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不定積分與微分方程解法及拉普拉斯變換的本質(zhì)

2021-12-20 11:47 作者:一念之者  | 我要投稿

拉普拉斯變換和傅里葉變換是眾所周知的,然而其本質(zhì)確不盡周知??梢哉f這兩個(gè)變換都是時(shí)頻變換,其逆變換都是頻時(shí)變換。這里不多言時(shí)域與頻域的變換關(guān)系,只是說明他們可以用來求解微分方程。

????????拉普拉斯變換是從冪級數(shù)而來,∑x^n=∑exp(n*ln x),令s=-ln x,由0<x<1可知s>0,函數(shù)自然可以變換成∑f(n)*exp(-n*s),這就是拉普拉斯變換L(f(x))=∫ f(x)*exp(-s*x) dx,(0,+∞)積分。注意:拉式變換雖然從冪級數(shù)而來,其本質(zhì)仍是時(shí)頻變換,和傅立葉變換是相通的。

????????我說不定積分可以用拉普拉斯變換求解,但是有人確說拉普拉斯變換要求(0,+∞)的限制而不能用,我只能說我和他爭論也沒用。拉式變換限制的根本不是原函數(shù),而是變換後的函數(shù)定義域,取原函數(shù)求部分區(qū)間積分完全能代表整個(gè)函數(shù)的性質(zhì),變換后定義域的限制完全可以在復(fù)數(shù)域上擴(kuò)寬,況且拉普拉斯逆變換可不是實(shí)數(shù)域積分,直接在復(fù)數(shù)軸上(-∞,+∞)積分,能被這點(diǎn)限制住的話,那還如何用于微分方程的求解?大多數(shù)函數(shù)的拉普拉斯變換都存在,因此可以通過拉式變換求解。

現(xiàn)在舉例說明拉氏變換的應(yīng)用:

一、求解微分方程

待求微分方程

先對兩邊取拉普拉斯變換有:

用查表法進(jìn)行變換
此類冪指函數(shù)的乘積變換後都是有理函數(shù)

然後,進(jìn)行拉普拉斯逆變換:(有理函數(shù)拆分,比較麻煩)

直接求出一個(gè)特解,可以驗(yàn)證一下沒問題
通解很容易就得知了

二、求不定積分

冪指函數(shù)的不定積分

不定積分可以等價(jià)轉(zhuǎn)換為微分方程,自然可以拉普拉斯變換。

等價(jià)微分方程

對函數(shù)積分,實(shí)際上就是拉普拉斯變換乘上1/s.

同樣進(jìn)行拉普拉斯變換

求解還是可以直接進(jìn)行分解的:

求出一個(gè)特解

此類冪指函數(shù)的乘積與和都可以這樣求解:

不定積分結(jié)果


什么是冪指函數(shù)?

????????“冪”即冪函數(shù),“指”即指數(shù)函數(shù),由于三角函數(shù)可以寫出指數(shù)形式,是指數(shù)函數(shù)的和;冪指函數(shù)的乘積與和運(yùn)算結(jié)果仍然可以像前面所述那樣求解微分方程(不定積分),因?yàn)榇祟惡瘮?shù)的拉普拉斯變換較簡單。

????????然而進(jìn)行兩次變換解題比較麻煩,所以考試時(shí)候推薦使用待定系數(shù)法,熟悉變換後可以直接知道解的形式,解方程組還是最快的。實(shí)際運(yùn)用中,直接計(jì)算機(jī)運(yùn)算拉普拉斯變換沒壓力。

????????所謂“表格法”其背后的原理雖說是分部積分,其實(shí)應(yīng)該是拉普拉斯變換,拉式不能變的“表格法”也基本是列不出來的,而分部積分其實(shí)適用度比“表格法”要廣的多。


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