欢迎光临散文网 会员登陆 & 注册

变换

2023-08-21 03:50 作者:awyayb  | 我要投稿

  在上文中得出了对于形如e%5E%7BP(%7Bx%7D)%7D 的函数分析量纲时%5BP(%7Bx%7D)%5D%3D%5Ba%2Bbx%2Bcx%5E2%5Ccdots%5D%3D1%5Cimplies%20%5Ba%5D%3D1%5C%20and%5C%20%5Bx%5D%3D%5B%5Cfrac%7B1%7D%7Bb%7D%5D%3D%5B%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Csqrt%7Bc%7D%7D%5D%3D%5Ccdots

  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f%7B(t)%7D%3De%5E%7B-at%5E2%7D进行傅里叶变换则%5Cmathcal%7BF%7D(%20%5Comega%20)%3D%5Cint_%7B-%5Cinfty%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20e%5E%7B-at%5E2-i%20%5Comega%20t%7Ddt,利用在上文中所提到的%5Cint_%7B-%5Cinfty%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7De%5E%7B-ax%5E2-bx%7Ddx%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Cpi%7D%7Ba%7D%7D%20%5Ccdot%20e%5E%7B%5Cfrac%7Bb%5E2%7D%7B4a%7D%7D

b%3Di%5Comega%20就可以轻易得到%5Cmathcal%7BF%7D(%5Comega%20)%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B%5Cpi%7D%7Ba%7D%7D%5Ccdot%20e%5E%7B-%5Cfrac%7B%5Comega%5E2%7D%7B4a%7D%20%7D。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i也是无量纲数,所以在接下来的分析中可以避免出现复数i%5Comega%20。下文中用拉普拉斯变换来进行分析。  %5Cmathcal%7BL%7D%20%5Bf(t)%5D%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t)%20%5Ccdot%20e%5E%7B-st%7Ddt 可以发现由于%5Bst%5D%3D1,所以%5Bt%5D%3D%5B%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%7D%5D也就是说,经过拉普拉斯变换成功把时域函数f(t)转变为复频域函数F(s),变换前的函数f(t)称之为原函数,变换后的函数F(s)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:%0Aa%20%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t)%5D%2Bb%20%5Cmathcal%7BL%7D%5Bg(t)%5D%3D%5Cmathcal%7BL%7D%5Baf(t)%2Bbg(t)%5D。其次在对拉氏函数%5Cmathcal%7BL%7D(s) 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%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf%5E%7B(n)%7D(t)%5D%3Ds%5En%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t)%5D-s%5E%7Bn-1%7Df(0)-s%5E%7Bn-2%7Df'(0)-%5Ccdots%20-f%5E%7B(n-1)%7D(0),可以得知由于f%5E%7B(n)%7D(t)%3D%5Cfrac%7Bd%5Enf(t)%7D%7Bdt%5En%7D,所以量纲减少了t%5En所以在象函数中需要乘s%5En来使两边的量纲保持不变。对于后面的f%5Ek(0),由于拉普拉斯变换在时域上是使量纲增加了t,所以在f(0)处应该是量纲减少了%5B%5Cfrac%7Bt%5En%7D%7Bt%7D%5D%3D%5Bt%5E%7B(n-1)%7D%5D,在求导次数增加时以此类推。证明:%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf%5E%7Bn%7D(t)%5D%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20f%5E%7Bn%7D(t)%5Ccdot%20e%5E%7B-st%7Ddt,进行分部积分可以得到%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf%5E%7Bn%7D(t)%5D%3De%5E%7B-st%7Df%5E%7B(n-1)%7D(t)%7C_%7B0%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%2Bs%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df%5E%7B(n-1)%7D(t)e%5E%7B-st%7Ddt,由于存在性原理可以得到%5Clim_%7Bt%5Cto0%7D%20e%5E%7B-st%7Df%5E%7B(n-1)%7D(t)%3D0%20,因此可以得到%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf%5En(t)%5D%3D-f(0)%2Bs%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf%5E%7B(n-1)%7D(t)%5D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%5Cmathcal%7BL%7D%5B%5Cunderbrace%7B%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20dt%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20dt%20%5Ccdots%5Cint_%7B0%7D%5E%7Bt%7D%20%7D_%7Bn%E9%87%8D%7Df(t)dt%5D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5En%7D%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t)%5D 由此可以直观看出对于n重积分,量纲就增加了t%5En所以在转变为频域时一定要乘%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5En%7D 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:g(t)%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t)dt%20,显然可以得到初值g(0)%3D0%5C%20and%5C%20g'(t)%3Df(t),带入到上面的结论就可以得到%5Cmathcal%7BL%7D%5B%20f(t)%5D%3D%5Cmathcal%7BL%7D%5Bg'(t)%5D%3Ds%5Cmathcal%7BL%7D%5Bg(t)%5D-g(0)%3Ds%5Cmathcal%7BL%7D%5Bg(t)%5D,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s%0A来保持原有量纲平衡并不影响原拉氏变换后的象函数%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t)%5D

  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。

  1. 时移性表现为原函数变为f(t-t_0),即时间上的初始位置平移。证明:t-t_0%3Dt'%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t-t_0)%5D%3D%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t')e%5E%7B-s(t'%2Bt)%7Ddt'%3De%5E%7B-st_0%7D%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t')e%5E%7B-st'%7Ddt%3De%5E%7B-st_0%7D%5Cmathcal%7BF%7D(s)

  2. 频移性表现为原函数变为e%5E%7Bat%7Df(t),即复频域上的变量平移,证明:%5Cmathcal%7BL%7D%5Be%5E%7Bat%7Df(t)%5D%3D%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t)e%5E%7B-(s-a)t%7Ddt%3D%5Cmathcal%7BF%7D(s-a)

  3. 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:%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(at)%5D%3D%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(at)e%5E%7B-st%7Ddt%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(at)e%5E%7B-%5Cfrac%7Bs%7D%7Ba%7D(at)%7Dd(at)%3D%5Cfrac%7B%5Cmathcal%7BF(%5Cfrac%7Bs%7D%7Ba%7D%7D)%7D%7Ba%7D

    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%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D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f(t)%3Dt%5En时,%5Cmathcal%7BL%7D%5Bt%5En%5D%3D%5Cint%5E%7B%2B%5Cinfty%7D_%7B0%7D%20t%5En%5Ccdot%20e%5E%7B-st%7Ddt,这样就可以利用n次分部积分法来解得%5Cmathcal%7BL%7D%5Bt%5En%5D%3D%5Cfrac%7Bn!%7D%7Bs%5E%7Bn%2B1%7D%7D。此时可以轻易的发现%5B%5Cmathcal%7BL%7D%5Bt%5En%5D%5D%3D%5Bt%5E%7Bn%2B1%7D%5D%3D%5B%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5E%7Bn%2B1%7D%7D%5D所以对t%5En进行拉氏变换后必须有%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5E%7Bn%2B1%7D%7D这一项,分子上面的阶乘则代表了分部积分的次数。


变换的评论 (共 条)

分享到微博请遵守国家法律