅里叶变换。
先来看傅里叶变换的一个例子,如果对于进行傅里叶变换则
,利用在上文中所提到的
令就可以轻易得到
。所以由此可见,在变换中的一些问题,也可以量纲来做分析有一个更加深入的了解。
因为虚数也是无量纲数,所以在接下来的分析中可以避免出现复数
。下文中用拉普拉斯变换来进行分析。
可以发现由于
,所以
也就是说,经过拉普拉斯变换成功把时域函数
转变为复频域函数
,变换前的函数
称之为原函数,变换后的函数
称之为象函数。
而拉氏变换通常情况下有几种常用的性质,首先可以利用积分是线性变换来证明拉普拉斯变换的线性性质:。其次在对拉氏函数
进行微分或者积分的操作时,也会有对于量纲的平衡。微分性质写作
,可以得知由于
,所以量纲减少了
所以在象函数中需要乘
来使两边的量纲保持不变。对于后面的
,由于拉普拉斯变换在时域上是使量纲增加了t,所以在
处应该是量纲减少了
,在求导次数增加时以此类推。证明:
,进行分部积分可以得到
,由于存在性原理可以得到
,因此可以得到
的递推式,然后经过n次迭代,就可以得到上述微分性质。
相应的积分性质写作 由此可以直观看出对于n重积分,量纲就增加了
所以在转变为频域时一定要乘
来平衡量纲。证明:由于已经有了上面的微分性质,所以可以考虑一个换元:
,显然可以得到初值
,带入到上面的结论就可以得到
,在经过n次迭代就可以得到积分性质。这也正好对应了上面的微分性质,这样就可以粗略看出对于原函数积分或者微分过后的的象函数,大约就是用乘或除
来保持原有量纲平衡并不影响原拉氏变换后的象函数
。
接下来就是时域和频域上的平移和尺度伸缩:1.时移性 2.频移性 3.尺度变换。
时移性表现为原函数变为
,即时间上的初始位置平移。证明:令
,
频移性表现为原函数变为
,即复频域上的变量平移,证明:
尺度变换表现为时域函数的时间缩放映射到复频域函数的变量缩放,证明:
以上可以发现,平移不改变量纲而伸缩改变长度。所以需要用
来平衡掉多出来的量纲。
而对于熟知的函数最友好的便是多项式函数,所以可以用多项式函数先来举例子。当
时,
,这样就可以利用n次分部积分法来解得
。此时可以轻易的发现
所以对
进行拉氏变换后必须有
这一项,分子上面的阶乘则代表了分部积分的次数。