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變換

2023-08-21 03:50 作者:awyayb  | 我要投稿

? 在上文中得出了對于形如e%5E%7BP(%7Bx%7D)%7D 的函數(shù)分析量綱時%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

? 那么對于最熟知的兩種變換——拉普拉斯變換和傅里葉變換。

先來看傅里葉變換的一個例子,如果對于f%7B(t)%7D%3De%5E%7B-at%5E2%7D進行傅里葉變換則%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就可以輕易得到%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。所以由此可見,在變換中的一些問題,也可以量綱來做分析有一個更加深入的了解。

? 因為虛數(shù)i也是無量綱數(shù),所以在接下來的分析中可以避免出現(xiàn)復(fù)數(shù)i%5Comega%20。下文中用拉普拉斯變換來進行分析。??%5Cmathcal%7BL%7D%20%5Bf(t)%5D%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t)%20%5Ccdot%20e%5E%7B-st%7Ddt?可以發(fā)現(xiàn)由于%5Bst%5D%3D1,所以%5Bt%5D%3D%5B%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%7D%5D也就是說,經(jīng)過拉普拉斯變換成功把時域函數(shù)f(t)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)頻域函數(shù)F(s),變換前的函數(shù)f(t)稱之為原函數(shù),變換后的函數(shù)F(s)稱之為象函數(shù)。

? 而拉氏變換通常情況下有幾種常用的性質(zhì),首先可以利用積分是線性變換來證明拉普拉斯變換的線性性質(zhì):%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。其次在對拉氏函數(shù)%5Cmathcal%7BL%7D(s)?進行微分或者積分的操作時,也會有對于量綱的平衡。微分性質(zhì)寫作%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,所以量綱減少了t%5En所以在象函數(shù)中需要乘s%5En來使兩邊的量綱保持不變。對于后面的f%5Ek(0),由于拉普拉斯變換在時域上是使量綱增加了t,所以在f(0)處應(yīng)該是量綱減少了%5B%5Cfrac%7Bt%5En%7D%7Bt%7D%5D%3D%5Bt%5E%7B(n-1)%7D%5D,在求導(dǎo)次數(shù)增加時以此類推。證明:%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,進行分部積分可以得到%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的遞推式,然后經(jīng)過n次迭代,就可以得到上述微分性質(zhì)。

? 相應(yīng)的積分性質(zhì)寫作%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?由此可以直觀看出對于n重積分,量綱就增加了t%5En所以在轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域時一定要乘%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5En%7D?來平衡量綱。證明:由于已經(jīng)有了上面的微分性質(zhì),所以可以考慮一個換元:g(t)%3D%5Cint_%7B0%7D%5E%7B%2B%5Cinfty%7Df(t)dt%20,顯然可以得到初值g(0)%3D0%5C%20and%5C%20g'(t)%3Df(t),帶入到上面的結(jié)論就可以得到%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,在經(jīng)過n次迭代就可以得到積分性質(zhì)。這也正好對應(yīng)了上面的微分性質(zhì),這樣就可以粗略看出對于原函數(shù)積分或者微分過后的的象函數(shù),大約就是用乘或除s%0A來保持原有量綱平衡并不影響原拉氏變換后的象函數(shù)%5Cmathcal%7BL%7D%5Bf(t)%5D

? 接下來就是時域和頻域上的平移和尺度伸縮:1.時移性 2.頻移性 3.尺度變換。

  1. 時移性表現(xiàn)為原函數(shù)變?yōu)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=f(t-t_0)" alt="f(t-t_0)">,即時間上的初始位置平移。證明: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. 頻移性表現(xiàn)為原函數(shù)變?yōu)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=e%5E%7Bat%7Df(t)" alt="e%5E%7Bat%7Df(t)">,即復(fù)頻域上的變量平移,證明:%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. 尺度變換表現(xiàn)為時域函數(shù)的時間縮放映射到復(fù)頻域函數(shù)的變量縮放,證明:%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

    以上可以發(fā)現(xiàn),平移不改變量綱而伸縮改變長度。所以需要用%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D來平衡掉多出來的量綱。

    ? 而對于熟知的函數(shù)最友好的便是多項式函數(shù),所以可以用多項式函數(shù)先來舉例子。當f(t)%3Dt%5En時,%5Cmathcal%7BL%7D%5Bt%5En%5D%3D%5Cint%5E%7B%2B%5Cinfty%7D_%7B0%7D%20t%5En%5Ccdot%20e%5E%7B-st%7Ddt,這樣就可以利用n次分部積分法來解得%5Cmathcal%7BL%7D%5Bt%5En%5D%3D%5Cfrac%7Bn!%7D%7Bs%5E%7Bn%2B1%7D%7D。此時可以輕易的發(fā)現(xiàn)%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所以對t%5En進行拉氏變換后必須有%5Cfrac%7B1%7D%7Bs%5E%7Bn%2B1%7D%7D這一項,分子上面的階乘則代表了分部積分的次數(shù)。


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