Приложения преобразования Лапласа

Приведем некоторые основные формулы, используемые для решения дифференциальных уравнений и вычисления матричных экспоненциалов с помощью преобразования Лапласа:

• $$x(t) \supset \frac{1}{p}$$
• $$x(t)t^n \supset \frac{n!}{p^{n+1}}$$
• $$x(t)t^{\alpha}e^{\beta t} \supset \frac{n!}{(p-\beta)^{n+1}}, \beta \in \mathbb{C}$$
• $$x(t)t^{\alpha}\cos{\omega t} \supset \frac{\varGamma (\alpha + 1)}{2}\left(\frac{1}{(p-\omega i)^{\alpha+1}} + \frac{1}{(p+\omega i)^{\alpha+1}} \right)$$
• $$x(t)t^{\alpha}\sin{\omega t} \supset \frac{\varGamma (\alpha + 1)}{2}\left(\frac{1}{(p-\omega i)^{\alpha+1}} - \frac{1}{(p+\omega i)^{\alpha+1}} \right)$$
• $$x(t)\sin{\omega t} \supset \frac{\omega}{p^2 + \omega^2}$$
• $$x(t)\cos{\omega t} \supset \frac{p}{p^2 + \omega^2}$$
• $$x(t)e^{\beta t}\sin{\omega t} \supset \frac{\omega}{(p-\beta)^2 + \omega^2}$$
• $$x(t)e^{\beta t}\cos{\omega t} \supset \frac{p-\beta}{(p-\beta)^2 + \omega^2}$$
• $$x(t)e^{\beta t} \supset \frac{1}{p-\beta}$$
• $$x(t)\operatorname{sh}{\omega t} \supset \frac{\omega}{p^2 - \omega^2}$$
• $$x(t)\operatorname{ch}{\omega t} \supset \frac{p}{p^2 - \omega^2}$$
• $$x(t)e^{\beta t}\operatorname{sh}{\omega t} \supset \frac{\omega}{(p-\beta)^2 - \omega^2}$$
• $$x(t)e^{\beta t}\operatorname{ch}{\omega t} \supset \frac{p-\beta}{(p-\beta)^2 - \omega^2}$$

Свойства:

• $$f(at) \supset \frac{1}{a}F(\frac{p}{a}) \, , \, a > 0$$
• $$\frac{1}{b}\,f(\frac{t}{b}) \supset F(pb) \, , \, b > 0 \,;\, b=\frac{1}{a}$$
• $$x(t-a)f(t-a) \supset e^{-ap}F(p)$$
• $$x(t)f(t+a) \supset e^{ap}\left(F(p)-\int\limits_0^a f(t)e^{-pt} dt \right) $$
• $$x(t)e^{\beta t} \supset F(p+\beta)$$

Дифференцируемость:

• $$f^{(k)}(t) \supset p^{k}F(p) - p^0f^{(k-1)}(0) - pf^{(k-2)}(0) - \ldots - p^{k-1}f(0)$$
• $$x(t)(-t)^k \supset F^{(k)}(p)$$

Интегрируемость:

• $$\int\limits_0^t f(\tau) d\tau \supset \frac{F(p)}{p}$$
• $$\frac{f(t)}{t} \supset \int\limits_0^{+\infty}F(z) dz$$

Примеры:

Нахождение фундаментальной матрицы:

\( \dot X = AX\, , \, X \in \mathbb{R}^{n \times n} \)
X(t) - фундаментальная матрица, если: \(\left\{ \begin{array}{rcl} \frac{dX}{dt}=AX \\ X(0) = I \end{array} \right. \)
Пусть $$X(t) \leftrightarrow Y(p)$$, тогда преобразуем систему по Лапласу $$\Rightarrow$$
$$\Rightarrow PY-I=AY \Rightarrow Y = (PI-A)^{-1}$$

Пример:

\(\left\{ \begin{array}{rcl} \dot X = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix}X \\ X(0) = I \end{array} \right. \)