Laplace-transformasjon

I matematikk er Laplace- transformasjonen en integrert transformasjon , dvs. en operasjon assosiert med en funksjon ƒ (definert på positive realer og med reelle verdier) en ny funksjon kalt Laplace-transformasjon av ƒ (tradisjonelt betegnet med F og definert og med komplekse verdier ) , via en integral .

Merk: vi betegner tradisjonelt t den generiske parameteren til ƒ (og dermed danne ƒ ( t )), mens vi betegner snarere p den for transformasjonen F (vi skriver derfor F ( p )).

Laplace-transformasjonen er injiserende, og ved beregning (eller ved bruk av tabeller) er det mulig å reversere transformasjonen. Den store fordelen med Laplace-transformasjonen er at de vanligste operasjonene på den opprinnelige funksjonen ƒ ( t ), slik som avledningen, eller en oversettelse på variabelen t , har en (mer) enkel oversettelse på transformasjonen F ( p ). Så:

Denne transformasjonen ble introdusert for første gang i en form nær den som ble brukt av Laplace i 1774, innenfor rammen av teorien om sannsynlighet .

Laplace-transformasjonen generaliserer Fourier-transformasjonen som også brukes til å løse differensialligningene  : i motsetning til sistnevnte tar den hensyn til de opprinnelige forholdene og kan dermed brukes i teorien om mekaniske vibrasjoner eller i elektrisitet i studiet av tvungne regimer uten å neglisjere. overgangsregimet. Den konvergerer for alle funksjonene som, vektet av en eksponentiell , innrømmer en Fourier-transform; følgelig innrømmer funksjonene som tillater en Fourier-transformasjon en Laplace-transformasjon, men det omvendte er ikke sant. Generelt tillater dens egenskaper med hensyn til avledningen en enklere behandling av visse differensialligninger, og den blir derfor mye brukt i automatisk .

I denne typen analyser tolkes Laplace-transformasjonen ofte som en passasje fra tidsdomenet , der innganger og utganger er tidsfunksjoner, til frekvensdomenet , der de samme innganger og utganger er funksjoner til "frekvensen" (kompleks) s . Så; det er mulig å analysere bare effekten av systemet på inngangen for å gi utdata når det gjelder enkle algebraiske operasjoner (jf. teori om overføringsfunksjoner i elektronikk eller mekanikk).

Definisjon

I matematikk , spesielt i funksjonell analyse , er transformasjonen av Laplace Monolateral a function ƒ (muligens utbredt, for eksempel "  Dirac-funksjon  ") av en reell variabel t , med positiv støtte , funksjonen F til det variable komplekset p , definert av:

Mer presist er denne formelen gyldig når:

  1. Re ( p )> α , der α er konvergensen abscissa (definert nedenfor), –∞ ≤ α ≤ + ∞  ;
  2. og ƒ er en lokalt integrerbar funksjon med positiv støtte, dvs. null utenfor intervallet I = [0, + ∞ [ , eller mer generelt et "  frø  " av fordelinger definert i et åpent nabolag (og avgrenset nedenfor) av intervallet I = [ 0, + ∞ [ hvis begrensning til komplementet til I i dette nabolaget er en uendelig differensierbar funksjon (se artikkelen Bilateral transformasjon av Laplace ).

Det er en slik kime som her kalles, ved misbruk av språk, en generalisert funksjon med positiv støtte, og transformasjonen av Laplace er injiserende brukt på disse generaliserte funksjonene.

Konvergens abscissa α er definert som følger:

eller, for en reell-β, . Da er α den nedre grensen i mengden B til β som ƒ β er en herdet fordeling for (derav α = + ∞ hvis B er tom).

“  Dirac-funksjonen  ” er av denne karakteren. Laplace-transformasjonen er verdt 1 med en konvergensabscissa på –∞ .

Egenskapene til denne transformasjonen gir den stor nytte i analysen av lineære dynamiske systemer . Det mest interessante av disse egenskapene er at integrasjon og avledning transformeres til divisjon og multiplikasjon med p , på samme måte som logaritmen forvandler multiplikasjon til tillegg. Det gjør det således mulig å redusere oppløsningen av lineære differensiallikninger med konstante koeffisienter til oppløsningen av affine ligninger (løsningene som er rasjonelle funksjoner av p ).

Laplace-transformasjonen brukes mye av ingeniører for å løse differensialligninger og bestemme overføringsfunksjonen til et lineært system. For eksempel, i elektronikk , i motsetning til Fourier-nedbrytningen som brukes til å bestemme spektrumet til et periodisk eller til og med hvilket som helst signal , tar det hensyn til eksistensen av et forbigående regime før det permanente regimet (eksempel: å ta hensyn til formen av signalet før og etter at du slår på en frekvensgenerator).

