第5 章积分变换与复变函数问题的求解
积分变换技术可以将某些难以分析的问题通过映射的方式映射到其他域内的表达式后再进行分析。例如,Laplace变换可以将时域函数映射成复域函数,从而可以将某时域函数的微分方程映射成复域的多项式代数方程,使得原微分方程在诸多方面,如稳定性、解析解等方面更便于分析,这样的变换方法构成了经典自动控制理论的基础。在实际应用中,Fourier变换、Mellin变换及Hankel变换都是有其应用领域的。如何利用计算机求解积分变换的解析解是本章主要介绍的问题之一。如果读者没有学过积分变换与复变函数课程,也可以利用类似于第3章介绍的方法,直接由计算机求解相关问题。
5.1 节将首先介绍Laplace变换与反变换的定义及基本性质,然后介绍用MATLAB语言中的符号运算工具箱函数求取Laplace变换及反变换问题的解析解方法,还给出了复杂函数Laplace反变换的数值求解方法与应用实例。5.2节将介绍Fourier变换及反变换的定义、性质和变换问题的MATLAB解法,并介绍Fourier余弦变换、正弦变换、离散Fourier正余弦变换等问题的计算机求解方法,并介绍快速Fourier变换的求解与应用。5.3节将介绍Mellin变换、Hankel变换等问题的MATLAB语言的求解算法,可以得出函数的相应变换及反变换。z变换是另一类实用的变换方法,该变换方法也是离散控制理论的数学基础。5.4节将介绍z变换及其反变换的定义和性质,并介绍基于MATLAB语言符号运算工具箱的z变换问题的计算机辅助求解方法。本章的另一个主要问题是复变函数问题及其MATLAB语言求解,可以用5.5节中介绍的方法计算复变函数的奇点与留数,进行部分分式展开等运算,讨论了有理函数Laplace反变换的求解方法和化简方法,基于留数定理还探讨了封闭曲线积分的求解方法。5.7节还将介绍各种差分方程的求解方法。
5.1 Laplace变换及其反变换
法国数学家Pierre-SimonLaplace(1749–1827)引入的积分变换可以巧妙地将一般常系数微分方程映射成代数方程,奠定了很多领域,如电路分析、自动控制原理等的数学模型基础。本节将首先介绍Laplace变换及其反变换的定义与性质,然后介绍利用计算机数学语言MATLAB求解Laplace变换及其反变换的方法与应用,最后给出复杂函数Laplace反变换的数值求解方法与实用函数。
5.1.1 Laplace变换及反变换的定义与性质
一个时域函数f(t)的Laplace变换可以定义为
∫
L[f(t)]=∞ f(t)e.stdt=F(s)(5-1-1)
式中,L[f(t)]为Laplace变换的简单记号。0下面将不加证明地列出一些常用的Laplace变换性质。
· 150·高等应用数学问题的MATLAB求解(第四版)
(1)线性性质。若a与b均为标量,则L[af(t)± bg(t)]=aL[f(t)]± bL[g(t)]。
(2)时域平移性质。L[f(t. a)]=e.asF(s)。(3)s-域平移性质[。L[e.atf](t)]=F(s+a)。
(4)微分性质。df(t)/dt=sF(s). f(0+),一般地,n阶微分可以由下式求出
n
dn
L [f(t)/dt]L= s nF(s). s n.1f(0+).s n.2f′(0+) .···. f(n.1)(0+)(5-1-2)
若假设函数f(t)及其各阶导数的初值均为0,则式(5-1-2)可以简化成
n
此性质事实上是微分方程映射成代数方程的关键式子。
t
(5)积分性质。若假设零初始条件,L0 f(τ)dτ=Fs (s),一般地,函数f(t)的n重积分
的Laplace变换可以由下式求出L [∫[t dnf(∫t[t )/∫dt] = ] s n] F (Fs() s) (5-1-3)Lf(τ)dτn=(5-1-4)
··· sn
00
(6)初值性质。tlim 0 f(t)=limsF(s)。
s→∞
(7)终值性质。F(s)没有s.0的极点,则limf(t)=limsF(s)。如果→
t→∞ s→0
(8)卷积性质。L[f(t). g(t)]=L[f(t)]L[g(t)],式中,卷积算子. 的定义为
∫t ∫t
f(t). g(t)=f(τ)g(t. τ)dτ=f(t. τ)g(τ)dτ(5-1-5)
00
(9)其他性质。[] ∫∫
n
L[tnf(t)]=(.1)n dndFsn (s), L ft(n t)= ∞ ··· ∞ F(s)ds(5-1-6)
ss
如果已知函数的Laplace变换表达式F(s),则可以通过下面的反变换公式反演求出其Laplace反变换f(t)=L.1[F(s)]=1 ∫λ+j∞ F(s)estds(5-1-7)
……