拉普拉斯变换的收敛域、逆变换

e−at的拉普拉斯变换和收敛域(Region of Convergence)

在讨论拉普拉斯变换的收敛域之前,我们先来求一个信号的拉普拉斯变换。我们已知拉普拉斯变换的定义:

(1)L[f(t)]=∫0∞f(t)e−stdt

对于e−at,我们代入可以得到:

(2)L(e−at)=∫0∞e−ate−stdt=∫0∞e−(a+s)tdt

这里的s=σ+jω是一个复数,我们进一步计算的话,会得到:

(3)∫0∞e−(a+s)tdt=∫0∞e−(a+σ)te−jωtdt

对于这里的e−jωt是收敛的,我们可以根据欧拉公式把它写作:

(4)e−jωt=cos(ωt)−jsin(ωt)

它实际上是复平面上的一个单位圆,对于输入的信号来讲,只是提供了振幅为1的振动,并不影响输入信号的敛散性。我们只需要考虑e−(a+σ)t这部分是否是收敛的。

(5)∫0∞e−(a+σ)tdt=−1a+σe−(a+σ)t|0∞

当我们把积分的下限0代入时,可以得到值为−1a+σ,但代入积分的上限时,我们就需要考虑e−(a+σ)t是否收敛的问题了。当−(a+σ)<0,也就是σ>−a时,e−(a+σ)t收敛到0,否则会发散到∞。

到这里,我们实际上已经得到了e−at的收敛域了,也就是复平面上实部大于−a的部分。

在它的收敛域上,我们可以给出它的拉普拉斯变换:

(6)L(e−at)=1s+a

实际上,拉普拉斯变换收敛域就是使信号f(t)的拉普拉斯变换F(s)存在的s区域。

通过同样的方式,我们还可以推出其他信号例如t、sin(ωt)的拉普拉斯变换及其收敛域。在下面这个表中,给出了常用的拉普拉斯变换及其收敛域:

拉普拉斯逆变换(Inverse Laplace Transform)

我们知道,拉普拉斯变换是将时域的信号转换到复数域。顾名思义,拉普拉斯逆变换就是将复数域的信号再转换回时域。

下面给出两个求拉普拉斯逆变换的例子:

例一、F(s)=−s+5s2+5s+4

对分母进行因式分解:

(7)F(s)=−s+5(s+1)(s+4)=2s+1+−3s+4

在把F(s)化为部分分式和的过程中,我们可以选择设:

(8)−s+5(s+1)(s+4)=As+1+Bs+4

然后求解:

(9)−s+5=(A+B)s+4A+B

拆分为部分分式和后,对结果进行拉普拉斯逆变换:

(10)L−1[F(s)]=L−1(2s+1)+L−1(−3s+4)=2e−t−3e−4t

如果仔细观察拉普拉斯逆变换的结果中e的次幂系数−1和−4,它们实际上就是F(s)的两个极点。

例二、F(s)=4s+8s2+2s+5

令s2+2s+5=0,得:

(11)s1、2=−2±22−202=−1±2i

故:

(12)F(s)=4s+8(s+1−2i)(s+1+2i)=2−is+1−2i+2+is+1+2i

对结果进行拉普拉斯逆变换:

(13)L−1[F(s)]=L−1(2−is+1−2i)+L−1(2+is+1+2i)=(2−i)e(2i−1)t+(2+i)e(−2i−1)t

我们将结果这部分化简,提出公因式e−t,可以得到:

(14)e−t[2e2it−ie2it+2e−2it+ie−2it]

根据欧拉公式:

(15)cos(ωt)=eiωt+e−iωt2sin(ωt)=eiωt−e−iωt2i

可以进一步将结果化简为:

(16)e−t[4cos(2t)+2sin(2t)]

我们可以发现这个结果与它的极点也有着密切的联系,e的次幂系数为−1正是它极点的实部,而2i则对应着解中振动的部分。