Det er tilstrekkelig å transponere differensiallikningen i Laplace-domenet for å oppnå en ligning som er mye lettere å håndtere.

For eksempel når du studerer en likestrømsmaskin:

i frekvensdomenet blir

i området Laplace. Dette er bare gyldig under null innledende betingelser: i (0) = 0 .

Vi brukte her egenskaper til Laplace-transformasjonen, forklart nedenfor.

Merk: “ s  ” -notasjonen  (Laplace-variabel) brukes ofte i angelsaksiske land mens “ p  ” -notasjonen  brukes spesielt i Frankrike og Tyskland.

Vi definerer også, under de samme forhold som ovenfor, Laplace- Carson- transformasjonen ved å:

som lar deg knytte en bildefunksjon til en hvilken som helst funksjon av en variabel .

Denne transformasjonen brukes av noen ingeniører fordi:

Inversjon

Inversjonen av Laplace-transformasjonen utføres ved hjelp av en integral i det komplekse planet. Ved hjelp av restsetningen beviser vi Bromwich - Mellin- formelen  :

hvor γ er valgt slik at:

Når denne siste tilstanden ikke er oppfylt, er formelen ovenfor fortsatt brukbar hvis det er et helt tall n slik at:

| p - n F ( p ) | har en tendens til 0 så raskt som

dvs. når:

for | p | tendens til uendelig, | F ( p ) | er avgrenset av et polynom i | p |.

Ved å erstatte F ( p ) med p - n F ( p ) i integralen ovenfor, finner vi på venstre side av likheten en generalisert funksjon med positiv støtte hvis derivat av orden n (i betydningen distribusjoner) er den generaliserte funksjonen (også med positiv støtte) søkt.

I praksis er imidlertid Bromwich-Mellin-formelen lite brukt, og omvendt av Laplace-transformasjoner beregnes fra Laplace-transformasjonstabellene.

Eiendommer

Lineæritet

Laplace-transformasjonen er lineær, dvs. uansett funksjonene f , g og to komplekse tall a og b  :

.

Denne lineariteten følger åpenbart fra integralens.

Kontinuitet

Hvis er kontinuerlig, og hvis feil integral konvergerer, er det veldefinert for alle reelle tall og er kontinuerlig på . Spesielt .

Faktisk gjelder Abels regel her ensartet med hensyn til x .

Holomorphy

Laplace-transformasjonen av er holomorf og dens avledede n- th er ( se nedenfor ).

Laplace-transformasjon av et derivat

Påført derivatet av f tilsvarer Laplace-transformasjonen, opp til en additivskonstant, en multiplikasjon med p av transformasjonen:

. Demonstrasjon

Enten for å beregne:

Ved å integrere med deler får vi:

eller til slutt:

Trinn for trinn eller ved gjentakelse er det mulig å vise for påfølgende avledninger:

Dette siste uttrykket kan skrives, med for alle ,

Merk at, gitt definisjonen gitt over en generalisert funksjon med positiv støtte (ved å bruke begrepet bakterie), er ikke mengdene generelt null.

Hvis f derimot er en vanlig funksjon med positiv støtte, må 0 - erstattes overalt med 0 + .

Mer presist, la oss skrive hvor er enhetstrinnet til Heaviside og g er en funksjon som kontinuerlig kan differensieres (i vanlig forstand) i et nabolag på 0. Så ifølge Leibniz-regelen,

med

Siden , derfor .

Vi har også fordi .

Nå, og . Per definisjon, fordi det handler om monolateral transformasjon . Så vi endelig får

Fortsetter dette resonnementet, får vi, hvis g er av klasse i et nabolag på [0, + ∞ [ ,

med for alle .

Eksempel

Enten . Så og . Vi har og

. Derfor, Søknad til derivatet av Heaviside-funksjonen

Heaviside-funksjonen er verdt 0 for t <0, 1 for t > 0 (verdien i 0 har ingen betydning). Denne funksjonen er diskontinuerlig, den kan ikke avledes i vanlig forstand. På den annen side er dens derivat i betydningen distribusjoner Dirac-funksjonen . Han kommer

siden

Merk at hvis vi i formelen til avledningsregelen erstattet ƒ (0 - ) med ƒ (0 + ), ville vi finne , noe som er falsk (vi kommer tilbake til dette senere). Noen kilder kan ha denne feilen.

På samme måte ser vi noen ganger følgende definisjon av Laplace-transformasjonen:

med , til og med mangel på presisjon på denne grensen. Hvis f er en funksjon i vanlig forstand av dette begrepet, med positiv støtte, er det en Lebesgue-integral som sammenfaller med den som tilsvarer , siden er av mål null; i dette tilfellet kan man også skrive uten tvetydighet . Det er ikke det samme hvis f er en "generalisert funksjon", det vil si en fordeling for Gelfand og Shilov (in) , når denne har en ikke-null masse ved opprinnelsen. Prototypen er Dirac-distribusjonen. Algebraisk er denne fordelingen det nøytrale elementet i konvolusjonsalgebra av positivt støttede distribusjoner; og siden Laplace-transformasjonen forvandler konvolusjonsproduktet til et vanlig produkt, må vi derfor ha Laplace-transformasjonen . Dette vil imidlertid bare være sant hvis . Faktisk, med ville vi oppnå en Laplace-transform som er lik 0. Dette vil være desto mer avvikende ettersom Laplace-transformasjonen ikke ville være injiserende, siden .  

Multiplikasjon med kraften t

Multiplikasjonen med i tidsdomenet tilsvarer, med unntak av tegnet, n- derivatet av transformasjonen:

. Demonstrasjon

(1) Anta at f er lokalt integrerbar med positiv støtte. Laplace-transformasjonen av f er derfor definert for , hvor er konvergensen abscissa, av

.

Funksjonen er holomorf . Enten og . Da og ved komparative vekster er funksjonen integrerbar på [0, + ∞ [ . Funksjonen er derfor holomorf, og dens derivat oppnås ved å differensiere under sumtegnet  :

.

Dette beviser resultatet i saken n = 1 . Den generelle saken følger, ved induksjon.

(2) Dette resultatet er fortsatt gyldig når f er en distribusjon med positiv støtte.

Den omvendte formelen (for n = -1 ) er:

og det er gyldig forutsatt at f er av formen der g er en generalisert funksjon med positiv støtte. En måte å demonstrere dette resultatet på er gitt nedenfor.

Demonstrasjon .

Integrering

Laplace-transformasjonen av en integral (primitiv av f forsvinner ved 0 ) tilsvarer en multiplikasjon med 1 / p  :

og hvis ƒ er en funksjon med positiv støtte, kontinuerlig over [0, + ∞ [ , har vi for alle a > 0  :

Endelig verdi

Anta at f er lokalt integrerbar med positiv støtte. Hvis tidsdomenegrensen eksisterer og er endelig, så:

(Merk at dette er det eneste stedet hvor en 0 + vises for variable .)

Demonstrasjon

Enten . Eksistensen av denne endelige grensen innebærer at konvergens abscissa av Laplace-transformasjonen er .

Vi har  ; Laplace-transformasjonen av er , og tydeligvis . Ved å trekke fra blir vi derfor redusert til tilfellet med en funksjon, igjen bemerket f , slik at .

Så, for alle , er det slik at for alle , . Vi har

La oss ta . Vi har

og konsekvent

Derfor er det en virkelig slik at for og

På den andre siden,

så det finnes slik at for og

Derfor, hvis og

som resulterer i at når har en tendens til 0 + .

De angitte hypotesene er essensielle, som vist i følgende moteksempler:

  • Funksjons innrømmer som grense + ∞ når t tenderer mot + ∞ . Laplace-transformasjonen er og . Dette siste grense ikke har i virkeligheten en hvilken som helst retning på grunn abscissen av konvergens av F er 1, derfor 0 ikke hører til adhesjonen av feltet av konvergens.
  • Funksjonen tillater ingen grense når den har en tendens til + + . Laplace-transformasjonen er , konvergensabscissen til F er 0 og (denne siste grensen er imidlertid riktig denne gangen).
  • Hvis er en rasjonell funksjon, eksisterer og er endelig hvis, og bare hvis alle polene tilhører foreningen av det åpne venstre halvplanet og opprinnelsen, er polen på 0, hvis den eksisterer, enkel.

Opprinnelig verdi

Hvis har en endelig konvergens abscissa, og hvis grensen i tidsdomenet eksisterer, så:

(Merk at dette er det eneste stedet hvor en 0 + vises for variable .)

Demonstrasjon

Enten . Vi har  ; Laplace-transformasjonen av er , og åpenbart . Ved å trekke fra blir vi derfor redusert til tilfellet med en funksjon, igjen bemerket f , slik at .

Enten . Den eksisterer ved hypotesen slik at for alle t , slik at vi har . På den andre siden,

med

La være en virkelig strengere enn abscissa av konvergens av og . Vi har

der riktig integral er konvergent, så når . Derfor er det en virkelig slik at så snart og .

På den andre siden,

og dette begrepet har en tendens mot når , derfor eksisterer det en virkelig slik som så snart og . Endelig for og vi har

Nå er det vilkårlig lite, så dette begrepet har en tendens til 0 når og .

Konvolusjon

Laplace-transformasjonen endrer konvoluttproduktet til et produkt:

Laplace-transformasjon av en periodisk funksjon

Hvis ƒ er en nullfunksjon for t <0 og, for t > 0, periodisk med periode T , deretter for

Demonstrasjon

Vi bruker Chasles 'forhold til å spalte integralen over hver periode:

Vi endrer variabler for å bringe integralene tilbake til [0, T ]

Siden ƒ er periodisk, kan vi forenkle integralene med

Vi grupperer vilkårene:

Denne geometriske serien konvergerer (fordi e - pT <1 ). Han kommer da

Oppsummeringstabell over egenskapene til Laplace-transformasjonen

Egenskaper til den ensidige Laplace-transformasjonen
Tids domene Domenet "p" Kommentarer
Lineæritet Resultater fra de grunnleggende integreringsreglene.
Derivat av transformasjonen er det første derivatet av F.
Derivater av orden n for transformasjonen Mer generell form, n - derivat av F ( p ).
Første avledede av funksjonen i tidsdomenet ƒ antas å være differensierbart, og dets derivat antas å ha en eksponentiell retning mot 0. Kan oppnås ved integrering av deler .
Andre derivat ƒ er antatt å være to ganger differentiable, med den andre deriverte konvergerende eksponentielt til uendelig.
N- derivat av ƒ ƒ antas å være n ganger differensierbare, med en N- th -derivat med eksponentiell konvergens mot uendelig.
Integrasjon av Laplace-transform
Integrering er trinnfunksjonen til Heaviside. Operatøren ( u  *  f ) ( t ) er konvolusjonsproduktet til u ( t ) og ƒ ( t ).
Tidsskala utvidelse
Forskyvning på s Denne egenskapen er noen ganger kjent som Damping Theorem (eller Modulation Theorem ) med .
Tidsdomeneskift u ( t ) er trinnfunksjonen til Heaviside (trinnfunksjon)
Multiplikasjon Integrasjonen utføres langs den vertikale linjen Re (σ) = c som ligger helt innenfor konvergensradien til F.
Konvolusjonsprodukt ƒ ( t ) og g ( t ) utvides for definisjonen av konvolusjonsproduktet.
Kompleks bøyning
Korrelasjonsfunksjon
Periodisk funksjon ƒ ( t ) er en periodisk funksjon av periode T slik at . Dette er resultatet av tidsdomene skiftegenskap og den geometriske serien.
 

Noen vanlige transformasjoner

Den monolaterale Laplace-transformasjonen er bare gyldig for funksjoner (muligens generaliserte) med positiv støtte. Det er av denne grunn at de tidsmessige funksjonene til denne tabellen er flere av (eller består av) , funksjonstrinnsenhet (Heaviside) .

Tabell over vanlige Laplace-transformasjoner
Funksjon Tids domene
Laplace transform
Konvergensregion
1 Forsinket distribusjon av Dirac
1a Distribusjon av Dirac
2 forsinket eksponentiell-monomial
2a makt n- th
2a.1 q -th kraft
2a.2 enhetsnivå
2b forsinket trinn
2c rampe
2d eksponentiell-monomial
2d.1 eksponentiell
3 eksponentiell tilnærming
4 sinus
5 cosinus
6 hyperbolsk sinus
7 hyperbolsk cosinus
8 eksponentiell forfall
av en sinusbølge
9 eksponentiell forfall
av en cosinusbølge
10 n-th rot
11 logaritme
12 Bessel-funksjon av
den første typen,
i rekkefølge n

1. 3 modifisert Bessel-funksjon av
den første typen,
i rekkefølge n

14 feilfunksjon
Merknader:
  • representerer funksjonen til Heaviside .
  • representerer Dirac-funksjonen .
  • er Gamma-funksjonen .
  • er Euler-Mascheroni-konstanten .
  • , er et reelt tall, det representerer vanligvis tid,
    men kan betegne hvilken som helst annen størrelse.
  • er et komplekst tall.
  • er et reelt tall ( ).
  • , , , Og er reelle tall.
  • er et helt tall.
 

Eksempel på bruk av Laplace-transformasjon i elektrisitet

Vi betrakter en krets kalt "R, C", bestående av en elektrisk motstand av verdien R og en kondensator med elektrisk kapasitet C, plassert i serie. I alle tilfeller anses det at kretsen er plassert ved terminalene til en ideell spenningsgenerator som leverer en (generelt) variabel spenning u ( t ) bare på et øyeblikk valgt som opprinnelse til datoene, og at kondensatoren først blir lastet ut.

Vi har således henholdsvis for ladningen q ( t ) til kondensatoren og strømmen i kretsen følgende startbetingelser:

Lade en kondensator med et spenningstrinn

Vi bruker følgende spenning u ( t ):

og differensiallikningen som relaterer responsen q ( t ) til inngangen u ( t ) er ved å anvende de vanlige lovene om elektrisitet:

eller igjen ved å sette τ ≡ RC (denne størrelsen har dimensjonen av en varighet) og dele med R:

Vi tar Laplace-transformasjonen fra medlem til medlem av denne siste ligningen, og betegner Q ( p ) transformasjonen av q ( t ), den kommer, og tar hensyn til det faktum at q (0 - ) = 0:

som også kan skrives i form:

overføringsfunksjonen til RC-systemet, og Laplace-transformasjon av inngangen.

Vi kan umiddelbart reversere denne ligningen med (vi bruker oppføring nummer 3 fra tabellen ovenfor med α = 1 / τ ):

Den fysiske tolkningen av denne løsningen er veldig enkel: det er en superposisjon av et forbigående regime

som beskriver kondensatorens progressive ladning, størrelsen τ ≡ RC som gir tidsskalaen (dette er et eksempel på en tidskonstant i et system), i en jevn tilstand

som tilsvarer tilstanden til den fulladede kondensatoren under likspenningen U 0 . Det vises enkelt at kondensatoren er 90% ladet ( q = 0,90 Q m ) på slutten av perioden T = τ ln (10) ≈ 2.3025 τ .

Begrepet (1 - e - t / τ ) er overføringsfunksjonen til systemet i tidsdomenet.

Vi kan se brukervennligheten til Laplace-transformasjonen, som gjør det mulig å fullstendig abstrahere fra oppløsningen til differensiallikningen i tidsrommet ved en passasje i "space p  ". Videre tas de opprinnelige forholdene i betraktning under transformasjonen.

Merknader og referanser

Merknader

  1. Bourlès 2010 (§12.3.4), Bourlès og Marinescu 2011 , § 7.3.4.1.
  2. Denis-Papin og Kaufmann 1967 .
  3. J.-É. Rombaldi, Korrigerte øvelser og problemer for aggregering av matematikk , De Boeck Supérieur ,2018( les online ) , s.  193.
  4. Bourlès 2010 , s.  356.
  5. (i) Milton Abramowitz og Irene Stegun , håndbok for matematiske funksjoner med formler, grafer og matematiske tabeller [ publiseringsdetaljer ] ( les online ), kap. 29 (“Laplace Transforms”), s. 1020: 29.2.4. og 29.2.5
  6. (i) Milton Abramowitz og Irene Stegun , håndbok for matematiske funksjoner med formler, grafer og matematiske tabeller [ publiseringsdetaljer ] ( les online ), kap. 29 (“Laplace Transforms”), s. 1020: 29.1.1.
  7. Schwartz 1965 , VI, 2; 2.
  8. André Desbiens, “  Lineære systemer og kontroll GEL-2005. Kapittel 3: Laplace-transformasjon  ” , om Université Laval , s.  33.
  9. Bracewell 2000 , tabell 14.1, s. 385.
  10. I enhetsbelastning av ved multiplikasjon med C.

Referanser

  • Henri Bourlès , Linear Systems , John Wiley & Sons ,2010, 544  s. ( ISBN  978-1-84821-162-9 og 1-84821-162-7 , les online )
  • Henri Bourlès og Bogdan Marinescu , Lineære tidsvarierende systemer: algebraisk-analytisk tilnærming , Springer,2011, 638  s. ( ISBN  3642197264 )
  • (en) Ronald N. Bracewell , The Fourier Transform and Its Applications , Boston, McGraw-Hill,2000, 3 e  ed. ( ISBN  0-07-116043-4 ).
  • M. Denis-Papin og A. Kaufmann , anvendt operativt beregningskurs , Albin Michel ,1967( ASIN  B003WR50TY )
  • Laurent Schwartz , Matematiske metoder for naturvitenskap , Hermann ,1965( ISBN  2-7056-5213-2 )
  • (en) DV Widder , The Laplace Transform , Dover Publications ,2011, 406  s. ( ISBN  978-0-486-47755-8 og 0-486-47755-X )

Se også

Relaterte artikler

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">